Эксперт

Сергей

Задать вопрос

Мы готовы помочь Вам.

Течение называется нестационарным, если его параметры изменяются с течением времени. В прошлых работах течения были либо стационарными, либо их можно было принять таковыми без значительной потери точности. С другой стороны, существуют течения, для которых учёт нестационарности является важным. Например, это течения с переменным значением
массового расхода рабочего тела. В качестве примера можно рассмотреть течение через канал роторной щелевой матрицы регенеративного теплообменного аппарата газотурбинного двигателя. В начальный момент времени расход равен нулю, далее за некоторый промежуток времени он выходит на расчётное значение. В течение этого промежутка времени, очевидно, теплогидравлические свойства потока будут отличаться от расчётных, что повлечёт за собой некоторое изменение параметров устройства в целом.
Другой пример – течение в ступени турбомашины, включающей вращающиеся и неподвижные лопатки. Очевидно, что при движении вокруг оси вращения роторные лопатки будут изменять своё положение относительно неподвижных лопаток, то есть, в каждый последующий шаг времени геометрия проточной части будет немного изменяться. На ранних этапах
проектирования это обстоятельство можно учесть приближённо с помощью осреднений, либо проводя моделирование только для какого-то выбранного взаимного положения лопаток ротора и статора. На финальных же этапах имеет смысл учесть нестационарность потока полностью. Это значительно
усложняет задачу, так как появляется необходимость моделировать процесс на каждом шаге разбиения рассматриваемого временного промежутка. В производные, входящие в решаемые уравнения сохранения, добавляется частная производная по времени, что усложняет математическое описание задачи. Такой подход позволяет получить более достоверные результаты моделирования, физически более близкие к реальному процессу, но ценой
дополнительных затрат ресурсов и времени.
Методические и практические указания по выполнению работы
Для начала выполнения данной работы нужно получить файлы, содержащие заранее подготовленную расчётную сетку для исследуемой ступени турбины, а также описание граничных условий.
Моделирование течения производится в программе «ANSYS CFX».
После открытия программы нужно провести импорт полученной расчётной сетки. Следует обращать внимание на заданные единицы измерения длины, так как на данном этапе можно ошибиться с масштабом, и геометрия будет передана с размерами, не соответствующими действительности.
Для учёта зависимости вязкости газа от его температуры необходимо в библиотеке веществ задать продублировать воздух, подчиняющий законам идеального газа, а далее в его детальных настройках задать значение вязкости в виде выражения – полинома от температуры.
Расчёт задаётся нестационарным, рассматриваемый промежуток времени зависит от частоты вращения и от количества лопаток рабочего колеса:
𝑑𝜏 =
2𝜋
𝑧
𝜔
В данном выражении z – количество лопаток, ω – частота вращения рабочего колеса.
Далее необходимо описать расчётную область, для этого создаётся два расчётных домена: первый включает в себя межлопаточный канал соплового аппарата, второй – межлопаточный канал рабочего колеса. Для данной задачи число лопаток в лопаточных венцах подобрано таким образом, чтобы исключить необходимость использования расчётных сеток, включающих все лопатки каждого венца. Различие доменов заключается в том, что для домена, соответствующего межлопаточным каналам рабочего колеса, задаётся вращение всей расчётной области.
В доменах задаётся течение воздуха (выбрать нужно воздух с учётом
изменения вязкости), ссылочное давление задаётся равным 1 атм., течение выбирается турбулентным, модель турбулентности – SST. В данной задаче следует задаться течением с учётом теплообмена и с учётом влияния сжимаемости на теплообмен ввиду высоких скоростей течения (опция «Total Energy»).
Далее задаются граничные условия:
 на входе – полное давление газа, а также его температура;
 на выходе – осреднённое избыточное давление, равное нулю;
 на поверхностях лопаток, втулки и периферии – условия адиабатных стенок без проскальзывания потока, на поверхности, соответствующей корпусной части ротора, также следует включить опцию «Counter rotating wall» для того, чтобы принять её неподвижной. На поверхностях, ограничивающих вырезанные периодически повторяющиеся сегменты геометрии, задаются условия периодичности относительно оси вращения.
На поверхностях выхода из соплового аппарата и входа в рабочее колесо устанавливается интерфейс «Transient Rotor Stator».
В окне «Output Control» необходимо во вкладке «Transient Results»
включить сохранение файлов результатов в различные моменты времени рассматриваемого нестационарного процесса. По умолчанию будет сохранён только последний временной шаг, что не позволит оценить влияние нестационарности на течение.
Во время анализа результатов расчётов требуется определить на каждом временном шаге, а также осреднить по времени и включить в отчёт по лабораторной работе: коэффициент полезного действия исследуемой ступени, отношение полных давлений на входе и на выходе из ступени, значение массового расхода рабочего тела. Также на каждом временном шаге следует визуально определить наличие отрывов и вихревых зон в среднем по
относительной высоте лопатки сечении «Blade-to-Blade», включив визуализацию значений числа Маха и векторов скорости. Полученные картины распределения параметров также следует включить в отчёт.