Методические указания по выполнению лабораторных и курсовых работ. Молчанов А.М., Холодов П.В. 2013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИМосковский авиационный институт(национальный исследовательский университет)_________________________________________________________Кафедра «Авиационно-космическая теплотехника»Решение задач истечения свободной сверхзвуковой струи газав затопленное пространствоМоделирование нестационарного течения на примерезадачи поперечного обтекания круглого цилиндраМетодические указания по выполнению лабораторных работАвторы: доцент А. М. Молчанов,ассистент П. В.

ХолодовРецензенты: профессор Н.В. Парамонов,зав. лабораторией, с.н.с. Л.В.БыковУтвержденона заседании кафедры«Авиационно-космическаятеплотехника»«___»_______ 2013г.Москва, 2013СодержаниеРешение задач истечения свободной сверхзвуковой струи газа взатопленное пространство.Введение ......................................................................................................................................................... 21. Истечение сверхзвуковой струи.................................................................................................... 32. Постановка задачи ................................................................................................................................

43. Подготовка геометрии ........................................................................................................................ 64. Построение грубой расчетной сетки .......................................................................................... 85. Подготовка модели ............................................................................................................................

185. Проведение расчета и промежуточный анализ результатов ........................................ 236. Построение тонкой расчетной сетки ........................................................................................ 257. Подготовка и проведение окончательного расчета .......................................................... 26Заключение .................................................................................................................................................. 29Список использованных источников ............................................................................................ 30Моделирование нестационарного течения на примере задачипоперечного обтекания круглого цилиндра.Введение .......................................................................................................................................................

311. Нестационарное поперечное обтекание круглого цилиндра ....................................... 312. Постановка задачи .............................................................................................................................. 353. Построение геометрии расчетной области............................................................................ 374. Построение расчетной сетки.........................................................................................................

435. Подготовка расчетной модели и запуск расчета ................................................................ 536. Анализ полученных результатов ................................................................................................ 62Заключение ..................................................................................................................................................

68Список использованных источников ............................................................................................ 701Решение задач истечения свободной сверхзвуковой струи газа взатопленное пространство.ВведениеЦелью данного методического указания является обучение студентовосновам расчета свободных сверхзвуковых реактивных струй, а такжеосновам построения гексаэдральной структурированной расчетной сетки споследующей конвертации ее в неструктурированную. Предполагается,что перед выполнением задачи, предлагаемой в данном пособии, студентыбыли ознакомлены с интерфейсами программ ANSYS Workbench, ICEMCFD и ANSYS CFX, и владеют первичными навыками построения в нихрасчетных моделей.Расчетом истечения реактивных струй ученые и инженеры занимаютсядостаточно давно. Однако, несмотря на то, что этот физический процесспредставляет собой трехмерную задачу, из-за отсутствия достаточныхвычислительных мощностей большинство методик представляло собойрасчеттеченияводномернойилидвухмернойосесимметричнойпостановке.

За последние два десятилетия прогресс в вычислительнойтехникеиметодахвычислительнойгидродинамикипозволяетрассчитывать истечение реактивной струи в наиболее полной, трехмернойпостановке, не привлекая для этого чрезмерных вычислительных ивременных затрат. Хотя задача, решаемая в данной методическомуказании, является все же упрощенной по сравнению с реальнымиусловиями, тем не менее, она позволяет достаточно точно рассчитатьбольшинствоосновныхпараметровтечениявтрехмернойосесимметричной постановке. Кроме того, проведение двух сравнительныхрасчетов на сетках с разной степенью точности разбиения расчетнойобласти позволяет наглядно оценить важность правильного и точногопостроения расчетной сетки.21.

Истечение сверхзвуковой струи.При неизменных параметрах истечения потока из реактивного сопла взависимости от давления внешней среды реактивная струя может работатьв трех режимах [1]:1)Режимнедорасширения(давлениенасрезесоплабольшеатмосферного);2) Расчетный режим (давление на срезе сопла равно атмосферному);3)Режимперерасширения(давлениенасрезесопламеньшеатмосферного).Величина отклонения режима истечения из сопла от расчетногоопределяется степенью нерасчетности сопла:n = Pa / Pe, (1)где Pa – давление на срезе сопла, Pe – атмосферное давление.Поскольку задача состоит в расчете перерасширенной сверхзвуковойструи газа, то имеет смысл коротко разобрать только этот режим.Структура течения перерасширенной струи представлена на рисунке 1[5].

Сверхзвуковой поток, выходящий из сопла, ударно сжимается наотраженных скачках СB и С1B, поворачивает и движется к оси течения сдавлением, равным давлению за струей. Дойдя до отраженных скачков АВи А1В, поток поворачивает снова и движется вдоль оси с давлением,большим атмосферного.Рисунок 1.

Структура течения сверхзвуковой перерасширенной струи.В дальнейшем косые отраженные скачки АВ и А1В отражаются отграниц струи в виде волн разрежения А1Н1К1 и АНК, после чего потокприобретает вышеописанную структуру снова.3В идеальном случае в потоке имеют место обратимые превращения, ипотому описанная структура, называемая «бочками Маха», повторяетсябесконечное число раз. Однако в реальном процессе присутствуеттурбулентное смешение сверхзвуковой струи с окружающей атмосферой идиссипация энергии, в результате которой поток постепенно рассеиваетсяв атмосфере. В связи с этим большое значение играет методика расчетатурбулентности и учет влияния сжимаемости потока на длину струи.Согласно некоторым исследованиям, в расчетах, не учитывающих влияниесжимаемости потока на диссипацию энергии, длина струи оказываетсязаниженной по сравнению с экспериментальными данными [4]. Поэтому,несмотря на широкое освещение в научной литературе, расчет сжимаемыхтурбулентных течений сверхзвуковых струй по-прежнему являетсяактуальной задачей.2.

Постановка задачиВ данном методическом указании исследуется истечение свободнойсверхзвуковой перерасширенной струи газа из сопла со степеньюнерасчетности n=0,7.Решение задачи включает в себя следующие компоненты:1) построение геометрии расчетной области;2) построение грубой гексаэдральной расчетной сетки;3)проведениепервичногостационарногорасчетаианализпромежуточных результатов;4) построение тонкой гексаэдральной сетки;5) проведение более точного стационарного расчета;6) окончательный анализ полученных результатов.Общий вид геометрии расчетной области и ее размеры представленына рисунке 2.

Геометрические размеры представляют собой 1,25 радиусавыходного среза сопла по высоте и 20 радиусов по длине области. Уголнаклона образующей периферийной поверхности к оси расчетной области4составляет10°.Посколькурешаемаязадачапредставляетсобойосесимметричное истечение реактивной струи, то для уменьшенияразмеров расчетной сетки и, соответственно, времени решения задачиисследуемая область будет уменьшена до геометрического сектора в 20°,т.е. 1/18 от всей области течения.Рисунок 2. Общий вид геометрии расчетной областиИсходные данные к решению задачи представлены в таблице 1. Вданном пособии предполагается применение данных, полученных вкачестве результатов в ходе выполнения методического указания по теме«Течение идеального газа в сверхзвуковом сопле РД». Приведенные втаблице1параметрыдлявходногограничногоусловияможноиспользовать в случае, если вышеуказанное методическое пособие не былопредварительно выполнено.Таблица 1.

Исходные данные к решению задачи.Рабочее телоCO2 (идеальный газ)Статическое давление на входе, атм0,7Статическая температура на входе, К1550Скорость потока на входе, м/с2500Давление окружающего пространства, атм1Температура окружающего пространства, К29353. Подготовка геометрииДляподготовкигеометриирасчетнойобластивоспользуемсяграфическим препроцессором, «вшитым» в программный комплексANSYS Workbench.Для этого необходимо выполнить следующие шаги:1) Открыть проект ANSYS Workbench в меню Пуск – Все программы– ANSYS 14.0 – Workbench 14.0.2) В появившемся главном окне проекта ANSYS Workbench из панелиToolbox необходимо добавить вкладку Geometry.3) Зайдя в рабочий проект Geometry, необходимо настроить единицыизмерения, выбрав в меню Tools – Options – Design Modeler – Units –Meter, затем перевести вид рабочего окна в плоскость XY, после этогодобавить в нее новый эскиз.XY Plane – New Sketch…4) Для подготовки эскиза переходим во вкладку Sketching на панелиинструментов слева от рабочего окна.

В появившемся меню необходимо навкладке Draw выделить опцию Line и построить геометрию так, как этопоказано на рисунке 3.Рисунок 3. Создание эскиза геометрии.65) После создания геометрии эскиза необходимо добавить в негоразмеры. Для этого переходим во вкладку Dimensions и опцией Generalпроставляем размеры в соответствии с рисунком 4 (точно так же можноиспользовать опции Horizontal, Vertical и Angle).6) Переходим снова на вкладку Modeling.