Стародубцев Юрій Володимирович. Математичне моделювання турбулентної в'язкої течії у вхідних відсіках турбомашин

brief description

Стародубцев Юрій Володимирович. Математичне моделювання турбулентної в'язкої течії у вхідних відсіках турбомашин: дис... канд. техн. наук: 05.05.16 / Національний технічний ун-т "Харківський політехнічний ін-т". - Х, 2004.

Стародубцев Ю.В. Математичне моделювання турбулентної в’язкої течії у вхідних відсіках турбомашин Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.16 турбомашини та турбоустановки. Національний технічний університет Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2004.
Дисертаційна робота присвячена розробці метода розрахунку в’язких турбулентних течій через вхідні відсіки турбомашин для оцінки і підвищення ефективності роботи вхідних відсіків. Уперше створено програмний комплекс для розв’язання осереднених рівнянь Нав’є-Стокса з застосуванням ниткового” розщеплення розрахункового методу, який дозволяє ефективно розпаралелити обчислення у довільних сіткових областях на багатопроцесорних обчислювальних системах. Для розрахунків застосовано сучасну неявну різницеву схему 2-го порядку з факторизацією у просторі. Для моделювання турбулентних ефектів застосовано диференціальні моделі турбулентності Ментера і Спаларта-Аллмараса. Виконано тестування розробленого методу на модельних і промислових задачах. Розвинуто секторний підхід до моделювання в’язкої турбулентної течії у вхідному відсіку турбіни. Чисельно вирішено задачу про тривимірну турбулентну течію через вхідний відсік потужної турбіни, складений з патрубка і каналів підключеного ступеня. Одержано задовільний збіг чисельних результатів з експериментальними даними проф. І.Г.Гоголєва для вхідного відсіку одноступеневої газової турбіни. Вказано і апробовано напрям пошуку оптимальної форми меридіонального обводу входу в 1-ий ступень. На прикладі потужної парової турбіни одержано підвищення ККД вхідного відсіку.

Дисертаційна робота пов’язана з рішенням науково-практичної задачі створення обчислювальної моделі відсіку турбомашини, дослідження аеродинаміки відсіку і зазначення способу раціонального проектування підведень робочого тіла до першого ступеня осьової турбіни з метою аеродинамічного удосконалення вхідного відсіку турбомашини.
Найбільш важливі наукові і практичні результати роботи:

На підставі огляду показано актуальність задачі удосконалення вхідного відсіку чисельними методами на основі осереднених тривимірних рівнянь Нав’є-Стокса.
Огляд чисельних методів для рівнянь Нав’є-Стокса показує доцільність застосування алгоритму Біма-Уормінга, різницевої схеми М.Я.Іванова, модифікації С.В.Єршова на основі ENO-реконструкції газодинамічних параметрів в комірках.
Огляд моделей турбулентності в рамках підходу Бусінеска вказує на перевагумоделі Ментера перед відомими моделями турбулентності для більшості течій, другою по якості моделювання є модель Спаларта Алмараса.
Вперше запропонована економічна «ниткова» організація методу на неструктурованих гексаедральних сітках у довільних областях, що дозволяє з високою ефективністю розпаралелити обчислювальний метод.
На тестових прикладах показана ефективність розробленого програмного комплексу в широкому діапазоні режимів для областей із складною геометрією меж і розвинутими відривами.
Розроблено секторний підхід до моделювання в’язкої течії у вхідному відсіку турбіни, показано спільність підходу до рішення задач про течію в’язкого газу через пристрої із складною різномасштабною геометрією.
На основі секторного підходу створено чисельну модель вхідного відсіку, обгрунтовано розміщення поверхонь інтерфейсу між секціями відсіку, процедуру обміну даними між патрубком і ступенем, запропоновано метод автоматичної адаптації кутових розмірів секторів до аеродинамічних умов в області інтерфейсу.
Вперше чисельно розв’язано задачу про тривимірну турбулентну течію через вхідній відсік парової турбіни, складений з вхідного патрубка і підключеного ступеня; виявлено високий рівень втрат кінетичної енергії на вхідній поворотній ділянці перед СА, а також його істотний вплив на втрати безпосередньо в каналі СА.
При тестуванні секторного підходу одержано задовільну відповідність чисельних результатів експериментальним даним І.Г.Гоголева (БІТМ) для вхідного відсіку одноступеневої газової турбіни.
Досліджено вплив геометрії вхідної ділянки соплового апарату на роботу 1-ого ступеня парової турбіни; проаналізовано залежність ККД ступеня від кутів натікання течії при різних конфігураціях вхідної ділянки; вивчено механізм дії форми меридіонального обводу вхідної радіально-осьової ділянки СА на втрати в проточній частині ступеня.
Вказано і апробовано напрям пошуку оптимальної форми меридіонального обводу входу в 1-ий ступінь; шляхом пошуку раціональної форми одержано варіант відсіку із зниженням рівня втрат в середньому на 1.9%, і підвищенням ККД на.
Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи мають теоретичне і практичне значення при розробці і модернізації турбомашин і впроваджені на кафедрі «Турбінобудування» НТУ «ХПІ» при виконанні субпідрядних робіт по модернізації турбіни 109-33.5 фірми «General Electric», в ВАТ «Сумське НВО ім. Фрунзе» в розрахунках проточної частини турбодетандера, в держпідприємстві «НВК ГТ «Зоря-Машпроект» в розрахунках проточної частини вихлопів ГТД, ГПА, ГТЕ.