CC BY
17Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов
УДК 629.7.036.54.063.6:621.565.93/.94
ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ В НЕПОДВИЖНОМ МЕЖЛОПАТОЧНОМ КАНАЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
И. В. Асташов, Д. А. Жуйков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: d_zhuikov@sibsau.ru
Рассматривается метод численного моделирования течения в межлопаточном неподвижном канале центробежного насоса энергетических установок на основе интегрального соотношения пространственного пограничного слоя.
Ключевые слова: энергетические установки, центробежный насос, численное моделирование, интегральное соотношение, пространственный пограничный слой.
NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW IN THE FIXED INTER-BLADE CENTRIFUGAL PUMPS CHANNEL POWER UNITS SPACECRAFT
I. V. Astashov, D. A. Zhuikov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: dimitri_z@inbox.ru
The paper deals with the method of numerical simulation of inter-blade fixed channel centrifugal pump power units based оп integrated equations of the spatial boundary layer.
Keywords: power units, centrifugal pump, numerical simulation, integrated equations, spatial boundary layer.
Разработка современных энергетически эффективных и высоко надежных летательных аппаратов нового поколения для ракетно-космической отрасли является важной научно-технической задачей.
Турбонасосные агрегаты (ТНА) современных энергетических установок летательного аппарата являются высоконагруженными энергетическими узлами, основной задачей которых является стабильная подача компонентов топлива в камеру сгорания на всех режимах работы двигателя. Качественное проектирование и оптимизация агрегата возможно при наличии современных математических моделей всех элементов агрегата, позволяющих определить полей скоростей, давлений и температур в проточных трактах насосов и турбин ТНА.
Ключевой задачей построения математической модели течения рабочей жидкости в центробежном насосе (ЦН) является задача о течении в рабочем колесе насоса как основного элемента создания необходимого напора с заданным расходом представляющего собой криволинейный вращающийся плоский канал.
На первом этапе рассмотрено течение в криволинейном неподвижном межлопаточном канале, где течение разбивается на два участка: течения в ядре потока вдоль линии тока конгруэнтной цилиндрической лопатки и в пограничном слое. Решение задачи течения в ядре потока является определяющим для дальнейшего решения течения в пограничном слое, в котором будет найдены напряжения трения, кото-
рые в свою очередь учитываются при решении течения в ядре потока по определению скоростей и давления вязкой жидкости.
Для определения гидравлических потерь, а именно напряжений трения на поверхности канала применяется система дифференциальных уравнений пространственного пограничного слоя (III 1С) в интегральных величинах на неподвижном основании [1-3] в естественной системе координат.
Определение поля скоростей основано на струйной теории лопаточных машин [3], в результате чего определяются значения всех скоростей в каждой точке координатной сетки (см. рисунок). Относительная скорость W - это продольная скорость ядра потока необходимая для расчета параметров ППС. Кроме того, для численного решения системы дифференциальных уравнений ППС необходимо определить дифференциалы, входящие в эти уравнения. Для этого рассматривается баланс сил, действующий на элементарный объем жидкости в межлопаточном канале.
Решение течения в ППС ведется разностно-характеристическим методом [2] вдоль известной линии тока. Течение в криволинейном межлопаточном канале с применением градиентной функцией изменения продольной скорости в ППС характеризуется относительными характерными толщинами (ОХТ) -константами [4], где напряжения трения на поверхности канала в продольном направлении определяются в зависимости от выбранного закона профиля скорости в пограничном слое [1].
Решетневскуе чтения. 2018
На основе этой численной модели был разработан программный модуль для автоматизированной системы гидродинамического расчета [5], где проведены предварительные численные исследования.
Расчетная схема течения в ядре потока на поверхности канала: ЦЛ - цилиндрическая лопатка постоянной высоты; ЛТЯП - линия тока ядра потока конгруэнтная ЦЛ; x, у - ортогональная, R, а - цилиндрическая, Ф, ^ - естественная системы координат;
W, U - относительная и окружная скорость ядра потока соответственно
Таким образом, рассмотренная численная модель течения жидкости в неподвижном межлопаточном канале центробежного насоса и разработанная на ее основе методика расчета параметров потока позволяет определить гидравлические потери на трение и корректно установить поле скоростей и давлений по радиусу диска, а, следовательно, определить действительный напор рабочего колеса центробежного насоса. Также программный модуль можно использовать в компьютерных моделях, имитирующих работу энергетических установок в целом на различных, в том числе переходных режимах для выполнения глубокой оптимизации и определения масс-энергетических характеристик агрегата.
Библиографические ссылки
1. Вращение жидкости над неподвижным основанием по закону твердого тела / А. А. Кишкин, А. А. Зуев, Е. В. Черненко, П. Н. Смирнов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Сер. Технические науки. 2011. № 1. С. 126-131.
2. К расчету пространственного пограничного слоя при развороте потока в круговом секторе / Д. В. Черненко, Е. В. Черненко, А. А. Зуев, Ю. Н. Шевченко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Сер. Технические науки. 2009. № 1. С. 15-18.
3. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания ЖРД. М. : Машиностроение, 1986.
4. Степанов Г. Ю. Гидродинамика решеток турбо-машин. М. : Физматгиз, 1962.
5. Автоматизированная система термогидрогазо-динамического расчета и оптимизации параметров элементов турбомашин (ASTROPET) : свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013610054 от 09.01.2013 / А. А. Кишкин, Е. В. Черненко, Д. А. Жуйков, А. В. Делков, Д. В. Черненко ; Заявка № 2012619448 от 02.11.2012.
References
1. Kishkin A. A., Zuev A. A., Chernenko E. V., Smirnov P. N. Vrashcheniye zhidkosti nad nepodvizhnym osnovaniyem po zakonu tverdogo tela [Liquid rotation over the motionless basis under the law of a solid body] : University News. North-Caucasian Region. Technical Sciences Series, 2011, Vol. 1, P. 126-131. (In Russ.)
2. Chernenko D. V., Chernenko E. V., Zuyev A. A., Shevchenko Y. N. K raschetu prostranstvennogo pogranichnogo sloya pri razvorote potoka v krugovom sektore [Calculation of the spatial boundary layer flow at the turn in the circular sector: Proceedings of the higher educational institutions]. North-Caucasian region. Series: Engineering, 2009, № 1, P. 15-18. (In Russ.)
3. Ovsyannikov B. V., Borovsky B. I. Teoriya i ra-schet agregatov pitaniya ZHRD [Theory and calculation power units LRE]. M. : Engineering, 1986. 376 p.
4. Stepanov G. Y. Gidrodinamika reshetok turbomashin [Hydrodynamics oflatticesofturbomachinery]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1962. 512 p.
5. Kishkin A. A., Chernenko E. V., Zhuykov D. A., Delkov A. V., Chernenko D. V. Avtomatizirovannaya sistema termogidrogazodinamicheskogo rascheta i opti-mizatsii parametrov elementov turbomashin (AS-TROPET) Svidetel'stvo gosudarstvennoy registratsii pro-grammy dlya EVM № 2013610054 [Automated system of thermo hydro gas-dynamic calculation and optimization ofparameters of turbomachinery elements (ASTROPET)] : Certificate of state registration of the computer program No. 2013610054]. SibGAU, 2013. (In Russ.)
© Асташов И. В., Жуйков Д. А., 2018
