Автореферат (Физическое и математическое моделирование теплового излучения пространственного излучателя)

На правах рукописиЕвдокимов Илья ЕвгеньевичФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕМОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯПРОСТРАНСТВЕННОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯСпециальность 01.02.05 — Механика жидкости, газа и плазмыАвторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква — 2013Работа выполнена на кафедре «Прикладная физика» Московского авиационного института (национальный исследовательский университет).Научный руко- Николаенко Владимир Сергеевич, кандидат технических наводитель:ук, старший научный сотрудник, доцент кафедры «Прикладная физика» ФГБОУ ВПО Московского авиационного института (национального исследовательского университета)Официальныеоппоненты:Чувашев Сергей Николаевич, доктор физико-математическихнаук, профессор, профессор каф.

"Проектирование вычислительных комплексов"ФГБОУ ВПО «Московскогоавиационного технологического института - Российскогогосударственного технологического университета имениК.Э.Циолковского» (МАТИ)Стефановский Владислав Борисовичкандидат технических наук, начальник сектора 233 ФГУП«Государственного научно-исследовательского институтаавиационных систем» (государственного научного центраРоссийской Федерации)Ведущая орга- ОКБ им.

А. Люльки филиал ОАО УМПОнизация:Защита состоится2013 г. вчасов на заседании диссертационного совета Д 212.125.14 при Московском авиационном институте(национальном исследовательском университете), по адресу: 125993, Россия,г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета).Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 125993, Россия, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамскоешоссе, 4.Автореферат разослан2013 года.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат физико-математических наук2Гидаспов В.Ю.Общая характеристика работыАктуальность темы определяется необходимостью создания и совершенствования прикладной программы расчёта пространственного излучениясложных излучателей.

Такая программа должна использовать в своей работе универсальные форматы передачи геометрических данных, возможностипараллельных алгоритмов для распределённых вычислений и возможностьиспользования внешних расчётных данных для определения граничных условий моделей. Использование универсальных форматов передачи геометрических данных позволяет достигнуть абстрагирования от формы объекта прирасчёте распределения силы излучения в трёхмерной постановке и намечает перспективы развития алгоритма в сторону его усложнения: рассмотрения дополнительных источников теплового излучения (Солнца, поверхностиЗемли) и атмосферного рассеяния.

Реализация возможностей по импортированию внешних данных, например, из пакетов вычислительной газовой динамики или теплообмена, позволяет гибко расширять возможности программыи моделирования.Необходимость в разработке методик и программ расчёта излученияобъектов со сложной поверхностью существует в рамках прикладных исследований и опытно-конструкторских разработок, и во многом подчёркиваетсяналичием зарубежных программных средств, разработанных странами НАТО.

Работа этих программных средств обеспечивается суперкомпьютерами итакие комплексы могут не только моделировать перенос теплового излученияв атмосфере от различной техники и жилых домов, но и рассчитывать характеристики распространения электромагнитных волн в оптическом и радиодиапазонах, акустических волн с учётом рельефа и искусственных построек.Кроме создания программы для моделирования пространственных излучателей, важное место в работе занимает проверка разработанных алгоритмов и физическое моделирование выбранного для исследования пространственного излучателя.Целью работы является физическое и математическое моделированиепространственного распределения ИК излучения сложного излучателя. В качестве такого излучателя был выбран малогабаритный авиационный двигатель (АД) ТС-21.

Важным этапом данной работы является сравнение полученных экспериментальных значений с результатами расчёта по разработанным программам. При этом, в данной работе интересы смещены в пользу разработки методики экспериментальной работы, расчётно-теоретическиеметодики и результаты приводятся кратко. В ходе проведения экспериментов ставилась цель получения данных об излучении двигательной установки3с помощью спектрофотометра ИКС-29, и, дополнительно, тепловизора FLIRS60.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:1.

Создана и экспериментально проверена методика моделирования теплопереноса и теплообмена в случае обтекания излучателя горячим сжимаемым газом.2. Сформированы исходные данные для расчёта переноса лучистой энергиисогласно математической модели и условиям проведения эксперимента.3. Создан пакет программ для расчёта пространственного распределениятеплового излучения тел произвольной формы.4. Создана методика физического моделирования излучателя сложнойформы, получены экспериментальные значения интегральной силы излучения для проверки разработанных программ и моделей.5. Проведён анализ созданного программного средства в контексте решения задач в области лучистого теплообмена и авиационного двигателестроения.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Общий алгоритм постановки численного эксперимента по моделированию пространственного распределения теплового излучения тел сложной формы.2. Методика решения задачи расчёта пространственного распределения излучения тела сложной формы методом линейных уравнений.3. Методика численного эксперимента по расчёту температурного состояния поверхностей сложного излучателя с применением методов вычислительной газодинамики (ВГД, CFD).4. Методика проведения эксперимента с помощью тепловизора FLIR S60.5. Методика проведения эксперимента с помощью спектрофотометра ИКС29.Научная новизна:1.

Впервые проведено разностороннее исследование излучателя сложнойформы в стендовых условиях с точки зрения определения пространственного и спектрального распределения потоков излучения разнымиметодами: от тепловизионного до спектрометрического.2. Впервые реализована комплексная методика моделирования излученияпространственного излучателя: от моделирования теплообмена, до моделирования распределения теплового излучения в пространстве.

Используемые математические модели и методики постановки численного эксперимента подтверждались на каждом этапе разработки.43. Разработанная программа расчёта оригинальна и с помощью неё могутбыть рассчитаны практически любые системы излучающих поверхностей в рамках приближения Ламберта.Практическая значимость. В ходе экспериментального исследованиязаложен фундамент для последующего совершенствования расчётного комплекса. На основе экспериментальных данных получена модель оценки теплового состояния выходного устройства авиационного двигателя, котораяпозволяет также создавать новые расчётные модели сопел и выходныхустройств, с достаточной степенью достоверности тестировать различныеконструкции в рамках имеющегося стендового оборудования.

Полученные результаты, благодаря специфике исследования и объёму извлечённых научныхданных, создают основу для последующего применения расчётных методик кисследованию более крупных авиационных двигателей и минимизируют стоимость работ.Достоверность результатов работы достигается:∙ использованием фундаментальных положений газовой динамики;∙ использованием программных кодов, имеющих достаточную базу сравнения с экспериментальными данными, так называемой верификациейпрограммного пакета;∙ экспериментальной проверкой моделей на всех этапах расчёта;∙ согласованием расчётных данных с результатами натурного эксперимента.Апробация работы. Разработанная программа используется НПО "Сатурн"для проведения собственных расчётов ИК излучения выпускаемой продукции и проверки её на соответствие требованиям заказчика. Результатыработы докладывались на следующих конференциях:8-я Международная конференция по неравновесным процессам в соплах иструях (NPNJ’2010), Алушта, 2010.XIV Международный Конгресс двигателестроения,п.Рыбачье,Крым,2010 г.Конкурс "Двигатели XXI века"корпоративного университета ОПК ОБОРОНПРОМ, 2010 г.

Разработанные алгоритмы расчёта ИК-излучения применялись для расчёта проекта сопла перспективного двигателя.9-я Международная конференция «Авиация и космонавтика – 2010»,г..Москва.17-я Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам, Алушта, 2011.XV Международный Конгресс двигателестроения, п.

Рыбачье, Крым, 2011 г.10-я Международная конференция «Авиация и космонавтика – 2011», г.Москва.5V Всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов,Уфа, УМПО 2011 г.Конкурс "Вертолёты XXI века"корпоративного университета ОПК ОБОРОНПРОМ, 2011-2012 гг. Разработанные алгоритмы расчёта ИК-излученияприменялись для расчёта проекта "Управление инфракрасной сигнатуройЛА"в номинации "Новые авиационные материалы и технологии".XVI Международный Конгресс двигателестроения, п. Рыбачье, Крым, 2012г.11-я Международная конференция «Авиация и космонавтика – 2012»,г..Москва.10-ый Форум российского вертолётного общества, г.Москва, 2012.Конкурс "Вертолёты XXI века"корпоративного университета ОПК ОБОРОНПРОМ, 2012-2013 гг.

Разработанные алгоритмы расчёта ИК-излученияприменялись для расчёта экранно-выхлопного устройства двигателя вертолёта в номинации "Конструкторская разработка".Личный вклад. Автор принимал активное участие в создании математических моделей и разработке расчётных программ, проведении экспериментального исследования, лежащего в основе работы.Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей, среди которых: пять статей в журналах из утвержденного перечня ВАК России,три статьи, опубликованные в журнале из утверждённого перечня ВАК Украины и реферируемые в отечественной базе ВИНИТИ, две печатные работыопубликованы в сборнике материалов конференций. Выпущено две работыпо конкурсным проектам суммарным объёмом более 100 страниц.Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, трёх глав, заключения. Изложена на 138 страницах, содержит 74 рисунка, 16 таблиц исписок использованных источников, включающий 53 наименования.Содержание работыВо введении обосновывается актуальность исследований, проводимыхв рамках данной диссертационной работы, приводится обзор научной литературы по изучаемой проблеме, формулируется цель, ставятся задачи работы.Обосновывается научная новизна и практическая значимость представляемой работы.Первая глава посвящена описанию математической модели теплообмена. В главе приводятся краткие теоретические положения используемогометода расчёта, основанного на конечно-объёмной дискретизации уравненийНавье-Стокса, описывающих движущуюся сжимаемую среду и теплообмен6вблизи стенки излучателя.