Автореферат (1149879)
Текст из файла
На правах рукописиРОМАНЮК Денис АндреевичНЕСТАЦИОНАРНЫЕ ДВУХФАЗНЫЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗАС ЧАСТИЦАМИ В РЕШЁТКАХ ПРОФИЛЕЙСпециальность: 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмыАвторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург – 2017Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете«ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. УстиноваНаучный руководитель:Циркунов Юрий Михайловичдоктор физико-математических наук, профессорОфициальные оппоненты:Осипцов Александр Николаевичдоктор физико-математических наук, профессор,зав. лабораторией механики многофазных сред,Институт механики МГУ им. М.В.
ЛомоносоваШмидт Александр Александровичкандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник,зав. сектором численного моделирования,Физико-технический институт им. А.Ф. ИоффеРАНВедущая организация:Институт теоретической и прикладной механикиим. С.А. Христиановича СО РАНЗащита состоится «21» декабря 2017 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.232.30 на базе Санкт-Петербургского государственногоуниверситета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 28, математико-механический факультет, ауд.
2448.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. ГорькогоСанкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034,Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9 и на сайтеhttps://disser.spbu.ru/disser/soiskatelyu-uchjonoj-stepeni/dis-list/details/14/1483.htmlАвтореферат разослан «___» октября 2017 года.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 212.232.30доктор физ.-мат. наук, доцентКустова Е.В.2Общая характеристика работыАктуальность темыАвиационные двигатели, как известно, не предназначены для работы взапылённой среде, однако самолёты могут взлетать и приземляться в атмосфере, содержащей пыль или песок. Они могут также пролетать через облака вулканического пепла.
Во всех этих случаях двигатель засасывает взвешенныетвёрдые частицы, которые негативно влияют на его характеристики. Дисперсные частицы во входном высокоскоростном потоке, будучи более инерционными, чем несущий газ, сталкиваются с лопатками венцов компрессоров и другими элементами проточного тракта, вызывая их абразивную эрозию. Частицытакже могут осаждаться на горячих поверхностях элементов турбины и сопла,забивать каналы охлаждения лопаток и т.п. Эти и некоторые другие явленияподробно описаны в обзорах Hamed &Tabakoff 2006 и Bons 2010. Задача количественной оценки влияния частиц на характеристики и ресурс авиадвигателямногофакторна и очень сложна.
Она находится в центре внимания исследователей последние 40 лет. Моделирование течения запылённого газа через венцылопаток компрессора и турбины является одной из наиболее важных частейвсей задачи. Строго говоря, это нестационарное трёхмерное течение, однакомногие ключевые его особенности в последовательных ступенях осевого компрессора (также и других осевых турбомашин) могут быть изучены с помощьюмодели двумерного течения в плоскости, представляющей развёртку некоторого кольцевого сечения.
Такой подход хорошо известен как теория плоских решёток (Степанов Г.Ю. Гидродинамика решёток турбомашин, 1962).Несмотря на огромный прогресс в развитии вычислительных методов вмеханике жидкости и газа (МЖГ), создание, постоянное совершенствование иширокое распространение достаточно универсальных пакетов программ длячисленного моделирования различных течений, в том числе решения задач газодинамики турбомашин (типа Ansys CFX, Ansys Fluent, Numeca FineTurbo идр.), несмотря на появление и доступность мощных вычислительных комплексов (кластеров), и даже несмотря на развитие самой механики многофазныхсред, проблема разработки новых математических моделей, новых подходов иновых алгоритмов для решения задач двухфазной газодинамики остаётся однойиз чрезвычайно актуальных. Это связано, во-первых, с тем, что потоки газа сдисперсной примесью встречаются во многих приложениях (в современномэнергетическом и промышленном оборудовании, в экспериментальных установках, авиационных и ракетно-космических системах, технологических процессах и т.д.).
Во-вторых, такие потоки очень разнообразны по своим свойствам, причем их структура значительно сложнее, чем структура течений чистогогаза. Наконец, двухфазным течениям присущи многие случайные эффекты, которые могут играть важную роль даже на фоне детерминированного течениянесущего газа. В рамках классической теории взаимопроникающих континуумов многие важные случайные эффекты, такие, как рассеяние частиц при отскоке от обтекаемой поверхности, столкновения между частицами и т.п. не3учитываются. В то же время часто именно они позволяют понять и объяснитьнаблюдаемые в опытах особенности реальных двухфазных течений.В этой связи актуальным является разработка и численная реализация математических моделей течений запылённого газа в элементах турбомашин сучётом различных случайных явлений в потоке примеси, а также определение иоценка относительной роли этих эффектов в перераспределении частиц в потоке и формировании картины и полей параметров течения дисперсной фазы.
Дляэтой цели на первом этапе при моделировании течения несущего газа разумноиспользовать теорию плоских решёток, однако движение частиц следует рассматривать в трёхмерной постановке, так как их рассеяние при отскоке от лопаток и столкновения между ними имеют существенно трёхмерный характер.Основные цели работы• Разработка математической модели, алгоритма расчёта и его численнаяреализация для моделирования нестационарного течения двухфазной смеси газа с дисперсными частицами в системе решёток "ротор-статор" с учётом следующих эффектов случайной природы: разброс частиц по размерам, рассеяние частиц при отскоке от лопаток (профилей) из-за их несферической формы, столкновения между частицами, а также с учётом обратного влияния примеси на течение несущего газа.• Расчёт и анализ двухфазных течений в системе решёток.
Оценка роли отдельных факторов, а также их совместного влияния на динамику примесии её параметры.Научная новизна1. Задача о нестационарном двухфазном течении газа с частицами в системерешёток профилей с учётом разброса частиц по размерам, рассеяния частиц при отскоке из-за несферичности формы, столкновений между частицами и обратного воздействия примеси на течение газовой фазы рассмотрена впервые.2. Полностью оригинальной является численная реализация математическоймодели для расчёта нестационарных двухфазных течений в решётках.3. Впервые в результате численного моделирования двухфазных течений врешётках получены оценки роли случайных факторов на динамику, картину и параметры течения примеси в широких диапазонах основных определяющих параметров (размер, форма и концентрация частиц).Достоверность результатовДостоверность основана на использовании хорошо известных уравненийгидромеханики, уравнений движения частиц с учетом наиболее важных составляющих силового взаимодействия с газовой фазой, апробированной кинетической модели столкновительной дисперсной примеси, уравнений динамики соударения частиц, хорошо апробированных методах вычислительной гидромеханики, метода прямого численного моделирования (метода Монте-Карло).
Установлена сходимость результатов по сетке и показана незначительная рольсхемной «вязкости». Алгоритм апробирован на решении известной задачи об4текания цилиндра. Исследована сходимость результатов по количеству моделирующих частиц. Полученные результаты являются физически объяснимыми.Научная и практическая значимостьРазработанная модель нестационарного двухфазного течения газа с частицами в решётках может быть использована для исследования других задачдвухфазной газодинамики, где важны эффекты полидисперсности, рассеяниячастиц при отскоке от лопаток и столкновения между частицами.Систематические расчёты и анализ результатов показал, что в течениях врешётках доминирующую роль в формировании картины течения и полей параметров дисперсной фазы играют рассеяние частиц при отскоке от лопаток иразброс частиц по размерам.
Роль же столкновений между частицами оказаласьзаметной только для крупных частиц. Обратное влияние примеси на течениенесущего газа в исследованных диапазонах параметров задачи оказались несущественным.Метод расчёта движения частиц, столкновений частиц с поверхностьюлопаток и алгоритм метода Монте-Карло предполагают трёхмерность и могутбыть использованы при моделировании трёхмерных двухфазных течений.Основные положения, выносимые на защиту1. Математическая модель нестационарного двухфазного течения газа ствёрдыми частицами в системе решёток "ротор-статор" с одновременнымучётом полидисперсности, рассеяния при отскоке от лопаток и столкновений между частицами, а также обратного влияния дисперсной примеси натечение несущего газа.2. Численная модель для расчёта двухфазных течений в решётках на основеуравнений Эйлера, Навье–Стокса и Рейнольдса для несущего газа и лагранжевого и кинетического описания примеси с учётом названных вышеэффектов.3.
Результаты расчётов и анализ относительной роли факторов случайнойприроды (разброс частиц по размерам, рассеяние при отскоке от поверхности лопаток, хаотизация движения примеси из-за столкновений между частицами), а также обратного влияния примеси на газовую фазу в рассмотренной задаче.Апробация работыРезультаты, представленные в диссертации, докладывались на следующих российских и международных конференциях и других форумах:[1] XV Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным средствам (ВМСППС`2007) (Крым,Алушта, 2007);[2] Всероссийский семинар по аэрогидродинамике (Санкт-Петербург, 2008);[3] 8th World Congress on Computational Mechanics WCCM8 / 5th EuropeanCongress on Computation Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2008) (Venice, Italy, 2008);5[4] 7th EUROMECH Fluid Mechanics Conference (EFMC 7) (Manchester, UnitedKingdom, 2008);[5] XVII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководствомакадемика РАН А.И.
Леонтьева, "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях" (г. Жуковский, 2009);[6] 3rd European Conference for Aero-Space Sciences (EUCASS 2009) (Paris–Versailles, France, 2009);[7] III Международная научно-техническая конференция "Авиадвигатели XXIвека" (Москва, 2010);[8] 5th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECCOMAS CFD2010) (Lisbon, Portugal, 2010);[9] VII всероссийская научная конференция "Фундаментальные и прикладныепроблемы современной механики" (Томск, 2011);[10] Х Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической иприкладной механики (ВСФПТПМ) (Нижний Новгород, 2011);[11] Международная научная конференция по механике "Шестые Поляховские чтения" (Санкт-Петербург, 2012);[12] XVI International Conference on the Methods of Aerophysical Research(ICMAR 2012) (Казань, 2012);[13] 5th European Conference for Aero-Space Sciences (EUCASS 2013) (Munich,Germany, 2013);[14] 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences(ICAS 2014) (St.Petersburg, 2014);[15] ХI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретическойи прикладной механики (ВСФПТПМ) (Казань, 2015);[16] XXIV Всероссийский семинар с международным участием по струйным,отрывным и нестационарным течениям" (Новосибирск, 2015);[17] Семнадцатая международная школа-семинар "Модели и методы аэродинамики" (Евпатория, 2017).ПубликацииРезультаты диссертации представлены в 19 публикациях: в 2-х статьях визданиях из Перечня ВАК [1] и [2], в 2-х статьях, индексируемых в Scopus [3] иWeb of Science [4], в статье в рецензируемом издании избранных трудов Европейской конференции EUCASS [5], в 7-ми статьях в сборниках трудов различных научных форумов [6–12] (тезисы здесь не учитываются), в 7-ми публикациях тезисов докладов [13–19].Личный вклад автора в совместных публикацияхВ совместных публикациях автору принадлежит математическая постановка задач, алгоритмы расчёта течений несущего газа и примеси, программнаяреализация алгоритмов, результаты численного моделирования и их постпроцессорная обработка, участие в обсуждении и анализе результатов.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
