CC BY
36
УДК 621.51
А.А. Епифанов, В. И. Титенский
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ВЯЗКОГО ГАЗА В ПЛОСКИХ КОМПРЕССОРНЫХ РЕШЕТКАХ
Развитие вычислительной техники создает возможность проведения численного эксперимента как совокупности экспериментального и теоретического способов исследования течения. К достоинствам численного эксперимента относятся полнота получаемой информации, меньшая стоимость, высокая скорость получения результатов. Опыт показывает, что результаты численного эксперимента существенно зависят от методики их проведения: типа и количества элементов расчетной сетки, способа задания граничных условий, выбранной модели турбулентности. В связи с этим необходимо провести множество тестов, чтобы убедиться в том, что программы вычислительной гидродинамики способны предоставлять результаты, соответствующие действительному характеру течения [1].
Исследование [2] позволяет использовать его результаты при моделировании течения в ступенях центробежного компрессора. Ранее С.А. Галаевым была выполнена работа [3], в которой показывалась возможность использования пакетов вычислительной гидрогазодинамики применительно к турбинным решеткам с конфузорным характером течения. В предлагаемой статье рассмотрена возможность численного моделирования диффузор-ного течения в плоских компрессорных решетках с существенным влиянием вязкости. Авторы ставят в ней следующие задачи:
верификация результатов расчетов, выполняемая по данным модельных испытаний плоских компрессорных решеток в широком диапазоне режимов;
исследование методических вопросов постановки численного эксперимента;
оценка эффективности методов вычислительной гидрогазодинамики для анализа течения в плоских компрессорных решетках.
Выбор объекта исследования
Результаты численного моделирования сопоставлялись с экспериментальными данны-
ми, опубликованными в работе [4]. Объект исследования — плоская компрессорная решетка профилей 10А30/27.6П45. Маркировка исследуемого профиля указывает на основные геометрические параметры: относительная толщина — 10 %; исходный симметричный профиль — А-30; угол изгиба — 27,6°; средняя линия — парабола; абсцисса максимальной вогнутости — 45 % хорды. Геометрические параметры решетки профилей: густота решетки — 1,3; угол установки профилей — 62,6°; относительное удлинение профилей — 2,0.
Натурные испытания решетки проводились в аэродинамической трубе АТ-5 (рис. 1).
Установка состоит из воздухоподводящей магистрали 1, отбойника 2, сотового радиатора 3, решетки и сетки 4, сопла ресивера 5, сопла сопловой коробки 6, направляющей 8, приводов вертикального и горизонтального перемещения половин сопла 7, 9, отсоса пограничного слоя 10, 12, решетки профилей 11, оптического стекла 13, металлического зеркала 14 и дренажа лопатки 15.
Для проведения испытаний при различных величинах угла атаки исследуемая решетка профилей закреплялась во вращающейся обойме. Установка снабжена координатника-ми для измерения насадками полей параметров потока на входе в решетку и на выходе из нее. Для исследования решеток оптическим методом в одну из обойм вставлялось металлическое зеркало, на котором крепились лопатки. Зеркальный оптический прибор позволял фотографировать оптические картины течения по методу полос одновременно с измерением распределения давления по контуру центрального профиля и на стенке межлопаточного канала.
Измерение параметров потока (полного и статического давлений, температуры, углов) проводилось в контрольных сечениях на расстоянии полухорды от входной и выходной кромок лопатки.
Рис. 1. Схема аэродинамической трубы АТ-5
Методика подготовки объекта численного моделирования
Построение геометрической модели. Геометрическое построение объекта исследования производилось в модуле BladeGen методом Angle/Thickness (угол/толщина), при котором задаются изменение толщины по длине хорды и закрутка лопатки относительно оси вращения.
Построение расчетной сетки. Построенная модель межлопаточного канала экспортировалась в модуль для создания гексагональной расчетной сетки TurboGrid. Была сгенерирована расчетная сетка, состоящая из 300 000 эле-
ментов. Проекция трехмерной расчетной сетки на плоскость показана на рис. 2.
Рис. 2. Расчетная сетка объекта исследования
Задание граничных условий. В препроцессоре программы ANSYS CFX ставились граничные условия: на входе в расчетную область задавались значения давления и температуры торможения, на выходе из расчетной области — массовый расход.
При расчете течение описывалось уравнением Навье — Стокса, осредненным по числу Рейнольдса [5]. Для описания турбулентного течения была выбрана модель переноса сдвигового напряжения Shear Stress Transport (SST), предложенная Ф.Р. Ментором [6]. Эта модель турбулентности, объединившая в себе преимущества двухпараметрических моделей к-г и к-ю, хорошо зарекомендовала себя при численном моделировании течения в элементах турбомашин [7].
Анализ результатов расчета
В программном комплексе ANSYS был проведен расчет трехмерного дозвукового течения вязкого сжимаемого газа в плоской компрессорной решетке профилей при различных углах атаки (—8 ... +8о) при постоянном значении числа Маха, равном 0,4.
В постпроцессоре программы ANSYS CFX анализировались значения безразмерного расстояния от стенок до 1-го узла расчетной сетки Y+. Установлено: оно не превышает 10, что допустимо для расчета турбулентного течения вы-сокорейнольдсовым методом на модели SST [8].
С помощью инструментов постпроцессора программы Л^УВ анализировались поля скоростей при различных углах атаки г (рис. 3).
Картины течения, полученные с помощью программы Л^УВ СРХ, физически обоснованы. В представленных режимах течение носит благоприятный безотрывной характер и может быть описано с помощью модели «след — струя» [9]. Зона наибольших потерь — область, примыкающая к выпуклой поверхности лопатки, на которой за счет понижения касательных напряжений формируется низкоэнергетическая зона, называемая следом.
Качественная оценка скоростей проведена на основании сопоставления рассчитанных и полученных экспериментально диаграмм поверхностных скоростей по профилям (рис. 4).
Поверхностные скорости по профилям рассчитывались по значениям статических давления и температуры в предположении невязкого потенциального потока с помощью инструментов постпроцессора программы ЛМ8У8 СРХ. Рассчитанные поверхностные скорости качественно совпадают с экспериментальными (см. рис. 4), диаграммы носят схожий характер, однако общий уровень рассчитанных скоростей оказывается несколько завышенным по сравнению со скоростями, определенными экспериментально.
Авторами статьи [4] были получены оптические картины течения в межлопаточном канале, на основе которых рассчитывались
а)
Velocity
I—Г 220
200 - 180 - 160 - 140 120 100 80 60 40 20
О
[m s" 1]
Рис. 3. Поля скоростей при углах атаки ;, равных —2,5 (а), 0 (б) и 2,5 (в)
значения коэффициента скорости. С помощью инструментов постпроцессора программы ЛКБУЗ данный эксперимент проводился численно. На рис. 5 сопоставлены изменения коэффициента скорости, полученные экспериментально и в результате расчета по программе ЛТОУЗ СРХ.
В постпроцессоре программы ЛКБУЗ СРХ на каждом из режимов осреднялись параметры потока в контрольных сечениях (они расположены на расстоянии полухорды от входной и выходной кромок профиля) и рассчитывались аэродинамические характеристики решетки профилей. На рис. 6 рассчитанные характеристики решетки профилей сопоставлены с экспериментальными данными.
Зависимости коэффициента потерь от угла атаки, рассчитанные по экспериментальным данным и данным ANSYS CFX (high-Re), носят схожий характер, однако численно существенно отличаются друг от друга на всех режимах, включая расчетный. Рассчитанные и определенные экспериментально углы поворота потока и углы отставания потока неплохо соотносятся между собой, за исключением режимов больших положительных углов атаки (когда угол поворота потока по данным ANSYS CFX продолжает расти, в то время как экспериментальная кривая имеет характерный изгиб).
Завышенное значение коэффициента потерь обусловлено тем, что турбулентное течение в пограничном слое моделировалось
а) c / c1
1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
/ • * •
f> Чг—
V»
0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 b/ B
б) С / c1 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
Рис. 4. Диаграммы поверхностных скор
• Ex
5
б) c / c1 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
• ,
• л- •
-МЛ u-r ----у
в) С / c1 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
b / B
♦ •
1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 b/B
шх скоростей по профилям: при углах атаки —2,5 (а), 0 (б) и +2,5 (в) • Experiment; — ANSYS CFX
Рис. 5. Изменение коэффициента скорости, полученные экспериментально (б) и численно в программе Л^УВ СЕХ (а)
4 Угол
4 Угол
Угол
Рис. 6. Аэродинамические характеристики решетки профилей — эксперимент; о ANSYS CFX (high-Re); • ANSYS CFX (low-Re)
высокорейнольдсовым методом (The High-Reynolds-Number Method), который не моделирует всю структуру пограничного слоя, а использует эмпирические зависимости, описывающие течение вблизи стенки. Основное достоинство метода заключается в том, что расчет можно производить на относительно грубой и экономной с точки зрения вычислительных ресурсов и общего времени расчета сетке. С другой стороны, расчет течения высокорейнольдсовым методом, а следовательно, и рассчитанные характеристики являются приближенными.
Использование низкорейнольдсового метода (The Low-Reynolds-Number Method) позволяет детально рассчитать течение в пограничном слое. Для проведения расчета этим методом исходная расчетная сетка была перестроена: общее число элементов увеличилось с 300 000 до 1 000 000 (более чем в 3 раза); общее время расчета увеличилось с 12 ч до 60 (в 5 раз). Значение безразмерного расстояния от стенок до 1-го узла расчетной сетки Y+ стало менее 2,0.
В связи с длительностью расчета был рассчитан только один режим — при нулевом угле атаки. Расчетная точка (low-Re) приведена на характеристиках решетки профилей (см. рис. 6). Обращает на себя внимание снижение коэффициента потерь с 0,029 (high-Re) до 0,022 (low-Re) и его приближение к значению, полученному экспериментально (0,011).
Проведенные исследования показали, что ЛКБУЗ СРХ — эффективная программа для моделирования течения в плоской компрессорной решетке. Картины течения, полученные в результате расчета, совпадают с картинами, определенными оптическим методом на экспериментальном стенде. Обращает на себя внимание отклонение рассчитанных характеристик от полученных экспериментально. В дальнейшем планируется устранить эту проблему, рассчитывая течение только низкорейнольдсовым способом на расчетных сетках со значением У+ не более 1,0.
Получение коэффициентов потерь, сопоставимых с экспериментальными значениями, позволит провести численное исследование течения в плоских решетках при различных числах Маха и перейти к исследованию транс-и сверхзвукового течения. Заключительным этапом работы станет разработка методических рекомендаций, которыми необходимо пользоваться при постановке численного эксперимента в программе ЛКБУЗ СБХ применительно к плоским компрессорным решеткам и венцам осевого компрессора.
Авторы выражают благодарность коллективу учебно-научно-инновационного центра наукоемких компьютерных технологий и лично руководителю центра проф. А.И. Боровкову за помощь при проведении численного моделирования плоской компрессорной решетки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gallus, H.E. Recent Research Work on Tur-bomachinery Flow [Text] / H.E. Gallus; Yokohama International Gas Turbine Congress. — Yokohama, 1995.
2. Гамбургер, Д.М. Численное моделирование течения вязкого газа в центробежной компрессорной ступени: методика и результаты [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Д.М. Гамбургер. — СПб., 2009.
3. Галаев, С.А. Численное моделирование течения вязкого газа в решетках осевых турбо-машин: методика и результаты применения современных программных средств [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / С.А. Галаев. — СПб., 2006.
4. Бунимович, А.И. Аэродинамические характеристики плоских компрессорных решеток при большой дозвуковой скорости [Текст] / А.И. Бунимович, А.А. Святогоров // Лопаточные машины и струйные аппараты [сб. ста-
тей]. — Вып. 2. — М.: Машиностроение, 1967. — С. 5-35.
5. ANSYS Inc., ANSYS CFX 11.0 «Users Manual» [Text]. — 2007.
6. Menter, F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications [Text] / F.R. Menter // A1AA-Journal. 1994. — 32(8). — P. 1598-1605.
7. Галеркин, Ю.Б. Анализ течения в центробежных компрессорных ступенях методами вычислительной гидрогазодинамики [Текст] / Ю.Б. Галеркин, Д.М. Гамбургер, А.А. Епифанов; СПбГПУ. — Компрессорная техника и пневматика. — 2009. № 3.
8. Menter, F.R. CFX Technical Memorandum: CFX-VAL10/0602 [Text] / F.R. Menter. — 2002.
9. Турбокомпрессоры [Текст]: учеб. пособие / Ю.Б. Галеркин. — СПб.: Изд-во Поли-техн. ун-та, 2008.
УДК 53.06:09, 67.08
С. В. Анахов, Ю.А. Пыкин, А. В. Матушкин
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
Хранение и утилизация нефтесодержащих отходов (НСО) сегодня переросли в настоящую экологическую проблему и являются очень дорогостоящими. Такие отходы представляют собой многокомпонентные устойчивые физико-химические системы, в которых соотношение нефтепродуктов и воды колеблется в очень широких пределах: углеводороды составляют 5—90 %, вода — 1—52 %. Плотность их изменяется в пределах 870—1700 кг/м3. Большое число жидкофазных нефтесодержащих сред относятся ко второму классу наиболее опасных отходов (масла, эмульсии, нефтешламы), образующих при низкотемпературном воздействии продукты опаснейших классов — галоидиро-ванные диоксины и диоксиноподобные вещества. По этой причине существующие методы утилизации и обезвреживания НСО зачастую экономически и экологически неэффективны,
поскольку полное обезвреживание достигается лишь термической обработкой, требующей дополнительных мер по обеспечению безопасности производства и выбросов в окружающую среду.
В предлагаемой статье представлена эффективная, экономичная и позволяющая организовать безотходный процесс обезвреживания углеводородных соединений технология, суть которой заключается в газификации и деструкции в низкотемпературной плазменной струе органосодержащей эмульсии. Применение плазменных технологий их переработки обеспечивает температурные режимы, приводящие к необратимому разрушению галоидированных диоксинов, но требует оптимизации технологий по параметрам энергоэффективности и безопасности. Конечным продуктом такой технологии являются экологически безопасные газовые
