Численное моделирование течения вязкого газа в центробежной компрессорной ступени: методика и результаты

• Автор: Гамбургер, Дмитрий Михайлович
• Шифр специальности: 05.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 190 с. : ил.

Оглавление

Условные обозначения

Введение

1 Состояние вопроса и постановка задачи

1.1 История развития вычислительной гидрогазодинамики

1.2 Обзор численных методов гидрогазодинамики

1.2.1 Общие сведения о численных методах гидрогазодинамики

1.2.2 Моделирование турбулентных течений

1.3 Расчеты течения в турбокомпрессорах

1.4 Постановка задачи и выбор объектов исследования
2 Использованные экспериментальные данные
2.1 Объекты моделирования
2.1.1 Модельная ступень
2.1.2 Рабочее колесо 085/065
2.2 Методика экспериментального исследования
2.2.1 Экспериментальный стенд ЭЦК
2.2.2 Экспериментальный стенд ЭЦК-2М
2.2.3 Экспериментальный стенд ЦН
3 Методика численного исследования
3.1 Построение геометрической модели
3.2 Построение расчетной сетки
3.3 Задание граничных условий
3.4 Критерии сходимости расчета
3.5 Методики обработки и анализа результатов расчета
3.5.1 Методика расчета газодинамических характеристик
3.5.2 Методика расчета поверхностных скоростей по лопаткам
рабочего колеса
4 Отработка методики численного исследования
4.1 Переход из относительной в абсолютную систему координат
4.2 Выбор типа и количества элементов расчетной сетки
4.2.1 Исследование влияния геометрической формы элементов расчетной сетки на результаты расчета
4.2.2 Исследование влияния количества элементов расчетной сетки на результаты расчета
4.3 Выбор модели турбулентности
4.4 Учет шероховатости поверхности
5 Результаты численного исследования
5.1 Структура потока в проточной части рабочего колеса 085/065
5.2 Структура потока в проточной части ступени
5.3 Улучшение проточной части
Заключение
Литература

Условные обозначения
Э - диаметр
Ь — напор ступени или её элемента к - показатель адиабаты М - число Маха
М„ — условное число Маха, посчитанное по окружной скорости и2 т _ массовый расход п — показатель политропы р - давление
Р. - газовая постоянная; радиус г - радиус; радиальное направление;
11а - шероховатость поверхности (среднее арифметическое отклонение профиля)
Яе - число Рейнольдса
11еи - условное ЧИСЛО Рейнольдса по окружной скорости И2 Т — температура
и - окружная скорость; окружное направление у - относительная скорость потока — поверхностная скорость у+ - пристенная координата ъ — число лопаток
ал — угол между касательной к средней линии лопаток неподвижных элементов ступени и окружным направлением
Рл — угол между касательной к средней линии лопатки рабочего колеса и обратным окружным направлением
Эпр - коэффициент внутренних протечек Ртр - коэффициент дискового трения 5 - толщина лопатки

В статье [26] описывается успешный опыт использования программы РЬшУЪюп при проектировании проточной части турбины и компрессора для двигателей внутреннего сгорания. Расчетные проработки в программном комплексе РЬлуУЫоп новой модификации турбокомпрессора позволили сократить время и средства на ее корректировку и доводку и в кратчайшие сроки спроектировать и изготовить опытно-промышленные образцы.
Компания «ОгезБег-Капб» публикует свой опыт использования программ СБЭ при разработке и оптимизации проточных частей турбокомпрессоров [63]. Например, в [35], [57], [58] описывается опыт использования программы СББ при оптимизации бокового подвода центробежной компрессорной установки СПГ. Авторы работы провели расчеты течения в альтернативных конструкциях боковых подводов, которые позволили сделать вывод о преимуществах и недостатках каждого варианта. Однако для настройки методики расчетов были выполнены модельные испытания исходного варианта проточной части. Сравнение результатов, полученных численными методами, с результатами модельных испытаний показало «достаточно хорошее согласование этих данных». Этот вывод позволил заключить, что конструкция проточной части, оказавшаяся более эффективной в вычислительном эксперименте, будет таковой и при натурных испытаниях. Основной вывод авторов исследований: методы вычислительной гидрогазодинамики позволяют обнаруживать причины, вызывающие избыточные потери, и устранять их до стадии изготовления их в металле.
В статьях [2], [3] сотрудники ЗАО «НИИТурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» делятся опытом использования программного комплекса FlowVision при разработке рабочих колес центробежного компрессора. При сравнении картин течения и газодинамических характеристик различных вариантов формы РК, полученных в ходе расчетов, выбиралась оптимальная форма. Также результаты численного моделирования сопоставлялись с