CC BY
34
IMPROVING THE DESIGN OF THE THROTTLE FLOWMETER FOR THE DIAGNOSIS OF HYDROELECTRIC UNITS OF TRANSPORT AND TECHNOLOGICAL MACHINES
A.N. Cheboksarov
The article is devoted to improving the design of the choke the fuel used for the diagnosis of hydroelectric units transport and process-ing machines. The design improvement will allow to increase the accuracy and reliability of diagnosis due to improvements in the design of the mechanical unit of the throttle of the Venturi and the introduction of the instrument electronic unit registration parameters.
Key words: transport, diagnostics, hydraulic, throttle flow meter accuracy.
Cheboksarov Aleksey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, chan23@inbox. ru, Russia, Omsk, Siberian State Automobile and Highway Academy
УДК 533.605
НЕКОТОРЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПОДВИЖНЫХ ГРАНИЦ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
В.М. Грязев, Н.В. Могильников
Рассматриваются особенности моделирования газодинамического течения при наличии подвижных тел в счетной зоне и возможности использования разработанного вычислительного модуля для решения различных прикладных задач.
Ключевые слова: математическое моделирование, метод крупных частиц, нестационарные газодинамические процессы.
В настоящее время для анализа функционирования различных технических устройств в условиях взаимодействия с газодинамическими течениями различной природы широко используется численное имитационное моделирование газодинамических процессов. В первую очередь, это относится к процессам, требующим решения многомерных, пространственно нестационарных задач.
Реализация имитационного моделирования требует выбора математической модели процесса и ее вычислительной реализации с использованием соответствующих численных методов. При разработке большинства программных продуктов, предназначенных для решения различных задач механики сплошной среды, стремятся, в первую очередь, к обеспечению максимальной их универсальности. Подобные программные разработки, как правило, являются результатом работы большого коллектива
102
программистов, их модернизация и расширение возможностей требуют значительных материальных и временных затрат. В качестве примера можно привести широко известный пакет ANSYS, который обеспечивает решение весьма сложных задач механики деформируемого твердого тела, газовой динамики, акустики [1] и т.д.
Наряду с очевидными положительными моментами универсальность пакета имеет и определенные недостатки, связанные с требованием достаточно высокой квалификации пользователей, необходимостью оценки приемлемости выбранной математической модели для описания соответствующего физического процесса, значительных вычислительных ресурсов ЭВМ. Не последнюю роль, ограничивающую использование пакета ANSYS, играет и высокая стоимость приобретения лицензионной версии.
Все это приводит к тому, что в настоящее время большинство программных разработок, используемых в проектных организациях, ориентированы на решение определенной группы задач, связанных с функционированием соответствующих технических устройств. Ограничение области применения позволяет обоснованно выбрать вид математической модели, соответствующий анализируемому процессу, значительно упростить ее программную реализацию, выбрав соответствующий метод решения. Подобные программные разработки при наличии открытого программного кода, легко модернизируются, что позволяет расширить круг решаемых задач. В большинстве своем подобные программные разработки создаются вначале как вспомогательный инструмент, обеспечивающий решение задач параметрической оптимизации конструктивных элементов разрабатываемых технических устройств. В их создании принимает участие один или несколько авторов, которые впоследствии обеспечивают необходимые модернизацию и расширение возможностей программного продукта. В качестве примера подобных программных разработок можно привести пакет Gas Dynamics Tool, сокращенно GDT (автор А.В. Зибаров), который разрабатывался вначале как программный продукт, реализующий расчет нестационарных многомерных течений многокомпонентного газа на базе уравнений Эйлера [2], а затем его возможности были существенно расширены [3]. Несомненными заслугами автора данной разработки являются ориентация на широкое ее использование на персональных компьютерах и использование мультимедийных возможностей последних для иллюстрации динамики развития газодинамического процесса.
В качестве метода численного интегрирования нелинейных систем уравнений механики сплошной среды в пакете GDT использован метод крупных частиц [4], в основе которого лежит расщепление исходной системы уравнений на каждом временном шаге на более элементарные физические процессы. Основным достоинством данного метода является фи-зичность вычислительного процесса, связанная, по существу, с моделиро-
ванием законов сохранения, записанных для конечных элементов - ячеек Эйлеровой сетки. В свою очередь, это позволяет осуществлять различные модификации метода, относящиеся к возможности учета отдельных особенностей моделируемого газодинамического процесса, таких, как использование произвольной расчетной сетки, дробных ячеек и т.д.
Достаточно обширной группой газодинамических задач, реализуемых в режиме имитационного моделирования, является группа задач на базе решения уравнений Эйлера. Подобные решения можно оценивать как первое приближение к более детальному исследованию конкретного газодинамического процесса. К подобным задачам относятся разнообразные задачи, связанные с расчетом распространения ударных волн в закрытом помещении, в дульном глушителе, расчеты задач обтекания тел сложной конфигурации, газодинамики старта и т.п. Решение указанных задач возможно с использованием пакета ОБТ, что хорошо проиллюстрировано в работе [3].
Одной из распространенных инженерных задач относится задача расчета газодинамического течения при наличии в счетной зоне подвижного тела. К подобной задаче относятся метания тел, движение в газовой среде нескольких тел с разными скоростями, разделение ступеней летательного аппарата в атмосфере и т.д. Простейшим примером подобной задачи является задача о движении поршня в цилиндрической направляющей, относящаяся к рабочим процессам поршневых компрессоров, двигателей внутреннего сгорания и т.п. Традиционный прием, используемый в аэродинамических расчетах, заключающийся в использовании обращенного движения (неподвижное тело, подвижный газ) здесь неприменим, поскольку имеются несколько тел с различными скоростями движения. Для решения подобной задачи можно использовать несколько подходов:
- экстраполяцию газодинамических параметров в ячейки, освободившиеся в процессе перемещения границ твердых тел [3,5];
- использование локальных подвижных сеток [6];
- метод деформируемых дробных ячеек [7].
Наиболее точным является метод локальных подвижных сеток, однако его использование требует достаточно громоздких процедур построения локальных сеток и определение газодинамических параметров в них. Обычно такой подход используется при расчете некоторых типовых элементов машин и не применяется в универсальных программных модулях.
Чаще всего для решения рассматриваемой задачи применяется метод экстраполяции газодинамических параметров в освободившиеся в процессе движения тела ячейки счетной зоны. Однако такой подход дает очень сильные осцилляции газодинамических параметров на поверхности тела и не приемлем для задач, связанных с определением силового воздействия на тело газодинамического течения. По мнению авторов, более приемлем метод, предложенный в работе [7], предполагающий проводить рас-
чет газодинамических параметров в счетной зоне по схеме деформируемых дробных ячеек. Подобный метод применим, в первую очередь, для простейших перемещений относительно одной координатной оси.
Поясним сказанное на примере решения модельной задачи о движении поршня в цилиндре компрессора. На рис. 1 приведены поля распределения давления воздуха в цилиндре при сжатии его поршнем, перемещающимся со скоростью 30 м/с. Из рис. 1 видно, что достаточно хорошо просматривается волновой характер процесса сжатия. Необходимо отметить, что волновая картина течения (распределение давления) практически одинакова для вариантов расчета с экстраполяцией газодинамических параметров и при использовании схемы деформируемых дробных ячеек.
Иная картина наблюдается при расчете силового воздействия на поршень (рис. 2). Как видно из рис. 2, использование варианта с экстраполяцией газодинамических параметров приводит к сильной осцилляции решения (с амплитудой до 30 %), что не позволяет использовать данный подход при определении силового воздействия газодинамического течения на подвижный объект. В то же время для схемы с деформируемыми дробными ячейками результат оказался вполне удовлетворительным, незначительные осцилляции решения наблюдаются только в зоне воздействия фронта волны сжатия.
0.08 МПа 0.8 МПа
Рис. 1. Распределение давления воздуха в цилиндре при сжатии
его подвижным поршнем
С использованием предложенной схемы был разработан вычислительный программный модуль, реализующий газодинамические расчеты на базе решения уравнений Эйлера методом крупных частиц, предназначенный для расчета процессов, характеризующихся перемещениями тела в
105
счетной зоне. Помимо рассмотренной задачи о перемещении поршня, к подобным процессам можно отнести процессы, связанные с движением летательного аппарата (ЛА) в зоне нестационарного течения при выходе за срез пусковой установки [8,9], отделение ступени носителя от ЛА, определение силового воздействия на близлетящие объекты (рис. 3), метание тел продуктами взрыва и т.д.
Рис. 2. Расчетное изменение усилия на поршне: а - расчет с экстраполяцией газодинамических параметров; б - расчет по схеме деформируемых дробных ячеек
26 МС
Рис. 3. Поля давления для процессов: а - отделение ступени носителя ЛА; б - силовое воздействие ударной волны на близлетящий объект
Кроме этого, программный модуль позволяет проводить традиционные расчеты для задач с неподвижными границами твердых тел, в которых требуется учет волнового характера процесса: движение топливовоз-душной смеси в тракте питания двигателя внутреннего сгорания, взаимодействие струйных течений (рис. 4), распространение ударных волн в помещении в результате взрыва при террористических атаках, распределение концентрации вредных веществ при промышленных авариях, а также для задач, связанных с расчетом аэродинамических параметров плохообте-каемых тел и т.п.
Рис. 4. Поля давления для процессов: а - вдув топливовоздушной смеси в цилиндр через клапан; б - взаимодействие двух струйных течений
с жесткой поверхностью
Для реализации решения вычислительных задач, связанных с расчетом движения тел в газовых потоках сложной структуры, был разработан программный комплекс ОБМВ. Основным элементом программного комплекса является разработанный программный модуль, реализующий газодинамические расчеты при наличии перемещения тел в счетной зоне. Для решения задач, связанных с динамикой старта, данный программный модуль был дополнен блоками вычисления газодинамических параметров на границе вдува газа, переменных во времени, и начальных условий движения твердого тела, а также блоками расчета полной системы сил и моментов и параметров его пространственного движения с использованием результатов расчета нестационарной газодинамической задачи.
Основным допущением, принятым при разработке дополнительных программных модулей, было допущение о малости угловых перемещений тела в счетной зоне, что позволило использовать результаты расчета газодинамического течения в двумерном осесимметричном варианте.
Разработанный программный комплекс значительно расширяет круг прикладных задач, связанных с моделированием движения тел в газовых потоках сложной структуры.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант РФФИ №16-41-710663).
Список литературы
1. Грязев В.М. Моделирование шума реактивных струй на основе уравнений ЯА^ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 2. С. 311 - 321.
2. Зибаров А.В., Могильников Н.В. Моделирование нестационарных газодинамических процессов в многокомпонентной системе газов // Известия ТулГУ. Сер. Математика. Механика. Информатика. 1997. Вып.1. Т3. С. 106 - 111.
3. Зибаров А.В. Пакет прикладных программ Gas Dynamics Tool и его применение в задачах численного моделирования газодинамических процессов: автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук. М., 2000. 38 с.
4. Белоцерковский С.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. 390 с.
5. Дунаев В.А., Никитин В.А., Конюхова Л.А. Расчет параметров газового потока при наличии подвижных объектов в счетном поле // Известия Тульского государственного университета. Проблемы специального машиностроения. 2003. Вып. 5. Ч. 1. С. 191 - 194.
6. Беляков В.Д., Савченко Г.А., Шелымагин А.Г. Численное моделирование движения летательных аппаратов в газовых потоках // Известия Тульского государственного университета. Проблемы специального машиностроения. 2001. Вып. 4. Ч. 1. С. 163 - 170.
7. Грязев В.М., Могильников Н.В. Модификация метода крупных частиц применительно к расчету течений с подвижными границами твердых тел // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 1. С. 258 - 264.
8. Грязев В.М. Расчет параметров движения твердого тела в зоне нестационарного осесимметричного течения сложной структуры // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 13. Ч. 2. 2016. С. 85 - 90.
Грязев Василий Михайлович, асп., mognikv@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Могильников Николай Викторович, д-р техн. наук, проф., mognikvamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SOME APPLICATIONS OF THE TASK OF CALCULATION OF THE GASDYNAMIC
CURRENT IN CONDITIONS MOBILE BOUNDARIES OF SOLID BODIES
V.M. Gryazev, N. V. Mogilnikov
Features of simulation of a gasdynamic current in the presence of mobile bodies in a calculating zone and a possibility of use of the developed computing module for the decision of different application-oriented tasks are considered.
Key words: mathematical simulation, method of large particles nonstationary gasdy-namic processes.
Gryasev Vasiliy Mikhailovich, postgraduate, mognikv@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Mogilnikov Nikolay Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, mog-nikv@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
