Автореферат (Численное моделирование течения вязкого газа в осевых вентиляторах с лопатками обратной стреловидности методика, результаты и практические рекомендации)

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиВУ МАНЬ ХИЕУЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ВЯЗКОГОГАЗА В ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРАХ С ЛОПАТКАМИОБРАТНОЙ СТРЕЛОВИДНОСТИ: МЕТОДИКА,РЕЗУЛЬТАТЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИСпециальность: 05.07.01-“Аэродинамика и процессы теплообменалетательных аппаратов”АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква-2013Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)»Научный руководитель:кандидат физико-математических наук,доцент МАИ Попов Серей АлександровичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессор, деканфакультета “двигатели ЛА” МАИ (НИУ)Агульник Алексей Борисовичкандидат технических наук,советник по научным разработкамЗВО “ИННОВЕНТ”Московко Юрий ГеоргиевичВедущая организация:Институт теоретической и прикладноймеханики им.

С.А. Христиановича СО РАН.Защита диссертации состоится « 26 » июня 2013 года в 12 часов назаседании Диссертационного совета ДС 212.005.02 в Московскомавиационном институте по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3,Волоколамское ш., д. 4, МАИ, в аудитории 302ГАК.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогоавиационного института.Автореферат разослан « 24 » мая 2013 г.Ваш отзыв в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью, просимнаправлять по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское ш., д.4, МАИ, учѐному секретарю Диссертационного совета ДС 212.005.02.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наук, доцентСеменчиков Н.В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы.

Осевой вентилятор - аэродинамическаялопаточная машина, которая является неотъемлемой частью многихстационарных и транспортных машин, технологических установок иустройств, применяемых в различных областях техники. Требования квентиляторам непрерывно изменяются с появлением новых объектов итехнологических процессов. При этом не всегда представляется возможнымиспользовать выпускаемые вентиляторы или даже положить в основуразрабатываемыхвентиляторовизвестныеаэродинамическиесхемы.Возникает необходимость создания вентилятора новой аэродинамическойсхемы,обеспечивающейполучениезаданныхаэродинамических,акустических, весовых и габаритных параметров при высоком КПД.Максимальное удовлетворение таких взаимоисключающих требованийвозможнонаосноведостовернойкачественнойиколичественнойинформации о физических процессах, имеющих место в конкретномустройстве.До сих пор в дозвуковых аэродинамических трубах такой потоксоздается при помощи осевых вентиляторов, расположенных за диффузоромтрубы.

Силовая установка таких труб, как правило, состоит из вентилятора иэлектромотора постоянного тока. Несмотря на большое значение пусковогомомента у таких электромоторов вентиляторы вращаются на сравнительновысоких оборотах рабочего колеса (~1000 об/мин).

Такие вентиляторы имеютотносительно высокий уровень шума и максимальный КПД, учитываятиповое расположение вентилятора, не более 0.75. Шумы при этом негативновлияют на параметры турбулентности в рабочей части трубы, провоцируяявление ламинарно-турбулентного перехода на обтекаемых поверхностях.Широко известными примерами таких вентиляторов являются вентиляторыЦАГИ ОВ-23, 109, 121.3Для того, чтобы повысить максимальный КПД и снизить уровень шумаосевого вентилятора аэродинамической трубы мы можем изменить формулопатки и снизить частоту вращения вентилятора. Использование лопатокнетрадиционных форм требует знаний структуры течения в межлопаточномканале, интегральных и локальных характеристик. В данный моментсведений о таких характеристиках недостаточно.

Традиционные способыпроектирования,использующиетеориюподобияиэмпирическиепоправочные коэффициенты, не способны в полной мере учесть деталитечения в проточной части вентилятора на разных режимах его работы. Этоприводиткнеобходимостимногопараметрическогофизическогопроведениядополнительногоэкспериментаспоследующейдоработкой вентиляторов при их изготовлении, то есть неизбежны большиематериальные и временные затраты. В настоящее время для моделированиятечения в технических устройствах сложной формы применяется болеедешевый вычислительный эксперимент с применением целого ряда пакетовприкладных программ: STAR-CD, STAR-CCM+, ANSYS Fluent, NUMECAFine/Turbo и др.. Численное моделирование позволяет оценить рабочиепараметры и характеристики разрабатываемого вентилятора еще до егоизготовления и внести необходимые изменения, а значит, сократитьиздержки производства.

Однако при реализации данного метода встречаютсядополнительные трудности, связанные с адекватностью используемыхматематических моделей, с корректным выбором вида аппроксимациичленов уравнений, с построением расчетной сетки требуемого качества и состепенью детализации различных свойств течения. Исходя из этихсоображений, определена основная цель работы: на основе методовматематического моделирования и применения современных программныхсредств по вычислительной гидродинамике (CFD - Computational FluidDynamics) исследовать физические особенности течения и определитьвозможности использования вентиляторов с криволинейными лопаткамиобратнойстреловидностипопереднейкромкевперспективных4аэродинамическихтрубах(АДТ).Отработатьэлементыметодикипроектирования и использования CFD пакетов, выработать практическиерекомендации по применению вентиляторов.Объектом исследования в настоящей работе являются вентиляторы снаклонными лопатками обратной стреловидности при разных частотахвращения и способах их расположения в проточном канале.Цель и задачи диссертационной работы.

На основании данныхвычислительного эксперимента показать преимущества осевых вентиляторовс лопатками обратной стреловидности по передней кромке и оценитьвозможности и перспективы их применения в дозвуковых аэродинамическихтрубах.Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:1. Разработка схемы формирования геометрических параметров лопаткивентилятора с обратной стреловидностью по передней кромке;2. Построение моделей осевых вентиляторов и расчетной сетки,исследование сеточной сходимости;3. Моделирование работы осевых вентиляторов с криволинейнымилопаткамиобратнойстреловидностипопереднейкромкебездиффузора и в диффузоре аэродинамической трубы;4.

Выбор модели турбулентности для моделирования турбулентныхтечений вокруг лопаток вентилятора;5. Определение влияния конструктивных элементов проточного канала нааэродинамические характеристики вентилятора;6. Выбор силовой установки и определение допустимых режимов работывентилятора;7. Анализ, обобщение результатов моделирования и их сопоставление сэкспериментальными данными.Научная новизна работы состоит в следующем:51. Предложены вентиляторы новых геометрических форм, определены ихаэродинамические характеристики при работе в диффузоре и без него;2. Выявлены физические закономерности повышенной устойчивостивентиляторов с лопатками обратной стреловидности по переднейкромке к срыву потока;3.

Проанализированы широко используемые на сегодняшний день моделитурбулентностинапредметадекватностимоделированиятурбулентных течений в вентиляторе;4. Исследовано влияние конструктивных элементов на аэродинамическиехарактеристики вентилятора;5. Разработаны практические рекомендации по применение вентиляторовс лопатками обратной стреловидности в дозвуковых аэродинамическихтрубах.Методыисследований.Результатыработыполученысиспользованием пакета прикладных программ ANSYS Fluent 14.5 (номерлицензии670351),вкоторомреализованаматематическаямодель,включающая полную систему осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье– Стокса и уравнения для турбулентных характеристик.Достоверность научных положений подтверждается использованиемзаконов сохранения массы, количества движения и энергии, теориичисленных методов; всесторонним тестированием применяемых численныхметодовиалгоритмов,сравнениемрезультатоврасчетовсэкспериментальными данными, использованием экспериментальных данныхкак базиса для методики моделирования турбулентных течений.Научные положения, выносимые на защиту:1.

Результаты численного расчета вентиляторов с лопатками обратнойстреловидности с разным числом лопаток при разных частотахвращения как в случае без диффузора, так и с диффузором.62. Результаты анализа причин расширения диапазона рабочих режимов вобластинизкихзначенийкоэффициентапроизводительностипредложенных в работе вентиляторов.3. Результатычисленногоисследованиявлиянияконструктивныхэлементов на аэродинамические характеристики вентилятора.4.

Результатытестированиямоделейтурбулентностинапредметадекватности расчета турбулентных течений в вентиляторе.Практическая значимость и ценность проведенных исследований.Получен большой объем новой научной информации о геометрических иаэродинамических характеристиках осевых вентиляторов с лопаткамиобратнойстреловидности.Результатыисследований,вошедшиевдиссертацию, используются в учебном процессе МАИ при подготовкеинженеровпоспециальности"Гидроаэродинамика"имогутбытьрекомендованы для применения в аэродинамическом проектировании осевыхвентиляторов перспективных форм.Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7печатных работах, в том числе в 3 статьях в журналах из списка ВАК.Апробация и внедрение результатов.