Диссертация (Прогнозирование и управление кавитационными характеристиками бустерных оседиагональных насосов кислородно-керосиновых ЖРД с использованием численного моделирования), страница 9

Неучет пилонов объясняется тем, что с уменьшением входногодавления каверна уходит вглубь канала, а входной участок (в данном случаеподразумеваются пилоны) перестаёт оказывать влияние на входную кромку шнека,в том числе, и в случае присутствия обратных токов.3.3.Сеточные моделиКачество и экономичность при генерации сеточной модели является однимиз важных вопросов при решении задач гидрогазодинамики. Сеточные модели,используемые в ANSYS CFX, можно разделить на два типа – тетраэдральные игексаэдральные (также есть пирамиидальные и призматические элементы).Тетраэдральные сеточные модели занимают меньшее время на построение итребуют минимальных знаний для их построения. Гексаэдральные сеточныемодели требуют большего времени на их создание, но, при этом, чаще всего имеютменьшее количество узлов и элементов, а, следовательно, и ресурсов компьютера.Выбор типа сеточной модели имеет не маловажное значение.Для изучения влияния сеточных моделей было построено три разныхсеточных модели полученных при помощи трёх разных подпрограмм входящих вкомплекс ANSYS.

Две сеточные модели были гексаэдральные и построены припомощи ANSYS Turbogrid (1 830000 элементов) и ICEM CFD (847000 элементов),а третья модель тетраэдральная и построена при помощи ANSYS Mesher (3 000000элементов), все модели построены с погран слоем у стенки не менее 10 элементов.Пограничный слой строился из условия 15<y+<50 на всех поверхностях, где y+ этобезразмерное расстояние от первого узла до стенки.

При моделировании зазоров59между колесом и стенкой корпуса минимальное количество элементов равнялось30-35. Сеточные модели представлены на рис._3.3.1.в)б)а)Рис. 3.3.1. Сеточные модели построены в программе:а) ICEM CFD; б) ANSYS Turbogrid; в) ANSYS MesherНаибольшую трудность при создании сеточной модели представляетиспользование программы ICEM CFD, так как необходим большой опыт работы впрограмме и наибольшее время для создания модели.

Наиболее простая длясоздания сеточной модели программа это ANSYS Mesher, так как не требуетбольшого опыта работы и имеет множество настроек для построения необходимойсеточной модели. ANSYS Turbogrid специально разработанная программа длясоздания сеточных моделей турбомашин, однако, несмотря на это, она требуетнемного большего опыта нежели ANSYS Mesher и не обладает возможностями посозданию геометрии моделей колёс с переменным зазором и бандажом.Полученныепутёммоделированиякавитационныехарактеристикипредставлены на рис. 3.3.2.Сеточная модель, построенная при помощи программы Turbogrid, имеетнаименьшую величину погрешности от 5% до 38% по второму критическомурежиму при расчётах кавитационных характеристик в зависимости от испытанногоэкземпляра БТНА.

Для ICEM CFD эти цифры немного выше от 6 до 39%, тогда какдля ANSYS Mesher величина погрешности самая большая и составляет от 15 до51%. Таким образом, самым оптимальным вариантом является использованиепрограммы Turbogrid и гексаэдральной сеточной модели.60H/n2•10-6, м•мин2/об232,52а)1,5б)1в)0,5г)00,10,150,20,25∆h/n2•10-6, м•мин2/об20,3Рис. 3.3.2. Сравнение экспериментальных данных и результатовмоделирования с различными сеточными моделями:а) ANSYS Turbogrid; б) ICEM CFD; в) ANSYS Mesher;г) результатымодельных испытаний НПО ЭнергомашПолученные результаты по выбору сеточной модели совпадают срезультатами авторов из источника [45], где сказано, что для расчетов с кавитациейна гексаэдральной сетке сходимость и устойчивость решения лучше, чем натетраэдральной.

Авторы проводили исследование смесителя, поэтому их данныенеобходимо было проверить для турбомашин.Полученные величины погрешности являются хорошим результатом, однакосравнение характеристик проводилось для модели с острой кромкой, тогда как вреальной конструкции она круглая. При моделировании круглой кромки спеременной толщиной, величина погрешности уменьшается до -9÷18%, чтоявляется хорошим согласованием результатов расчета и экспериментальныхданных, полученных при модельных испытаниях на стенде НПО Энергомаш.Кавитационные характеристики с круглой кромкой представлены на рис. 3.3.3. Дляудобства на графике представлены точки срыва по второму критическомукавитационному режиму и кавитационная характеристика одного из экземпляровБТНА, полученные на модельных испытаниях в НПО Энергомаш.61H/n2•10-6, м•мин2/об22,82,72,62,52,42,32,22,120,15Точки срыва(испытания)ANSYS CFX круглаякромкаИспытание0,20,250,30,35∆h/n2•10-6, м•мин2/об20,4Рис.

3.3.3. Расчетные и экспериментальные кавитационные характеристикинасоса с круглой входной кромкойИз представленных характеристик видно, что имеется различие по величиненапора, тогда как по первому и второму критическому кавитационному режимухарактеристики практически совпадают.Выводы1. Разработана методика моделирования кавитационных характеристикБТНА при помощи ANSYS CFX.2. Гексаэдральные сеточные модели имеют меньшую погрешность примоделировании кавитационных характеристик.3. Для построения сеточных моделей наиболее удобной являетсяпрограмма Turbogrid.4. При расчете кавитационных характеристик необходимо моделироватьвходную кромку в соответствие с чертежом.5. Полученныеприпомощимоделированиякавитационныехарактеристики хорошо совпадают с результатами модельныхиспытаний НПО Энергомаш, по первому и второму критическомукавитационному режиму.624.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАВИТАЦИОННЫХХАРАКТЕРИСТИК БТНА4.1.Моделирование кавитационных характеристик БТНА без учетазазора между корпусом и лопатками колесаПри моделировании БТНА без учета зазора, рассматривается простейшийвариант для построения блочной структурированной сеточной модели с помощьюICEM CFD. Также для упрощения сеточной модели в ней были исключеныскругления между лопаткой и втулкой.В источниках [89, 90] не было уделено должного внимания входнымкромкам. Для упрощения построения сеточной модели не были учтены скругленияна входной кромке. Таким образом, был смоделирован шнек только с учетомподрезки колеса на входе.H/n2•10-6, м•мин2/об232,52а)1,5312б)1в)0,5г)00,10,30,5∆h/n2•10-6, м•мин2/об20,7Рис.

4.1.1. – Срывная кавитационная характеристикаа) – точки характеристики, когда корпус на периферии не вращается; б) –корпус на периферии вращается; в) - точки модельных испытаний; г) – точкисрыва по второму критическому режиму модельных испытаний.На рис. 4.1.1 представлена срывная кавитационная характеристикаисследуемой модели без зазора, в сравнении с экспериментом, для двух расчетныхслучаев – а), б). Полученные результаты удовлетворительно сходятся сэкспериментом, однако срыв насоса происходит по расчетам при меньшем63кавитационном запасе, нежели в эксперименте.

Погрешность расчетов составляетот 4% до 37% в зависимости от испытанного экземпляра. Неточность данныхрасчетов вызвана тем, что профиль входной кромки не повторяет реальнуюконструкцию, как уже было сказано выше, и тем, что расчетная модель без зазоране дает реальной картины, происходящей в шнековых и оседиагональных насосах.В источнике [101] показаны распределения трехмерных картин каверны,откуда видно, что её распределение не соответствует реальному, так как каверна непродвигается внутрь канала, а проходит в глубь канала лишь до густотыприблизительно равной единице, при этом дальнейшее продвижение кавернывнутрь канала происходит только во время срыва напора.

Данные распределениякаверны при моделировании без учета зазора в оседиагональном колесепредставлены на рис. 4.1.2.132Рис. 4.1.2. Изоповерхности каверны с минимальной концентрацией пара10% в оседиагональном колесе без учета зазора (цифрами показаны точки нахарактеристике с рис. 4.1.1)Таким образом, из выше сказанного следует вывод, что для моделированиякартины течения необходимо учитывать зазор.4.2.Моделирование кавитационных характеристик и описаниекартины течения в оседиагональном колесе с учетом зазора междукорпусом и лопатками колесаТечение в зазоре между корпусом и лопатками колеса, как можно увидеть изрис.4.2.1, оказываетсущественноевлияние на развитиекавитациивмежлопаточном канале колеса, начиная с момента появления кавитации и64заканчивая третьим критическим кавитационным режимом (третий критическийрежим на рисунке не показан).1.540.4550.30.2380.206КонцентрацияПарожидкостная смесьпара нас концетрацией парапериферииболее 10 процентовлопасти∆h/n2·10-6Рис.

4.2.1. Отображение парожидкостной смеси и концентрации пара ототносительного кавитационного запаса, направление вращения снизу вверх, потоктечет слева направо.На всех представленных в этой главе рисунках с изображениями кавитациикрасным или оранжевым показана каверна с концентрацией пара αv>0,8, зеленым парожидкостная смесь с концентрацией пара αv=0,1-0,8; синим - жидкость.На рисунке 4.2.1 на периферии получена форма щелевой кавитации, котораяза счет перетекания жидкости в зазоре с напорной стороны лопасти навсасывающую доходит до следующей лопасти, также, как и в источнике [13], длялопаток с углами менее 10 градусов (при больших углах установки лопасти данноговида кавитации замечено не было).Необходимо заметить, что данный вид течения не является обратнымитоками в общепринятом понимании этого значения, описанном в источнике [85],когда на входной части всасывающей стороны лопасти появляется сильноерадиальное течение, которое при замыкании на корпусе раздваивает поток на две65части.

Часть потока идёт в канал межлопаточного колеса, тогда как вторая частьвыходит за пределы колеса в сторону входа и образует вихревое течение, котороеможет распространяться далеко за пределы входа колеса. Начало образованияобратных токов определяется следующей формулой:1 =пер ∙ tan(л пер )(4.2.1)где q1 – расходный параметр (при q1<0,5÷0,6 появляются обратные токи), cz –осевая скорость на входе в колесо, пер – окружная скорость на периферии колеса,л пер – угол лопасти на периферии колеса.Моделирование проводилось для модели оседиагонального колеса с входнойкромкойпеременнойтолщины,кавитационныехарактеристикикоторойпредставлены на рис. 4.2.2.

Данные по минимальному и максимальному по ТУрежимам представлены на рис. 4.2.2 серыми линиями и равны ∆hmin/n2=0,253·10-6м·мин2/об2, ∆hmax/n2=0,802·10-6 м·мин2/об2.Подобная картина течения (перетекание в зазоре с напорной стороны навсасывающую) была встречена в источнике [11], где шнековое колесо былоспроектировано с q=0.8 и л пер = 4°. В источнике [40] такая же картина течениябыла получена на двух оседиагональных колёсах, которые имели параметр q=0.59и л пер = 7.5°, но имели разный угол подрезки колеса на входе, а также ещё на двухдругих оседиагональных колесах с параметрами q=0.79 и л пер = 7.5 °, q=0.742 ил пер = 6°.66H/n2•10-6, м•мин2/об232,52а)1,5б)10,5∆hmaxТУ/n2=0,802∆hminТУ/n2=0,253000,51∆h/n2•10-6, м•мин2/об2в)г)1,5Рис.

4.2.2. – Срывная кавитационная характеристикаа) – модель без зазора с невращающимся на периферии корпусом; б) –модель с зазором; в) – точки модельных испытаний; г) – точки срыва по второмукритическому режиму модельных испытаний.В источнике [28] дано сравнение экспериментальных результатов изисточника [85] (результаты были сделаны на расстоянии одного диаметра отвходной кромки) с полученными экспериментальными данными видео наблюденияи использования лазерного доплеровского измерителя скорости в кавитирующемколесе (рис.