Диссертация (785882), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Сравнение результатов, полученных в OpenFOAM и CFXРис. 5.7. Распределение давления в ЩУ, полученное в OpenFOAMстой среды. Работа с пакетом POLLS состоит из нижеследующих этапов.1. Ввод данных по ЩУ в pollsGeom.m, вызов функции.2. Копирование файлов porosityProperties и blockMeshDict в папки ./constant/ и ./constant/polyMesh/ соответственно.3. Вызов команды blockMesh для генерации сетки.4.
Ввод граничных условий.5. Выполнение расчёта с помощью команды rhoPorousSimpleFoam.6. Обработка результатов в paraFoam.2305.2. Описание моделей уплотнений5.2.4. Организация связанных расчётовТрёхмерная конечно-элементная механическая модель малого сегмента щёточного уплотнения, представленная в разделе 3.5, реализована в коммерческом пакете ANSYS Mechanical.Структурированная расчётная сетка механической модели генерируется в пакете ICEM CFD. Используются трёхмерные конечные элементы SOLID185 и двумерные элементы SURF154.
Контактные взаимодействия между волокнами, валом и элементами обоймы уплотнения описываются с помощью специальных элементов CONTA173 и TARGE170,которые генерируются на соответствующих поверхностях каждой контактной пары. Нагрузка от давления задаётся с помощью команды sfe.Как отмечалось выше, механическая модель может использоватьсякак отдельно, так и в связанном ВГД-расчёте.
Организация связанного расчёта выполняется вручную или, при использовании инструментовфирмы ANSYS, в режиме MultiField (MFX). Общий алгоритм выполнения связанного расчёта показан на рис. 5.8.Основной сложностью при работе с нелинейной механической моделью является, наряду с высокими вычислительными затратами, определение всех возможных контактных пар в модели.(1) Генерация начальных сетокдля ВГД- и МКЭ-анализов(5) Выполнение МКЭ-расчёта(6) Учёт деформированныхволокон в ВГД-модели(2) Экспорт из МКЭ-моделиповерхностей для обменанагрузкой (файлы CDB)(7) Выполнение новогоВГД-расчёта(3) Выполнение начальногоВГД-расчётаИди к(4)(4) Экспорт нагрузки дляМКЭ-моделиРис. 5.8.
Общий алгоритм выполнения связанного расчёта2315.3. Анализ ВГД-моделей5.3. Анализ ВГД-моделейВ данном разделе приводится анализ влияния отдельных моделей,а также различных модельных и вычислительных параметров на результаты численного моделирования уплотнений методами ВГД.В качестве результатов используются значения расхода и так называемых локальных и глобальных динамических коэффициентов жёсткости. Локальные динамические коэффициенты определяются из локального распределения давления во внутренних камерах уплотнительных конфигураций SSS, SSB, BSS, BBB.
Глобальные динамические коэффициенты соответствуют полным силам, определяемым с использованием всей поверхности вала в уплотнении. Более подробно определение локальных и глобальных динамических коэффициентов уплотнениярассмотрено в разделе 5.5.5.3.1. Влияние расчётных сеток на результатыВ первую очередь приведён анализ использования структурированных расчётных сеток, построенных в пакете ICEM CFD, для моделирования ряда лабиринтных и щёточных уплотнений. Полученная информация о влиянии сетки на результаты расчёта используется при выборе параметров расчётных сеток при работе с другими конфигурациямиуплотнений.Трёхгребешковое лабиринтное уплотнение SSS-3Результаты анализа влияния расчётной сетки на динамические коэффициенты жёсткости, расход, закрутку потока и максимальное числоМаха показаны на рис.
5.9.Результаты приведены для короткого лабиринта SSS-3 при следующих рабочих параметрах: 0 = 4 бар, 0 = 136 м/с, = 750 об/мин, = 0.1 мм. Общее число узлов сетки варьировалось в пределах от1 миллиона до 16.3 миллионов. Прочие параметры модели оставалисьнеизменными.2325.3. Анализ ВГД-моделейРис. 5.9. Влияние сетки на результаты расчёта лабиринта SSS-3Полученные результаты демонстрируют практическую независимость значений расхода, закрутки потока и числа Маха от использованных расчётных сеток. Выполнение расчёта на самой грубой сеткеразмером около 1 миллиона узлов приводит к приемлемым результатам по расходу, закрутке и максимальной скорости с отличиями менее4% по сравнению с результатами, полученными на самой мелкой сеткеразмером около 16 миллионов узлов.Напротив, динамические коэффициенты жёсткости демонстрируют заметное непостоянство в значениях даже при сравнении относительно мелких сеток.
Разброс значений для коэффициентов жёсткости достигает 40%. Наибольшее отклонение имеет прямой коэффициентжёсткости. Из этого можно сделать вывод, что точное определение прямого коэффициента жёсткости уплотнения может быть связано с значительными трудностями.Значительная чувствительность значений прямого коэффициентажёсткости уплотнения к расчётной сетке может быть наглядно объяснена с помощью анализа распределения удельной радиальной силы вдоль канала уплотнения (см. раздел 7.2.1).При анализе чувствительности результатов выбор окончательнойсетки осуществляется путём нахождения компромисса между точностью расчёта и вычислительными затратами. В данном случае быливыбраны несколько сеток размером около 5 миллионов ячеек для дополнительного анализа влияния распределения узлов с целью определения2335.3.
Анализ ВГД-моделейнаиболее рациональной сетки, приводящей к результатам с наименьшимотклонением от результатов, получаемых на самой мелкой сетке размером 16.3 миллионов ячеек.В качестве окончательной расчётной сетки была выбрана сетка размером около 5.1 миллиона ячеек со следующими параметрами качества:наименьшее значение угла в ячейках 54.4∘ , наибольшее значение коэффициента расширения сетки 4, наибольшее значение соотношения сторон ячеек 95.Независимость решения от выбранной сетки было дополнительнопроверено для следующего набора рабочих параметров: 0 = 0.8 МПа,0 = 167 м/с. Отклонения от результатов, полученных на самой мелкой расчётной сетке для двух вариантов рабочих параметров, сведеныв табл.
5.3.Влияние сетки на расход, скорость закрутки на входе и локальныекоэффициенты жёсткости ℓ довольно мало для двух наборов рабочих параметров. За исключением расхода, выбранная сетка приводитк меньшим значениям для случая меньшего давления по сравнению ссамой мелкой сеткой. Для случая большего давления, значения лишьзакрутки и глобального прямого коэффициента жёсткости принимаютменьшие значения на выбранной сетке, значения остальных характеристики увеличены по сравнению с самой мелкой сеткой.Также было проведено исследование влияния расстояния от стенки до первого узла сетки (толщина элемента у стенки), результаты коТаблица 5.3. Отличия в результатах между базовой (5 млн.
узлов) исамой густой (16 млн. узлов) сетками (уплотнение SSS-3)0 = 0.4 МПа, 0 = 136 м/с˙[кг/с]00 = 0.8 МПа, 0 = 167 м/с1.4%1.3%[м/с]−0.8%−0.5%ℓ,[Н/мм]−3.7%2.0%ℓ,[Н/мм]−10.9%15.8%,[Н/мм]−13.1%−8.3%.[Н/мм]−4.5%11.6%2345.3. Анализ ВГД-моделейторого продемонстрировали в данном случае незначительный эффект.Значения + для выбранной сетки в 5.1 миллионов узлов лежат в пределах от 1 до 30 для случая меньшего давления и от 15 до 120 для случая большего давления. Такие диапазоны считаются допустимыми прииспользовании выбранной модели турбулентности SST вместе с опциейавтоматических пристеночных функций, имеющейся в пакете CFX.Узел BBB-1 с тремя щёточными уплотнениямиАнализ влияния расчётной сетки на результаты расчёта для узлаBBB-1, состоящего из трёх одинаковых щёточных уплотнений, выполнен для следующих рабочих параметров: 0 = 10 бар, 0 = 42 м/с, = 0.106 мм.На рис.
5.10 показаны отклонения в значениях расхода, закруткина входе, максимального числа Маха и динамических коэффициентовжёсткости от значений, полученных на самой густой сетке.В анализе использовались различные сетки размером от 3 миллионов до 13 миллионов ячеек.
Как и в случае с лабиринтным уплотнением,прямой коэффициент жёсткости демонстрирует наибольший разброс взначениях, разница которых по сравнению с самой густой сеткой доходит до 30% для локального прямого коэффициента жёсткости и до55% в случае глобального прямого коэффициента жёсткости. С другойстороны, локальная перекрёстная жёсткость практически не зависит отиспользуемой расчётной сетки. Разница в значениях расхода достигает−10% по сравнению с самой густой сеткой, что может быть связанно сиспользуемой моделью пористой среды.Значительные отличия в результатах для сеток размером около 5-6миллионов узлов (см. рис.
5.10) связаны с различной густотой в отдельных зонах расчётной области.Сетка размером в 5.5 миллионов ячеек с наименьшим отклонениемдля локального прямого коэффициента жёсткости была в итоге выбрана для основных расчётов. Исследование глобальных коэффициентовжёсткости не относилось в данном случае к задачам моделирования. Нарис. 5.11 показана окончательная сетка для уплотнения BBB-1.2355.3.
Анализ ВГД-моделейРис. 5.10. Влияние сетки на результаты моделирования ЩУ BBB-1ОтводВходВалРис. 5.11. Расчётная сетка узла с тремя щёточными уплотнениямиЩёточно-лабиринтное уплотнение SSBВлияние расчётной сетки на результаты расчёта для щёточно-лабиринтного уплотнения SSB-1, в котором щёточный пакет располагаетсяпозади двух гребешков, определено для следующих рабочих параметров: 0 = 4 бар, 0 = 150 м/с, = 750 об/мин, = 0.1 мм.На рис.
5.12 показаны отклонения в значениях расхода, закруткина входе и динамических коэффициентов жёсткости от значений, полученных на самой густой сетке. Локальный прямой коэффициент жёсткости для данного уплотнения принимает очень малые значения, близкие к нулю, поэтому отклонения для локального прямого коэффициентажёсткости не приведены на рис. 5.12.По сравнению с результатами для других уплотнений, представ-2365.3. Анализ ВГД-моделейРис. 5.12.
Влияние сетки на результаты моделирования узла SSB-1ленными выше, данное щёточно-лабиринтное уплотнение демонстрирует (за исключением локального прямого коэффициента жёсткости) довольно слабую зависимость решения от расчётной сетки. Это связано стем, что при выборе сеток для SSB-1 использовалась информация, полученная при анализе уплотнений SSS-1 и BBB-1.5.3.2. Влияние модельных параметров на решениеРезультаты анализа влияния размеров выходной области, а такжеальтернативной модели турбулентности на динамические коэффициенты лабиринтного уплотнения SSS-3 сведены в табл.
5.4.В стандартной модели уплотнения используется модель турбулентности SST, динамические коэффициенты жёсткости и демпфированияопределяются частотным методом круговой прецессии с использованием трёх частот: Ω = 0, ±78 рад/с. Результаты для стандартной моделиприведены в первой строке табл. 5.4.Влияние размера выходной областиРазличные исследования показали, что размеры входной и выходной областей вычислительных моделей лабиринтных уплотнений могутоказывать значительное влияние на расчётные аэродинамические силы,возникающие в каналах уплотнений (см., например, [218; 258]).В стандартных ВГД-моделях коротких лабиринтных и щёточно-2375.3.
Анализ ВГД-моделейТаблица 5.4. Влияние модельных параметров на динамические коэффициенты уплотнения SSS-3Глобальные коэффициенты,,[Н/мм],,[Н·с/мм]Локальные коэффициентыℓℓ[Н/мм]ℓℓ[Н·с/мм]Стандарт−87.2102.60.120.11 −42.776.20.090.1024−42.3103.00.120.07 −43.074.80.120.10−48.9101.00.080.08 −42.776.30.100.09−122.2109.60.020.03 −49.277.7−0.00−0.01 = =URANS RSMлабиринтных уплотнений, рассматриваемых в данной работе, геометрия входной области определена конфигурацией экспериментальногостенда. Поэтому в данном разделе рассматривается влияние лишь длины выходной области в осевом направлении.Базовая модель имеет смешанное условие на выходной границе изза зоны рециркуляции газа за последним дросселирующим устройством.Как отмечалось выше, использование такого граничного условия можетзамедлить или ухудшить сходимость численного решения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
