Введение к работе
Актуальность темы. Форсажная камера сгорания, как один из основных узлов воздушно-реактивного двигателя для сверхзвуковых самолетов, играет существенную роль в обеспечении его технических характеристик. Несмотря на кажущуюся простоту устройства, рабочий процесс в форсажной камере весьма сложен. Он представляет собой совокупность физико-химических процессов, протекающих в потоке движущегося реагирующего высокотемпературного газа практически одновременно и влияющих друг на друга. В связи с этим, форсажная камера трудно поддается моделированию с использованием аналитических и численных методов.
Создание и доводка форсажных камер ВРД требует проведения большого объема сложных и ресурсоемких экспериментов. Вследствие этого, разработка эффективных методов и средств их моделирования для каждого этапа проектирования является актуальной задачей.
Сложная структура рабочего процесса форсажных камер диктует необходимость разработки систем моделирования, позволяющих решать задачи инженерного анализа в области различных дисциплин - газодинамики, горения, теплообмена, прочности, долговечности, то есть многодисциплинарных систем анализа.
Особое место при проектировании форсажных камер занимают начальные этапы (техническое предложение и эскизное проектирование). Именно на них закладывается облик будущей камеры, выбирается тип и размеры основных элементов, проводятся предварительные детальные расчеты. Чем точнее оценки и результаты, полученные на этих этапах, тем меньше продолжительность и, соответственно, стоимость последующих стадий разработки, особенно доводки.
В связи с вышеизложенным, разработка инженерных методов и средств математического моделирования форсажных камер и их элементов для использования на этапах предварительного проектирования является актуальной задачей.
Среди методов, используемых для моделирования камер сгорания, перспективным является модульный метод. Преимущества этого метода -универсальность, гибкость, производительность, умеренные требования к вычислительным ресурсам - позволяют рассматривать его как базовый метод для разработки многодисциплинарных многоуровневых систем моделирования форсажных камер ВРД.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и реализация метода предварительного проектирования форсажных камер, основанного на использовании многодисциплинарной двухуровневой системы их моделирования и анализа.
Для достижения данной цели решены следующие задачи:
-проведен сравнительный анализ методов, используемых при моделировании форсажных камер; обоснована целесообразность применения модульного метода;
-разработана структура подсистемы формирования облика форсажных камер ВРД, включая библиотеку типовых элементов, информационные потоки, математические модели и алгоритмы, наборы входных и выходных данных;
-разработана структура подсистемы детального (газодинамического и теплового) моделирования форсажных камер ВРД, включая библиотеку типовых элементов, информационные потоки, математические модели и алгоритмы, наборы входных и выходных данных;
-разработана методика решения задач формирования облика, детального (газодинамического и теплового) анализа форсажных камер различных конструктивных схем;
-произведено тестирование разработанной системы на задачах формирования облика, газодинамического и теплового анализа форсажных камер на соответствующих стадиях процесса разработки авиационного двигателя;
- исследована возможность уточнения используемых математических
моделей элементов с помощью программных комплексов трехмерного
газодинамического и теплового моделирования. Предложен метод уточнения
одномерных моделей на основе данных трехмерного расчета.
Научная новизна
-для моделирования форсажных камер на начальных стадиях разработки впервые применен модульный метод;
-впервые разработана структура многодисциплинарной двухуровневой системы моделирования форсажных камер ВРД, включающая библиотеки основных модулей для двух уровней, информационные потоки, законы расчета;
- разработаны информационные модели основных модулей;
-предложена новая методика организации взаимодействия одномерного и
трехмерного расчетов с целью уточнения математической модели в процессе решения задачи.
Практическая значимость. Разработана многодисциплинарная двухуровневая система газодинамического и теплового моделирования и анализа форсажных камер ВРД, которая может быть использована на этапах разработки технического предложения, эскизного проектирования, а также доводки форсажных камер ВРД. Практическая ценность работы состоит в следующем:
- на этапе проектирования - в повышении качества и сокращения времени
проектирования за счет увеличения количества просматриваемых вариантов;
более детального и всестороннего анализа каждого проектного решения;
появления возможности решать задачи, возникающие при проектировании нового поколения авиационных двигателей, при непрерывном совершенствовании используемых в системе математических моделей;
- на этапе исследований - в возможности анализа работы форсажной камеры на всех режимах для различных стадий проектирования и замены ряда экспериментов, связанных с натурными испытаниями на дорогостоящих установках, математическим моделированием;
-в учебном процессе - в возможности газодинамического и теплового моделирования форсажных камер ВРД при выполнении лабораторных работ, в курсовом и дипломном проектировании.
Методы исследования. Полученные автором результаты базируются на основных положениях теории рабочих процессов камер сгорания ВРД, методах системного анализа с применением современных информационных технологий и результатах экспериментальных исследований элементов форсажных камер.
Основные результаты исследований, выносимые на защиту:
Основные принципы формирования много дисциплинарной многоуровневой системы моделирования форсажных камер ВРД на основе модульного метода.
Структура много дисциплинарной двухуровневой системы анализа форсажных камер ВРД.
Информационные модели основных модулей системы.
Результаты анализа форсажной камеры ТРДДФ на разных этапах проектирования, сравнение расчетных и экспериментальных данных.
Результаты проверки эффективности использования программного комплекса ANSYS CFX (проведение численного эксперимента) с целью частичной замены натурного эксперимента.
Методика уточнения модели одномерного расчета на основе данных трехмерного моделирования на примере диффузора форсажной камеры.
Обоснованность и достоверность результатов исследования.
Достоверность результатов проведенных в работе исследований и расчетов подтверждена путем их сопоставления с экспериментальными данными конкретных изделий на различных режимах работы. Математические модели элементов, используемые в работе, сформированы на базе эмпирических соотношений, применяемых в промышленности при проектировании форсажных камер.
Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в ФГУП "НІШ "Мотор" и в учебный процесс ГОУ ВПО УГАТУ.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались на IX Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (Н. Новгород, 2003), всероссийской молодежной научно-технической конференции «Проблемы современного машиностроения» (Уфа, 2004), международных конференциях «Информационные технологии в образовании, технике и медицине». (Волгоград, 2004, 2006), Международной НТК в ЦИАМ (Москва, 2005), НТК «Королевские чтения» (Самара, 2006), X, XI и XII Всероссийских НТК Аэрокосмическая техника и высокие технологии (Пермь, 2007, 2008, 2009), НТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2007), Всероссийских молодежных научных конференциях "Мавлютовские чтения» (Уфа, 2007, 2008), Результаты работы обсуждены в бригаде форсажных камер и выходных устройств «ФГУП «НПП Мотор» и используются там при разработке перспективных авиационных двигателей.
Работа отмечена Дипломом как лучшая исследовательская работа в области информационных технологий на НТК молодых специалистов, инженеров и техников, посвященной годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2007).
Публикации. Результаты исследования отражены в 15 публикациях, в том числе в двух изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (83 наименования).
Основная часть работы содержит 152 страницы, 98 иллюстраций, 7 таблиц.
