CC BY
71
ленькие подобласти, называемые контрольными объемами, внутри которых свойства газа не меняются. В таком дискретизированном пространстве в каждом объеме или узле решаются уравнения Навье-Стокса, осредненные по числу Рейнольдса. В результате, при приближенном вычислении значения каждой переменной в контрольных точках, может быть получено решение для всей исследуемой области.
Для решения задачи, связанной с моделированием процесса вихреобразования перед моделью был разработан и применен алгоритм, который показан на рисунке.
б
Результаты исследований: а - эксперимент; б - расчет
Порядок решения задачи по получению картины течения на примере модели ВЗ с квадратным сечением в изолированных условиях следующий:
1. Создание трехмерной модели расчетной области средствами CAD проектирования (AUTOCAD,
УДК 532.5
SOLIDWORKS, КОМПАС 3D и др.) и сохранение геометрии в форматах *.IGES, *.X_T.
2. Импорт геометрии в расчетный комплекс ANSYS, и ее подготовка для дальнейшего разбиения на конечные объемы (КО).
3. Создание сетки КО на основе геометрической модели.
4. Приложение к КО модели граничных условий (условия закрепления и действующие нагрузки).
5. Численное решение системы уравнений (автоматически).
6. Получение и обработка результатов, их анализ.
Для верификации результатов расчета, была произведена визуализация результатов эксперимента для получения качественной картины течения (с соблюдением положений по теории подобия) на установке [2], которая позволяет моделировать процессы вихреобразования и получать качественную и количественную картину течения (см. рисунок). Необходимые данные (геометрические и физические параметры) для моделирования были взяты из эксперимента для получения равнозначной картины протекания процесса.
На основании проведенных исследований по получению картины течения под ВУ квадратного сечения был выполнен анализ и выявлены особенности протекания процесса вихревого движения.
Таким образом, использование расчетных программ на основе методов вычислительной гидродинамики позволяет, проводить исследование вихреобразования и разрабатывать способы подавления и уменьшение интенсивности вихревого движения под ВЗ.
Библиографические ссылки
1. Rehdy L., MacManus D.G. Jet engine ground vortex studies. Crandfield University, 2007.
2. Алексеев А. А., Пашталян М. В., Салтыков А. С. Установка для проведения экспериментальных исследований, моделирующая вихревые течения перед входным устройством боевого самолета // Всероссийская научно-практическая конференция «Инновации в авиационных комплексах и системах военного назначения», Воронеж, 2009. С. 14-18.
© Нескоромный Е. В., Салтыков А. С., Пашталян М. В., Пахомов С. В., 2010
А. А. Ходенков Научный руководитель - М. Г. Мелкозеров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ОСОБЕННОСТИ АНАЛИЗА ТЕЧЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ В ПНЕВМОГИДРОСИСТЕМАХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассматриваются особенности течения двухфазных парожидкостных потоков и проблемы их гидрогазодинамического расчета. Приводятся основные расчетные модели, используемые на практике. Оцениваются диапазоны их применения.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
С двухфазными течениями приходится сталкиваться практически во всех областях техники (например, в трубчатых испарителях, реакторах с кипящей водой, системах продувки котлов, нагревателях, нефте- и газопроводах, рефрижераторах, технологических трубопроводах, конденсаторах и т. д.). Двухфазные течения встречаются в полостях пнев-могидросистемах космических аппаратов и систем терморегулирования космических аппаратов.
Такие потоки всегда имеют не только фиксированные внешние границы (стенки каналов, поверхности обтекаемых тел), но и внутренние поверхности раздела. Поверхности раздела двух сред в общем случае меняются в пространстве и во времени.
На поверхности раздела фаз возникают особые силовые взаимодействия. Эти взаимодействия самым существенным образом сказываются на поведении потока.
Двухфазные течения подчиняются всем основным законам гидромеханики. Однако уравнения более сложны и многочисленны, чем в случае однофазных течений.
Если рассматривать движение одиночного пузыря или движение потоков с непрерывной фиксированной границей раздела фаз, то формулировка основной системы уравнений еще может быть произведена с необходимой строгостью. Если же течение сложное, компоненты потока расчленены на отдельные элементы, имеется ряд областей, замкнутых границами раздела - где возникают трудности, связанные с необходимостью рассматривать вероятностные ситуации с элементами, переменными в про-
странстве и времени, - последовательные аналитические методы для таких систем в настоящее время отсутствуют. Решающее значение имеют эксперимент и методы подобия [1].
Для получения газожидкостной смеси желаемых физических свойств необходимо задаться параметрами, которых более десяти. Если еще учесть условия формирования газожидкостных смесей, то станет понятным бесконечно большое их разнообразие.
Тем не менее, для конкретизации и установления границ между отдельными видами структур газожидкостных смесей большинство исследователей указывает четыре основных типа структур (рис. 1):
- эмульсионная (пузырьковая) структура, характеризующаяся более или менее равномерным распределением газа в жидкости и низким газосодержанием.
- четочная (снарядная) структура наблюдается при больших газосодержаниях. При таких структурах основная масса газа движется в виде четок, перекрывающих все сечение трубы и чередующихся с прослойками жидкости.
- волновая структура - жидкая фаза занимает нижнюю часть живого сечения потока, а газ перемещается как в виде пузырьков в жидкости, так и в виде сплошного потока газа в верхней части живого сечения потока.
- стержневая (кольцевая) структура. При таких структурах основная масса газа движется в осевой части трубы сплошным потоком (стержнем), жидкость же движется по стенкам в виде тонкого кольцевого слоя.
у.''у; -■-'-•.-У-УУУ ,УЛ.- ',У','.'.'^у^г.
ч>
'__о • с в, - „ ■ , —у
/,УУ ,-■//,■ гУУУ ЛУ / г ,уу /.-уу,-^
Режимы напорного газожидкостного потока: 1 - жидкость; 2 - пузырек газа; 3 - газовая пробка в виде снаряда; 4 - поток газа над волнистой поверхностью жидкой фазы; 5 - поток газа в кольцевом сечении потока жидкости
Существует несколько методов анализа двухфазных течений. Один из них - описательно-экспериментальный. Он заключается в процессе наблюдения и попытке объяснения происходящих явлений, описывая наблюдаемые характеристики, такие, как режим течения, и регистрируя зависимость измеряемых параметров, например перепада давления, от независимых переменных, например от расхода.
Метод корреляции - простейшая форма анализа, в которой закономерности в поведении экспериментальных данных выражены количественно преимущественно с помощью безразмерных, физически обоснованных комплексах.
Один из теоретических методов - это модель гомогенного течения. Реальный двухфазный поток является потоком, разделенным на области с существенно различными свойствами. Гомогенная теория двухфазных течений представляет собой попытку представить течение в виде однофазного, используя уже разработанные методы. Позволяя получить удовлетворительное представление о таких переменных, как перепад давления при дисперсно-кольцевом течении, эта теория для того же течения, рассматриваемого в другом контексте, например в случае высыхания пленки жидкости на обогреваемой поверхности, оказывается несостоятельной, так
как связанное с этим процессом ухудшение теплоотдачи зависит от той доли жидкой фазы, которая течет по стенке в виде пленки.
В модели раздельного течения (иногда называемой моделью или теорией гетерогенного течения [2]) каждая фаза обладает собственными свойствами (температурой, плотностью, скоростью) и должна удовлетворять некоторой форме обычных законов сохранения массы, импульса и энергии. Каждый параметр представляет собой некоторую среднюю величину. Осреднение порождает ошибки, которые корректируются путем введения дополнительных членов или коэффициентов в уравнения.
Теория раздельного течения может оказаться удачным представлением газового потока с каплями, образующимися при разбрызгивании, или кольцевого течения без уноса капель.
Дальнейшее изучение закономерностей течения, тепло- и массообмена закрученных потоков в осесим-метричных каналах, систематизация этих данных и разработка универсальных методов расчета таких течений являются актуальной научной и прикладной проблемой. Результаты этих исследований найдут широкое использование в различных областях техники.
Библиографические ссылки
1. Кутателадзе С. С., Стырикович М. А. Гидродинамика газожидкостных систем. М. : Энергия, 1976.
2. Чисхолм Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках. М. : Недра, 1986.
© Ходенков А. А., Мелкозеров М. Г., 2010
УДК 533.6.011.51
А. А. Шаклеин Научный руководитель - Б. Я. Бендерский Ижевский государственный технический университет, Ижевск
МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ И НЕСТАЦИОНАРНЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ТЕПЛООБМЕНА В РЕГУЛЯТОРЕ РАСХОДА
Рассматривается применение методов математического моделирования для исследования пространственной газодинамики и процессов теплообмена в регуляторе расхода.
Важную роль в работе регулируемых энергетических установок (РЭУ) играют управляющие узлы, в частности - регуляторы расхода. Для точного управления процессами, такими как контроль над модулем вектора тяги двигателя или расхода газогенератора, необходимо знать параметры внутрика-мерных процессов. В работе проведены численные расчеты газодинамики и теплообмена в регуляторе расхода с использованием пакета АшуБ СБХ.
При проведении натурного эксперимента важным является определение параметров переходных процессов при перемещении управляющего элемента в виду малого промежутка времени, за которое данное перемещение происходит. Поэтому для исследования газодинамических процессов были проведены численные эксперименты.
В качестве математической модели использовалась система уравнений Навье-Стокса с осреднением по Рейнольдсу с использованием модели турбулентности к-в.
Для исследования квазистационарных процессов газодинамики и теплообмена в регуляторе расхода штокового типа численные расчеты проводились для моделей рабочих тел (показатель адиабаты 1.2 и 1.4), при различной температуре втекающих в регулятор расхода продуктов сгорания и положениях
управляющего элемента - штока. Кроме того, проведено моделирование нестационарного газодинамического процесса при поступательном перемещении управляющего элемента.
В результате работы получены следующие результаты:
1) выявлена пространственная структура потока в до-, около- и сверхзвуковой областях регулятора расхода при различных положениях штока;
2) обнаружены особенности в виде циркуляционных зон и отрыва потока в области за регулирующим элементом в зависимости от его положения;
3) определена зависимость коэффициента расхода регулятора от положения управляющего элемента для различных моделей рабочих тел и входных параметров (Т, р) для квазистационарного режима работы;
4) исследован нестационарный газодинамический процесс при поступательном перемещении регулирующего элемента. Выявлена динамика ударно-волновой структуры в сверхзвуковой части регулятора. Определена зависимость коэффициента расхода от времени.
© Шаклеин А. А., Бендерский Б. Я., 2010
