Кваша Юрій Олександрович. Математичне моделювання гідрогазодинамічних процесів у лопаткових машинах : Дис... д-ра наук: 01.02.05 - 2007.
Анотація до роботи:
Кваша Ю.О. Математичне моделювання гідрогазодинамічних процесів у лопаткових машинах. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.02.05 – механіка рідини, газу та плазми. – Інститут гідромеханіки НАН України, Київ, 2006.
Дисертація присвячена розробці нових методів чисельного аналізу робочих процесів у високообертових лопатевих насосах рідинних ракетних двигунів і в компресорних ступенях авіаційних газотурбінних двигунів. Розроблено методи розв’язання ряду плоских задач кавітаційного обтікання ідеальною рідиною лопатей відцентрових насосів, осьових шнекових переднасосів постійного й змінного кроку в стаціонарній і нестаціонарній постановці. Запропоновано оригінальні методики чисельного розв’язання задач про вісесиметричну течію ідеальної рідини та про просторову течію в’язкої рідини в осьових шнекових переднасосах. Розроблено науково-методичне забезпечення для чисельного моделювання тривимірних турбулентних течій рідини й газу в лопаткових машинах на основі повних осереднених рівнянь Нав’є-Стокса й двопараметричної моделі турбулентності. На численних прикладах показано, що дане забезпечення дозволяє із прийнятною для практики точністю прогнозувати енергетичні характеристики лопаткових машин.
В дисертації на основі розроблених чисельно-аналітичних підходів і методів чисельного моделювання досліджено основні гідрогазодинамічні процеси в лопаткових машинах: кавітаційне обтікання лопатей осьових і відцентрових насосів; просторові течії в’язкої рідини в осьових і відцентрових лопатевих насосах на безкавітаційних режимах роботи; просторові до- і трансзвукові турбулентні течії газу в міжлопаткових каналах осьових і відцентрових компресорних ступенів. Для кожного з розглянутих питань отримано нові результати, що у сукупності дозволяють вирішити актуальну науково-технічну проблему забезпечення науково-методичної бази для створення сучасних лопаткових машин з високими енергетичними характеристиками.
1. Запропоновано новий метод розв’язання плоских задач стаціонарного кавітаційного обтікання решіток профілів ідеальною рідиною в нелінійній постановці, на основі якого задачі кавітаційного обтікання решітки пластин і решітки криволінійних профілів кінцевої товщини, а також кругової решітки профілів уперше зведені до задачі Коші для системи звичайних диференціальних рівнянь. Параметри течії в кінці каверни визначаються при цьому в процесі розв’язання задачі Коші, що відрізняє запропонований підхід від класичного методу комплексного потенціалу, який вимагає попереднього завдання деякої схеми замикання каверни.
2. Запропоновано новий метод розв’язання плоских задач несталого кавітаційного обтікання решіток профілів ідеальною рідиною без попереднього вибору схеми замикання каверни на поверхні профілю, що є узагальненням розробленого підходу до розв’язання стаціонарних задач. На основі даного методу отримано систему нелінійних диференціальних рівнянь з двома незалежними змінними (координата в напрямі міжлопатевого каналу і час), що апроксимує точні рівняння плоского нестаціонарного кавітаційного обтікання решітки пластин ідеальною рідиною. Уперше показано, що розв’язання задачі несталого кавітаційного обтікання решітки може бути зведено до задачі Коші для системи звичайних диференціальних рівнянь відносно зображень за Лапласом малих відхилень параметрів кавітаційної течії. Розрахунковим шляхом встановлено, що вплив розподіленості параметрів на динамічні характеристики каверни, який зв’язаний з фазовими загаюваннями із-за скінченної швидкості передачі збурень вздовж контуру каверни, виявляється на частотах порядку сотень герців.
3. На основі розробленого підходу до визначення передавальної матриці решітки як системи з розподіленими вздовж пластини параметрами, дістали подальший розвиток теоретичні дослідження стійкості часткового кавітаційного обтікання решітки пластин у рамках моделі ідеальної рідини. При зазначеному підході, на відміну від відомих методів розв’язання лінійної нестаціонарної задачі кавітаційного обтікання решітки пластин, не використовувалося припущення, що спрощує задачу, про малість величин кута атаки набігаючого на решітку потоку й компоненти швидкості рідини в напрямі нормалі до пластини решітки. Розрахунковим шляхом показано, що кавітаційна течія в решітці пластин на режимах часткової кавітації втрачає стійкість при зменшенні до деякого рівня значень числа кавітації і (або) коефіціента режиму. Частоти коливань на границі області стійкості течії можуть досягати декількох тисяч герців.
4. Уперше виконано чисельне моделювання плоского нестаціонарного кавітаційного обтікання решітки пластин на основі рівнянь Нав’є-Стокса і баротропного рівняння стану парорідинної суміші. В результаті розрахунків виявлено двоє суттєво різних режимів течії. Перший реалізується при невеликих кутах атаки і помірних числах кавітації і характеризується практично незмінними за часом параметрами течії. Другий режим обтікання решітки виникає при збільшенні кута атаки потоку на вході в решітку і зменшенні числа кавітації. Цей режим супроводжується періодичними пульсаціями розмірів профільної каверни та параметрів потоку на виході з решітки, що свідчить про внутрішню нестійкість кавітаційного утворення та відповідає сучасним уявленням про характер профільної кавітації.
5. Дістали подальший розвиток теоретичні дослідження структури течій у проточній частині лопатевих насосів, що працюють на безкавітаційних режимах. На базі розробленої математичної моделі вісесиметричної течії ідеальної рідини в осьових шнекових переднасосах відтворено рециркуляційну зону в міжлопатевих каналах поблизу втулки переднасосів,. що узгоджується з наявними експериментальними даними. Розроблено методику чисельного моделювання просторового в’язкого потоку в шнекових переднасосах на базі повних стаціонарних рівнянь Нав’є-Стокса, в результаті аналізу розрахункових полів течії уточнено існуючі уявлення про причини утворення зворотних течій на вході в осьовий шнековий переднасос.
6. Розроблено науково-методичне забезпечення для розрахунку параметрів просторових турбулентних течій рідини в осьових і відцентрових насосах рідинних ракетних двигунів і трансзвукових потоків повітря в компресорних ступенях авіаційних газотурбінних двигунів, яке засновано на єдиному підході до чисельного моделювання течій рідини й газу в лопаткових машинах з використанням повних осереднених рівнянь Нав’є-Стокса й моделі турбулентності.
7. На базі розробленого науково-методичного і програмного забезпечення проведено розрахункові дослідження просторових турбулентних течій рідини і газу в таких лопаткових машинах і криволінійних каналах: у відцентровому насосі рідинного ракетного двигуна; в осьовому шнековому переднасосі на безкавітаційному режимі роботи; у нерухомій компресорній решітці; в робочому колесі трансзвукового осьового компресорного ступеня авіаційного ГТД; у робочих колесах двох надзвукових вентиляторних ступенів авіаційних ГТД; у високонавантаженому відцентровому колесі компресора; у вхідному направляючому апараті і робочому колесі відцентрового ступеня компресора сучасного авіаційного ГТД; у двох повітрозабірниках різної геометрії, що призначені для авіаційного турбогвинтового двигуна. Для кожного з розглянутих випадків проведено зіставлення результатів розрахунків з наявними експериментальними даними і показано, що розроблене науково-методичне і програмне забезпечення для чисельного моделювання просторових турбулентних течій рідини і газу в лопаткових машинах дозволяє розрахунковим шляхом досліджувати складну картину течії в лопаткових вінцях і з прийнятною для практики точністю прогнозувати енергетичні характеристики лопаткових машин.
8. Достовірність отриманих в дисертації результатів забезпечується: застосуванням законів збереження в інтегральній формі при описі течії в кавітуючих лопатевих насосах; використанням повних рівнянь Нав’є-Стокса при чисельному моделюванні просторових течій рідини і газу в лопаткових машинах; погодженням отриманих теоретичних результатів з експериментальними даними та з результатами розрахунків інших авторів.
9. Розроблені математичні моделі і комп’ютерні програми можуть бути використані для прогнозування енергетичних характеристик лопатевих машин і динамічних характеристик кавітуючих лопатевих насосів. Науково-методичне і програмне забезпечення для чисельного моделювання просторових турбулентних течій газу в компресорних ступенях авіаційних ГТД впроваджено в ДП ЗМКБ “Прогрес” (м. Запоріжжя) і використовується при проектуванні осьових і відцентрових компресорних ступенів.
Публікації автора:
Кваша Ю.А. Решение задачи частичного кавитационного обтекания лопастей осевого шнекового преднасоса постоянного шага на основе законов сохранения // Гидрогазодинамика и процессы тепломассообмена. – К.: Наук. думка, 1986. – С. 23–29.
Кваша Ю.А. Решение задачи кавитационного обтекания решетки криволинейных профилей на основе законов сохранения // Задачи динамики многомерных механических систем. – К.: Наук. думка, 1986. – С. 115–119.
Кваша Ю.А. Кавитационное обтекание лопастей рабочего колеса центробежного насоса // Космич. наука и техника. – К.: Наук. думка, 1987. – Вып. 2. – С. 39–43.
Пилипенко В.В., Кваша Ю.А. Кавитационное обтекание решетки пластин // Изв. АН СССР. Энергетика и трансп. – 1991. – №3. – С. 139–143.
Пилипенко В.В., Кваша Ю.А., Фоменко П.В. Частотные характеристики шнекоцентробежного насоса в режиме частичной кавитации // Изв. АН СССР. Энергетика и трансп. – 1991. – №5. – С. 135–141.
Кваша Ю.А. Численное моделирование кавитационного обтекания решетки пластин вязкой жидкостью // Динамика гидромеханических систем летательных аппаратов. – К.: Наук. думка, 1992. – С. 99–104.
Кваша Ю.А. Численное решение задачи определения параметров осесимметричного потока в осевых шнековых преднасосах // Гидрогазодинамика и тепломассообмен летательных аппаратов. – К.: Наук. думка, 1988. – С. 3–7.
Кваша Ю.А., Момот В.Е. Расчет трехмерного вязкого потока в осевых шнековых преднасосах // Изв. АН СССР. Энергетика и трансп. – 1990. – №6. – С. 115–121.
Кваша Ю.А., Момот В.Е. Численное моделирование трехмерного вязкого течения в осевых шнековых преднасосах на режимах с обратными токами // Динамика гидросистем энергетических установок летательных аппаратов. – К.: Наук. думка, 1991. – С. 97–104.
Кваша Ю.А., Момот В.Е. Особенности представления вязкости при численном моделировании пространственного течения в осевых шнековых преднасосах // Изв. высших учебных заведений. Энергетика. – 1991. – №10. – С. 96–99.
Кваша Ю.А., Момот В.Е. О причинах возникновения и структуре обратных токов на входе в осевой шнековый преднасос // Изв. высших учебных заведений. Машиностроение. – 1991. – №1– 3. – С. 25–28.
Kvasha Yu.A., Momot V.E. Navier-Stokes Based Numerical Simulation of a Continious Medium Flow Using Contravariant Velocity Components as a Primary Variables // Доп. НАН України. – 1995. – №6. – С. 53–56.
Кваша Ю.А. Расчет трехмерного вязкого потока в центробежных насосах // Техническая механика. – 1997. – №5. – С. 10–13.
Pilipenko V.V., Pismenny V.I., Kvasha Yu.A. Numerical Simulation of Three-Dimensional Viscous Flow in Aerodynamic Designing of Compressor Stages // Proc. XIV Int. Symp. on Airbreathing Engines. – Florence (Italy), 1999. – 5 p.
Кваша Ю.А. Численное моделирование пространственного турбулентного потока в межлопаточных каналах компрессорных ступеней // Прогресс – Технология – Качество: Тр. 2-го конгресса двигателестроителей Украины с иностр. участием. – Харьков: Ин-т машин и систем, 1997. – С. 161–164.
Кваша Ю.А., Момот В.Е. Развитие подходов к численному моделированию пространственного обтекания лопастных систем // Тез. докл. Всес. научно-техн. конф. “Проблемы динамики пневмогидравлических и топливных систем летательных аппаратов”. – КуАИ, г. Куйбышев. – 1990. – С. 41–42.
Кваша Ю.А. Анализ результатов численного моделирования нестационарного кавитационного обтекания решетки пластин // Тез. докл. Всес. сем. по динамике простр. и неравновесн. течений жидк. и газа. – КБМ, г. Миасс Челябинской обл. – 1991. – С. 86–88.
Kvasha Yu.A., Momot V.E. Numerical Simulation of 2D Unsteady Cavitation Flow // Proc. Second Russian-Sino Symp. on Astronautics and Technique. – Samara (Russia), 1992. – P. 35.
