Эксперт

Сергей

Задать вопрос

Мы готовы помочь Вам.

Теоретическая часть данной работы аналогична оной из предыдущей ввиду схожести поставленных в них задач. Важное отличие этой работы описано в конце этого раздела.
После того, как построена трёхмерная геометрия ступени турбомашины, несмотря на результаты расчётов по одномерным методикам, необходимо проверить, обеспечивает ли в действительности построенная ступень необходимые значения массового расхода рабочего тела, перепада давления, коэффициента полезного действия и так далее. Ввиду того, что течение в турбомашинах имеет сложный трёхмерный характер, одномерные методики носят оценочный характер. При этом даже в случае совпадения тех или иных параметров ступени, полученных при расчёте в одномерной и в трёхмерной методиках, недостатком одномерных является невозможность анализа течения внутри исследуемого объёма. Использование же трёхмерных методик позволяет найти параметры потока в любой точке проточной
части ступени турбомашины. То есть, в случае, когда, например, эффективность ступени не удовлетворяет требованиям, при использовании трёхмерных методик гораздо выше вероятность нахождения ответа на вопрос: почему так вышло?
Для получения близкой к реальной картины течения нужно провести моделирование в трёхмерной постановке с учётом сжимаемости рабочего тела, его вязкости, а также с моделированием турбулентных явлений. На первых этапах возможно некоторое упрощение постановки задачи в целях
уменьшения времени получения результатов. Например, можно использовать более простую модель турбулентности и упрощённую расчётную сетку (рис.1), при этом значение массового расхода будет в большинстве случаев определяться достаточно точно. При этом не придётся ждать окончания максимально точного расчёта, по результатам которого будут сделаны ровно те же выводы, что и по результатам упрощённого. Рисунок 1 Упрощение расчётной сетки
С другой стороны, при оптимизации ступени по эффективности важно более точное моделирование течения в пристеночных зонах, позволяющее предсказать отрывы пограничного слоя от стенок, ведущие к образованию вихревых течений и, как следствие, возникновению дополнительных гидравлических потерь. В этом случае, очевидно, необходимо максимальное разрешение пограничного слоя, то есть, следует иметь достаточно мелкую
сетку в пристеночной зоне, и её упрощение радикально снизит точность моделирования.
В данной работе отдельно рассматривается течение в рабочем колесе компрессора. Во многих случаях бывает полезно рассмотреть отдельно составляющие ступени турбомашины. Это позволяет значительно упростить задачу моделирования течения, что приведёт к более быстрому получению результатов. Очевидно, что допущение в виде отсутствия остальных элементов ступени может сказаться на получаемых результатах, но здесь речь и не идёт о том, что полученные результаты будут совпадать с результатами,
полученными при моделировании течения в полной ступени. Речь о том, что в такой постановке возможно провести оптимизацию рабочего колеса в первом приближении без необходимости построения расчётной сетки лопаточного диффузора и без увеличения времени расчёта, связанного с появлением
дополнительной расчётной области.
Важное отличие данной работы заключается в том, что для моделирования течения в ступени центробежного компрессора и, в частности, в рабочем колесе в большинстве случаев не подходит вариант, в котором сразу задаются граничные условия, соответствующие номинальному режиму работы ступени. Высокие градиенты давления могут при небольшом расходе рабочего тела, принимаемом решателем на начальных итерациях расчёта, не
дают развиться течению, ступень компрессора попадает в зону неустойчивых режимов работы, которые не могут быть смоделированы в стационарной постановке, поэтому в большинстве случаев расчёт не будет сходиться.
Чтобы избежать этой проблемы, необходимо проводить плавный выход на номинальный режим работы, то есть, сначала проводить расчёта на очень маленьких перепадах давления в ступени, иногда – при сниженной частоте вращения. После того, как решение такой задачи будет найдено, полученные результаты должны быть использованы в качестве начального решения для следующего шага расчёта, в котором перепад давления увеличивается на некоторый шаг. Величина этого шага подбирается экспериментально. Такой подход позволяет, во-первых, получить сошедшееся решение
для работы ступени компрессора на номинальном режиме, во-вторых, позволяет по промежуточным результатам построить левую ветку характеристики ступени компрессора.
Методические и практические указания по выполнению работы
Для начала выполнения данной работы нужно получить файл, содержащий заранее подготовленную расчётную сетку, созданную для исследуемого рабочего колеса ступени центробежного компрессора. Также необходимо получить граничные условия для расчёта течения потока.
Моделирование течения газа выполняется в программе «Fine/Turbo», анализ результатов – в программе «CFView».
Течение газа считается установившимся, то есть расчётное моделирование выполняется в стационарной постановке.
Для поиска отрывных зон в данном случае наиболее правильно использовать модель турбулентности «Shear Stress Transport».
В данном случае в рамках учебной работы и в целях сокращения времени, требующегося для получения результатов расчётов, можно в некоторой степени пожертвовать точностью и использовать упрощённую расчётную сетку («1-1-1»). Но следует иметь в виду, что для получения более близкого к реальности результата следует проводить расчёт на сетке без упрощений («0-0-0»).
В качестве начального решения первого шага расчёта выбирается оценочное значение статического давления на входе в расчётную область.
Для последующих расчётных шагов в качестве начального решения используются файлы результатов предыдущих расчётов.
Во время анализа результатов расчётов требуется для номинального режима работы определить и включить в отчёт по лабораторной работе: коэффициент полезного действия рабочего колеса, отношение полных давлений на входе и на выходе из ступени, значение массового расхода рабочего тела и крутящий момент. Также следует визуально определить наличие отрывов и вихревых зон в среднем по относительной высоте лопатки сечении «Bladeto-Blade», включив визуализацию значений числа Маха и векторов скорости. Полученные картины распределения параметров также следует включить в отчёт. Помимо этого, по промежуточным результатам расчётов следует построить график зависимости значения степени повышения полного давления от величины массового расхода рабочего тела.