Диссертация (1143937), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Результаты трехмерных стационарного и нестационарного расчетовблизки для малых значений u2/С0 и существенно отличаются для больших окружных скоростей.Погрешность трехмерного стационарного расчета вызвана существенным проявлениемнестационарных аэродинамических процессов в ЦбРТ и составляет от 3…4% в области малыхu2/С0 до 10% и более для характеристических чисел, близких к области максимальнойэффективности. Рассмотрим рисунок 2.26, на котором приводятся осредненные по временилинии тока для режимов u2/С0=0,1 и 0,3 при πТ=4,88Рисунок 2.26 – Линии тока в СТ-2М для u2/С0=0,1 и 0,3 (слева и справа соответственно),πТ=4,88Увеличение частоты вращения рабочего колеса увеличивает расход рабочего тела, какпоказано на рисунке 2.7.
Так, расход рабочего тела для u2/С0=0,3 больше в 1,5 раза. Однако,сопоставляя этот факт с картиной течения на рисунке 2.26, имеем очевидное противоречие: при99меньших частотах вращения с, соответственно, меньшими расходами рабочего тела, имеетместо большая заполненность сечений и большая равномерность потока в диффузоре. Причинав том, что при большей частоте вращения меньше выражена взаимная диффузия низко- ивысокоскоростного потоков. При u2/С0=0,3 высокоскоростной поток движется в центредиффузора, занимая всю ширину сечения лишь в области выходов сверху и снижу.
Для малойчастоты вращения наблюдается большая заполненность сечения, и поперечный градиентскорости менее выражен.Обращает на себя внимание также область постоянного отрыва потока5 вблизи верхнегоканала отвода рабочего телапри высокой частоте вращения. При совершении половиныоборота, рабочее тело покидает диффузор, уходя в нижний выход. Далее, в области диффузорамежду нижним и верхним выходами, расход одного сопла не в состоянии заполнить всесечение. Это приводит к появлению отрыва от обвода колеса и дополнительным потерям отнестационарности при уносе отрывной зоны к выходу ЦбРТ.Указанные особенности течения увеличивают потери от нестационарности, невоспроизводимые в стационарной постановке задачи, а также в рамках одномернойматематической модели ЦбРТ.2.5.3.
Верификация численного моделирования потерь трения дискаВерификация численного моделирования потерь трения проводилась в сопоставлении сэкспериментальными данными, представленными на рисунке 2.9, для диска простой геометрии.Расчетыпроизводилисьнавысоко-инизкорейнольдсовыхверсияхSSTмоделитурбулентности.
Использовалась структурированная гексагональная сетка высокого качества(значение качества по параметру Determinant 3*3*3 не менее 0,9). Параметры рабочего телапринимались для обеспечения чисел Рейнольдса диска в диапазоне 2·105…2·106. Результатыпредставлены на рисунке 2.27.5В случае если отрыв имеет место на полях потока, осредненных по времени, его следует считатьпостоянным.100140Nтр, Вт12010080Nтр expNтр y+160Nтр y+>304020n, об/мин020003000400050006000700080009000Рисунок 2.27 – Потери трения диска простой геометрии по результатам численного иэкспериментального исследованияИз представленных результатов следует два основных вывода:1.Численный расчет потерь трения дает хорошее количественное предсказаниепотерь;2.Высокорейнольдсовый вариант модели SST дает надежное количественноепредсказание потерь трения, что позволяет снизить требования к расчетнымсеткам.На основе полученных результатов можно сделать вывод о возможности использованияподхода численного моделирования для оценки потерь трения в диапазоне чисел Рейнольдсадиска, для которого отсутствуют экспериментальные данные.Проанализируем качество работы выражения (2.34) при расширении диапазона чиселРейнольдса диска при увеличении параметров рабочего тела.
Будем сравнивать результаты,полученные по эмпирическому выражению (2.34) с результатами численного моделирования повалидированной методике. Проведем анализ в диапазонах 8,5·105 – 1,4·106; 4,3·106 – 7·106;9·106 – 1,45·107. Результаты представлены на рисунке 2.28.1011200,0Nтр, ВтCFD Reu2 8.5e5 - 1.4e61000,01D Reu2 8.5e5 - 1.4e6CFD Reu2 4.3e6 - 7e6800,01D Reu2 4.3e6 - 7e6CFD Reu2 8.7e6 - 1.5e7600,01D Reu2 8.7e6 - 1.5e7400,0200,00,04000n, об/мин50006000700080009000Рисунок 2.28 – Потери трения диска простой геометрии в разных диапазонах чиселРейнольдса дискаАнализ полученных данных показывает, что выражение (2.34) существенно завышаетзначение потерь трения в областях чисел Рейнольдса диска, превышающих 4,5·106. В связи сэтим, для оценки потерь дискового трения в этих областях могут применяться следующиеподходы:Получение полуэмпирических корреляций, сходных с (2.34) и (2.35), порезультатам численного расчета по валидированной методике.Определение потерь трения диска подходом численного моделирования.2.5.4.
Выводы по верификации одномерной модели и методики трехмерного численногомоделирования ЦбРТВерификация одномерной модели и методики трехмерного расчета проводилась порезультатам экспериментального исследования ЦбРТ СТ-2М. В целом, в областях малых частотвращения и одномерная, и трехмерные стационарные методики расчета демонстрируютхорошее совпадение с экспериментальными данными и дают завышение в оценкеэффективности не более 3,2%. Для больших частот разница становится гораздо болеесущественной для одномерного и трехмерного стационарного подходов, делая их результаты102малопригоднымидлястрогихколичественныхоценок.Нестационарныерасчетдаетудовлетворительное предсказание эффективности с завышением не более чем на 3,6% дляu2/С0=0,3 при πТ>5 и не более чем на 2,2% при πТ<5.Определение потерь дискового трения подходом численного моделирования даетхорошее количественное совпадение с экспериментальными результатами и может применятьсядля исследований ЦбРТ.Таким образом, нестационарные расчеты в постановке, описанной в разделе 2.4.3текущей работы, могут применяться для исследования ЦбРТ, давая количественные икачественные результаты приемлемой степени точности.2.6.Выводы по Главе 2В данной главе описаны разработанные автором методики расчетного исследованияЦбРТ мощностью до 100 кВт, а именно:Разработана методика выбора первичных геометрических и режимныхпараметров ЦбРТ.
Сформулированы ограничения на геометрические и режимныепараметры, определяемые положениями аэродинамики, теории турбомашин,конструктивными и другими принципиальными ограничения, определяющиеконструктивный облик установки.Создана одномерная модель ЦбРТ с учетом свойств реального газаВыделены и описаны специфические особенности рабочего процесса ЦбРТ, такиекак увеличение расхода рабочего тела при увеличении частоты вращения исохранениидавлениянавходевустановку.Обосновананеобходимостьиспользования в одномерной модели реальных термодинамических свойстврабочих тел вместо использования изоэнтропийных выражений при работе свысокими начальными параметрами по давлению.
Описаны основные уравнения,составляющие одномерную модель. В модель внедрен модуль расчета ЦбРТ сустановленным выходным диффузором. Подготовлена программа «ЦбРТ 2.0Диффузор», реализующая созданную одномерную модель.Разработана и валидирована методика численного моделирования ЦбРТПодробно рассмотрены ограничения численного моделирования турбомашин,включая моделирования явления турбулентности. Исходя из характерныхфизических особенностей течения в ЦбРТ, определена корректная методикачисленного моделирования. Проведена валидация методики по результатамэкспериментальных исследований ЦбРТ.103Ограничениядляпримененияразработанныхметодикрасчетногоисследования ЦбРТЭкспериментальная валидация методик позволяет установить для их примененияследующие диапазоны параметров ЦбРТ:1) Одномерная модель позволяет выполнять количественно верные оценки призначениях u2/С0 не более 0,12.
Возможно расширение диапазона работыодномерной модели путем внедрения эмпирических корреляций, полученных,например, по результатам трехмерных нестационарных расчетов для оценкикоэффициентов скорости в процессах сжатия рабочего тела В-В – С-С ирасширения С-С–2-2. Разработанная одномерная математическая модельимеет много направлений для дальнейшего совершенствования. Например,заданиегеометрииЦбРТможетбытьавтоматизированопутеммасштабирования удачной геометрии ЦбРТ с контролем значений скоростейв сечениях.2) Применениетрехмерныхстационарныхрасчетовограниченохарактеристическим числом u2/С0=0,2.
В области более высоких частотвращения существенными становятся потери от нестационарности.3) Трехмерные нестационарные расчеты в постановке совместного расчетарабочего колеса ЦбРТ и диффузора демонстрируют хорошую сходимость сэкспериментом во всем диапазоне работы ЦбРТ, ограниченным условиемобеспеченияпрочностиколеса,ипотомумогутприменятьсядляисследования ЦбРТ в дальнейшем. При расчете ЦбРТ со степенью понижениядавления πТ<5 трехмерный нестационарный расчет демонстрирует завышениезначения внутреннего КПД не более чем на 2,2%.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
