Автореферат (Математическое моделирование процессов сложного теплообмена в экспериментальных энергетических установках)

На правах рукописиКудимов Никита ФедоровичМатематическое моделирование процессов сложного теплообмена вэкспериментальных энергетических установкахСпециальность 01.02.05«Механика жидкости, газа и плазмы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре «Физика» факультета «Прикладная математика ифизика» Федерального государственного бюджетного образовательногоучреждениявысшегопрофессиональногообразования«Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)»Научный руководитель:Кандидат физико-математических наук, доцент,Московский авиационный институт,профессор кафедры «Физика»Третьякова Ольга НиколаевнаОфициальные оппоненты:Корольков Анатолий Владимировичдоктор физико-математических наук, профессор,Московский государственный университет леса,зав.

кафедрой «Прикладная математика», деканфакультета электроники и системотехники.Иванов Игорь Эдуардовичкандидат физико-математических наук, с.н.с.,Московский государственный университетим. М.В. Ломоносова, доцент кафедры«Молекулярная физика»Ведущая организация:Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждениевысшегопрофессионального образования «МАТИ –Российский государственный технологическийуниверситет имени К.Э. Циолковского»Защита диссертации состоится « » ноября 2013 года в __ ч.

__ мин. назаседании Диссертационного совета Д 212.125.14 в Федеральномгосударственномбюджетномобразовательномучреждениивысшегопрофессионального образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» (МАИ) по адресу: 125993, г.Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ по адресу:125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д.4.Автореферат разослан «_____»_______________2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.14,кандидат физико-математических наукстарший научный сотрудникГидаспов В.Ю.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияНеобходимость отработки и создания современных изделий и установоктребует постоянного совершенствования экспериментальных и теоретическихисследований и подтверждения характеристик в части теплообмена игидрогазодинамики, обеспечивающих математическое и имитационноемоделирование процессов функционирования, максимально приближенных кнатурным условиям, и требуемый уровень надежности.Требования к обеспечению высокой надежности рассматриваемыхустановок, дороговизна и сложность воспроизведения экспериментов,моделирующих физические процессы, приводят к необходимости созданиеметодик математического моделирования физических процессов, протекающихв рассматриваемых установках.

В этой связи возрастает роль математическогомоделирования, которое способствует сокращению расходов на отработку.Методы математического моделирования, как наиболее экономичныйинструмент исследования процессов гидрогазодинамики и теплообмена, внастоящее время являются неотъемлемой частью при проектировании новых иоптимизации уже существующих изделий. В настоящее время проектированиеракеты, самолѐта, энергетических установок не обходится без численногомоделирования течения. Актуальность применения математических моделей,позволяющих получать надѐжные результаты, вытекает из требований, которыепредъявляет к численному моделированию современное проектирование.Применяемое прикладное программное обеспечение должно позволятьмоделировать трехмерную сложную геометрическую модель (стартовоесооружение с многочисленными элементами, силовые трансформаторы сприсущими им сложными конструкционными решениями), обеспечиватьвысокую точность предсказания гидрогазодинамических и тепловыххарактеристик и обозримое время расчѐта.В настоящий момент актуальной является задача обеспечениявзрывобезопасности силовых трансформаторов большой мощности, ведутсяисследования и разработки по оптимизации конструкций, позволяющихобеспечить нормальный режим длительной работы.

Однако изменения вконструкции,необходимыедляобеспечениявзрывобезопасноститрансформатора, могут приводить к ухудшению теплообмена в трансформаторев нормальном режиме.Другой важной задачей является обеспечение безаварийности стартаракет-носителей. В развитие теории и методов расчета газодинамикисверхзвуковых турбулентных струй большой вклад внести известные ученые:Абрамович Г.Н., Ашратов Э.А., Иванов А.В., Пирумов У.Г., Лунев В.В.,Гинзбург И.П., Крайко А.Н., Козлов В.Е., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю.,Секундов А.Н., Родионов А.В., Сафронов А.В., Иванов И.Э., Глушко Г.С.,Крюков И.А., Запрягаев В.И., Усков В.Н., Анцупов А.В., Молессон Г.В., SeinerJ.M., Spalding D.B., Donaldson C.D.

и др. Теплосиловые нагрузки привоздействии сверхзвуковых турбулентных струй двигательных установок ракет3носителей с многосопловой конфигурацией могут приводить к разрушениюэлементов конструкции стартового сооружения.Целью работы является создание методики математическогомоделирования процессов теплообмена в энергетических установках,применение которой обеспечивает нормальный безаварийный режим работыданных установок. Методика позволяет моделировать теплосиловое воздействиемногоблочных турбулентных сверхзвуковых струй двигательных установокракет-носителей на элементы стартового сооружения в процессе запуска, атакже тепловые процессы в силовых трансформаторах большой мощности дляобеспечения их длительной (многолетней) работы в нормальном режиме.Предметом исследования данной работы являются физические процессыгидрогазодинамики и теплообмена в различных энергетических установках.Метод исследованияРезультаты работы получены с помощью совместного использованияматематического моделирования и экспериментальных исследований, чтопозволяет обеспечить всесторонний анализ рассматриваемых задач.Математическая модель основывается на трехмерных осредненных поРейнольдсу уравнениях Навье-Стокса (RANS) с различными моделямитурбулентной вязкости, которые решались с помощью высокоэффективныхкомплексов программ, таких как FlowVision и ЛОГОС, позволяющих проводитьпараллельные вычисления на многопроцессорных суперкомпьютерах.1.2.3.4.5.Научная новизнаС помощью методов вычислительной гидродинамики проведеноматематическоемоделирование процессов теплообмена в силовыхтрансформаторах большой мощности.Предложенаконструкциясустановкойстатическойзащиты,обеспечивающей взрывобезопасность трансформаторов, и проведеноисследование влияния установленной статической защиты на процессытеплообмена.Создана методика расчета многоблочных турбулентных сверхзвуковыхструй на режимах, характерных для старта ракет-носителей.

В рамкахразработанной численной методики расчетным путем впервые полученаструктура течения многоблочных турбулентных сверхзвуковых струй.Создана методика расчета взаимодействия с преградой многоблочныхтурбулентных сверхзвуковых струй. Впервыерасчетным путемопределенысиловыевоздействиямногоблочных турбулентныхсверхзвуковых струй на преграду.Созданаметодикаэкспериментальногоисследованиясиловоговоздействия многоблочных и одноблочных сверхзвуковых турбулентныхструй на элементы стартового сооружения.

Впервые получены4экспериментальные данные воздействиятурбулентных сверхзвуковых струй.на преграду трехблочныхПрактическая значимость исследованияНа основании применения разработанной методики численногомоделирования получены достоверные результаты анализа процессовконвективного и кондуктивного теплообмена в силовых трансформаторахбольшой мощности IV и VII габаритов.На основании разработанной численной методики даны рекомендации пооптимизации конструкции трансформаторов в целях обеспечения ихвзрывобезопасности для стабильной, многолетней работы в нормальномрежиме.Полученные результаты расчета структуры течения многоблочныхтурбулентных сверхзвуковых струй использованы при проектированииновых, перспективных ракет-носителей.Полученные результаты расчета силовых воздействий на преградумногоблочных турбулентных сверхзвуковых струй применены припроектировании ракет-носителей с многоблочной конфигурацией сопел истартовых комплексов, что дало возможность снизить объемэкспериментальной отработке.Полученные авторские экспериментальные данные были применены длясопоставления с результатами расчетов по разработанной численнойметодике и могут быть использованы для валидации программ расчетагазодинамического воздействия многоблочной сверхзвуковой струи нагазоотводящие устройства стартовых сооружений.Личный вкладАвтором разработаны численные методики и проведены серии численныхрасчетов теплообмена в силовых трансформаторах различных габаритов, а такжерасчеты сверхзвуковых струйных течений, включая расчеты взаимодействияструй с преградами.