Автореферат (Прогнозирование и управление кавитационными характеристиками бустерных оседиагональных насосов кислородно-керосиновых ЖРД с использованием численного моделирования), страница 2

Представленные данные по различным зазорам вшнековых насосах показывают, что не на всех режимах по расходуминимальный зазор позволяет получить минимальные значениякавитационного запаса по второму критическому режиму кавитации, иоднозначных зависимостей для определения оптимального зазора, с точкизрения антикавитационных качеств насоса, нет.Нет зависимостей по влиянию шероховатости на кавитационныехарактеристики.

Не существует расчетных зависимостей по влияниюбандажа на кавитационные характеристики шнековых и оседиагональныхнасосов.Для учета всех конструктивных факторов и получения полнойкавитационной характеристики БТНА с оседиагональным колесом на стадиипроектирования необходимо использовать численное моделирование.Во второй главе представлены методы и подходы к моделированиюкавитации и кавитационных характеристик в современных программныхкомплексах.В данное время в коммерческих CFD пакетах реализовано порядка 8моделей кавитации, основанных на модели кавитации Релея-Плессета.Наибольшее количество моделей кавитации реализовано в программномпакете ANSYS Fluent.В крупных программных коммерческих пакетах, таких как ANSYSCFX и Star CCM+ используются те же модели кавитации, что и в ANSYSFluent, но немного модифицированные.В третьей главе описана методика моделирования кавитационныххарактеристик при помощи программного комплекса ANSYS CFX, данырекомендации по сеточным моделям.Методика моделирования кавитационных характеристик основывается наквазистационарных расчетах с постепенным уменьшением входногодавления.

Для первых расчетов принимается такое входное давление, накотором каверна отсутствует или не развита, при этом первый расчетпроводится на чистой жидкости без учета кавитации, так как если этого несделать, то получить установившееся решение не всегда возможно. Приполучении устойчивого решения без учета кавитации, в расчет добавляетсяпаровая фаза и учёт уравнения Релея-Плессета.

За начальные условия расчетавсегда принимается предыдущая расчетная точка или предыдущиерезультаты расчета на других сеточных моделях, близкие по входномудавлению к вновь рассчитываемому. Это нужно для получения устойчивогорешения и более быстрой сходимости результатов расчета. Уменьшатьвходное давление необходимо с определенной аккуратностью, так как еслиснизить его очень сильно, то решение может разойтись, а программа выдатьошибку.

В основном это происходит когда каверна заходит вглубьмежлопаточного канала, и её рост очень велик по сравнению с предыдущимирезультатами расчета. Если такая ситуация имеет место, нужно увеличитьвходное давление. Таким образом, постепенно понижая входное давлениевплоть до третьего критического режима включительно, с помощьюпрограммы ANSYS CFX можно получить кавитационные характеристикинасоса.Во время расчета, по мере снижения входного давления, увеличениякаверны и приближения к точке срыва напора, расчеты занимают большевремени для получения установившихся стационарных результатов.На рисунке 1 представлено изображение исследуемых областейоседиагонального колеса и спрямляющего аппарата.Для уменьшения расчетной области исследуемой материальной части врасчетную модель вошли один проточный канал оседиагонального колеса изтрёх и один проточный канала спрямляющего аппарата из одиннадцати(рисунок 1).

Также в расчетную модель добавлена область на входе, чтоможно увидеть на рисунке 1 по втулке перед входной кромкой колеса, и навыходе (на рисунке не показано).21Рисунок 1. Расчетная область. Лопасть оседиагонального колеса (1) илопасть спрямляющего аппарата (2).Для изучения влияния сеточных моделей построено три разныхсеточных модели, полученных при помощи трёх разных подпрограммвходящих в программный комплекс ANSYS. Две сеточные модели былигексаэдральные и построены при помощи ANSYS Turbogrid (1 830000элементов) и ICEM CFD (847000 элементов), а третья модель –тетраэдральная и построена при помощи ANSYS Mesher (3 000000элементов). Все модели построены с погранслоем у стенки не менее 10элементов. Пограничный слой строился из условия 15<y+<50 на всехповерхностях, где y+ это безразмерное расстояние от первого узла до стенки.При моделировании зазоров между колесом и стенкой корпуса минимальноеколичество элементов в зазоре составляло 30 – 35.

Сеточные моделипредставлены на рисунке_2.а)в)б)Рисунок 2. Сеточные модели построены в программе:а) ICEM CFD; б) ANSYS Turbogrid; в) ANSYS MesherH/n2•10-6, м•мин2/об2Сеточная модель, построенная при помощи программы Turbogrid, имеетнаименьшую величину погрешности при расчётах кавитационныххарактеристик от 5% до 38% по второму критическому кавитационномурежиму в зависимости от испытанного экземпляра БТНА. Для ICEM CFD этицифры немного выше от 6 до 39%, тогда как для ANSYS Mesher величинапогрешности самая большая и составляет от 15 до 51%.

Таким образом,самым оптимальным вариантом является использование программыTurbogrid и гексаэдральной сеточной модели.Полученные величины погрешности являются хорошим результатом,однако сравнение характеристик проводилось для модели с острой кромкой,тогда как в реальной конструкции она круглая. При моделировании круглойкромки с переменной толщиной, величина погрешности уменьшается до 9÷+18%, что является хорошим согласованием результатов расчета иэкспериментальных данных, полученных при модельных испытаниях настенде НПО Энергомаш. Кавитационные характеристики с круглой кромкойпредставлены на рисунке 3. Для сравнения на графике представлены точкисрыва по второму критическому кавитационному режиму и кавитационнаяхарактеристика одного из экземпляров БТНА, полученные на модельныхиспытаниях в НПО Энергомаш.2,82,72,62,52,42,32,22,120,15Точки срыва(испытания)ANSYS CFX круглаякромкаИспытание0,20,250,30,352-622∆h/n •10 , м•мин /об0,4Рисунок 3. Расчетные и экспериментальные кавитационныехарактеристики насоса с круглой входной кромкойИз представленных кавитационных характеристик на рисунке 3 видно,что несмотря на некоторое различие по величине напора, по первому ивторому критическому кавитационному режиму характеристики совпадают.В четвертой главе представлены основные результаты моделированияобъекта исследования с учетом различных геометрических параметров.Проведен анализ и сравнение результатов моделирования с результатамидругих авторов.Моделирование кавитационных характеристик БТНА без учетазазора между корпусом и лопатками колесаПри моделировании БТНА без учета зазора, рассматриваетсяпростейший вариант построения сеточной модели.

Таким образом, былсмоделирован шнек только с учетом подрезки колеса на входе.На рисунке 4 представлена срывная кавитационная характеристикаисследуемой модели без зазора, в сравнении с экспериментом, для двухсеточных моделей, где цифрами показаны точки относительногокавитационного запаса для рисунка 5.

Применение модели без зазора неучитывает реальной картины течения, реализующейся в шнековых иоседиагональных насосах.H/n2•10-6, м•мин2/об232,52ANSYS CFX1,53121Точки срыва(испытания)0,500,10,30,52-6∆h/n •10 , м•мин2/об20,7Рисунок 4. – Срывная кавитационная характеристикаИзоповерхности распределения каверны для модели без зазора воседиагональном колесе представлены на рисунке 5. Видно, чтораспределение каверны не соответствует реальному распределению каверны.Так, при уменьшении входного давления, каверна не продвигается внутрьканала, а проходит вглубь канала лишь до густоты приблизительно равнойединице, при этом дальнейшее продвижение каверны внутрь каналапроисходит только во время срыва напора. Таким образом, из вышесказанного следует вывод, что для моделирования картины течениянеобходимо учитывать зазор.123Рисунок 5.

Изополя распределения каверны с минимальнойконцентрацией пара 10% в оседиагональном колесе без зазора (цифрамипоказаны точки на кавитационной характеристике рисунка 4)Моделирование кавитационных характеристик и описаниекартины течения в оседиагональном колесе с учетом зазора междукорпусом и лопатками колесаВ работе показано, что течение в зазоре между корпусом и лопаткамиколеса, оказывает существенное влияние на развитие кавитации вмежлопаточном канале оседиагонального колеса, начиная с моментапоявления кавитации и заканчивая третьим критическим кавитационнымрежимом.Из проведенного сравнения визуализации кавитации, полученногопутём моделирования, с результатами экспериментальных данных можносделать вывод о том, что картина течения в оседиагональных колёсахсовпадает с картиной течения и распределения кавитации в шнековыхколёсах.На основе анализа полей распределения векторов скорости иконцентрации паровой фазы показано:на режиме без обратных токов, существуют обратные течения навходе в колесо, вызванные перетеканиями жидкости с напорной сторонылопасти на всасывающую;до продвижения каверны вглубь межлопаточного канала, навходе в колесо образовывается присоединенная, щелевая, вихреваякавитация, а также кавитация в сдвиговых слоях;припродвижениикавитационнойкавернывглубьмежлопаточного канала, на входе лопасти остаётся развитая присоединеннаякаверна, щелевая кавитация и кавитация в сдвиговых слоях.

Показано, чтовнутри межлопаточного канала, за счет перетечки жидкости с напорнойстороны лопасти на всасывающую, у напорной стороны лопасти могутобразовываться вихревые кавитационные структуры. Кроме того, в колесеобразовываются вторичные и третичные течения и их взаимодействие, засчет перетечек в зазоре и сложной пространственной структуры течения.H/n2•10-6, м•мин2/об2Картины кавитации в межлопастных каналах следует использовать приизучении щелевой кавитации в многоразовых ЖРД или в насосах с большимресурсом работы, так как щелевая кавитация оказывает влияние на эрозиювсасывающей стороны лопасти, даже тогда, когда отсутствует эрозия отпрофильной кавитации.Моделирование кавитационных характеристик насоса с учетомбандажаСеточная модель построена двумя способами. Первый способ – этосоздание сеточной модели посредством программы ICEM CFD.

Второйспособ – это использование программы Turbogrid для создания сеточноймодели проточной части колеса, а для моделирования бандажа используетсядомен с «Immersed solid» (погруженное твёрдое тело). Функция Immersedsolid позволяет проводить моделирование влияния твёрдого тела на течениежидкости без перестроения сеточной модели жидкостного домена. Дляупрощения решения задачи предложено не учитывать утечки междубандажом и корпусом.Результаты расчетов с разными подходами по сеточной моделипоказывают хорошее совпадение между собой по точке срыва напора, однакоданные по величине напора получаются завышенными в случае сиспользованием подхода Immersed solid. Данные расчетов представлены нарисунке 6.32,521,5а)1б)0,5в)00,10,30,52-6∆h/n •10 , м•мин2/об20,7Рисунок 6.