Математическое моделирование аэрогидродинамических процессов [1—10] имеет большое значение в разработке различных типов машиностроительных конструкций (компрессоров, наддувных двигателей внутреннего сгорания, турбогенераторов, турбин и др.) для повышения их мощности и улучшения эксплуатационных характеристик. При этом исследуется как распределение скоростей и давления в рабочем пространстве энергетической машины, так и временная эволюция данных показателей, поскольку математическое моделирование является определяющим при расчете оптимальных параметров проектируемых изделий с целью поиска наиболее приемлемого режима их функционирования.
Действительно, создание конкурентоспособной продукции в машиностроении невозможно без применения новых информационных технологий уже на этапе проектирования. Поэтому закономерным является внедрение в технологию разработки проекта энергетических машин современных компьютерных методов численного моделирования физических процессов, протекающих в них, составление виртуальных моделей работы энергетических машин, а также экспериментальное подтверждение результатов на натурных образцах с помощью цифровой измерительной техники. Численное моделирование таких процессов (в частности, аэрогидродинамических и др.) зачастую связано с большими вычислительными затратами и, как правило, реализуется посредством универсальных программных комплексов на компьютерах, имеющих достаточно высокие технические характеристики. К универсальным программным комплексам (пакетам программ) относятся те программные средства, которые разработаны для обеспечения возможности моделирования большого класса задач математической физики. С практической точки зрения интерес представляют в первую очередь методы численного решения таких задач. В связи с этим программные комплексы для моделирования реальных физических процессов подразделяются в основном по применяемым численным методам — это, как правило, метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ). Оба они используются при построении универсальных программных комплексов и обладают с точки зрения теоретических оценок точности примерно равными возможностями. В статье рассмотрен ряд прикладных задач вычислительной аэрогидродинамики, касающихся проектирования проточных частей некоторых изделий машиностроения — рабочих камер турбокомпрессора, технологического тракта (силосопровода, ускорителя выброса и измельчителя) кормоуборочного комбайна и гидротрансформатора. Результаты исследований, проведенных в рамках договора №ИМС104-03 по государственной программе импортозамещения и заданиям ПА1.1 и ПР1.1.02 научно-технической программы «Триада» Союзного государства, внедрены на Борисовском заводе агрегатов, в ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике (г. Гомель) и ОАО на «Амкодор».
Построение компьютерных моделей аэрогазодинамики проточных частей и турбины турбокомпрессора
Один из главных этапов решения любой задачи вычислительной аэрогидродинамики — генерация расчетных сеток на основе имеющихся файлов, содержащих соответствующие геометрические модели. В рассматриваемых далее случаях эта генерация производилась в модуле Рro*am программного комплекса STAR-CD [11, 12]. Обсуждение вопросов, касающихся методики построения расчетных сеток в STAR-CD, можно найти в литературе [1—3, 7, 11]. В результате были получены конечно-элементные сетки рабочей камеры и воздуховода турбокомпрессора с турбинами и без них, силосопровода, ускорителя выброса и измельчителя кормоуборочного комбайна, гидротрансформатора. Отметим, что для моделирования процессов вращения в рассматриваемых конструкциях были разработаны дополнительные расчетные сетки — так называемые подвижные или вращающиеся — в цилиндрической системе координат. По¬этому для ряда исследуемых конструкций потребовалось построение сеток в двух системах координат — декартовой и цилиндрической.
На рис. 1 приведены расчетные сетки рабочих камер турбокомпрессора ТКР9, использовавшиеся при моделировании воздушных и газовых потоков в его проточных частях [1, 4—7]. На начальном этапе, в частности, для проверки адекватности модели в пакете STAR-CD был произведен расчет процесса продувки рабочей камеры турбокомпрессора ТКР6.1 (без турбины) и воздуховода [5]. Рис. 2а иллюстрирует полученные результаты по распределению давлений после численного моделирования с помощью пакета STAR-CD. Начальная скорость на входной границе составляла 52 м/с; давление на выходной границе — 105 кПа. Эти расчеты сравнивались с результатами измерений давления на экспериментальном стенде в нескольких точках камеры — расхождение составило не более 5%, что является достаточно высоким показателем, особенно при учете неточностей в расположении точек съема давления в компьютерной модели и реальной конструкции [5].
Результаты численного моделирования воздушного потока внутри воздуховода компрессорной камеры турбокомпрессора ТКР6.1 представлены на рис. 2б: четко видно образование «застойной области» (воздуховорот) и ускорения потока (оранжевый цвет) на выходе из диффузорной трубы воздуховода [10]. Это говорит о необходимости изменения конструктивных параметров проектируемого изделия, в частности — сечения диффузорной трубы воздуховода.
Вторым этапом было моделирование процесса вращения ротора (турбины) внутри рабочей камеры на подвижных (вращающихся) сетках [6, 7]. При этом использовались следующие граничные условия: давление на входе — 160 кПа; давление на выходе — 100 кПа; частота вращения турбины — 90 000 об/мин. Результаты приведены на рис. 3. При этом входной границей считалась грань, ближайшая к наблюдателю на рис. 3а, выходной — верхняя грань модели, выделенная фиолетовым цветом. Частота вращения задавалась на границе, показанной оранжевым на том же рисунке. В качестве вращаемой среды рассматривалось слаботурбулентное течение воздушных потоков. При анализе расчетов было замечено резкое падение давления в областях, соответствующих переходу течения к сверхзвуковой скорости, и резкое его увеличение в районе ударной волны [4—6]. Таким образом, полученные данные дали основание рассматривать ударные волны, образующиеся при переходе скорости течения через звуковую границу, как возможную (если не наиболее вероятную) причину поломки лопаток турбины и разрушения конструкции. Поэтому дальнейшие аналитические и численные исследования ударных волн в турбокомпрессорах имеют смысл, так как могут помочь предотвратить разрушение лопаток турбины, а также повысить к.п.д. турбомашин.
В целом результаты компьютерного моделирования позволили выявить:
• наличие попятных движений и зон замкнутых линий воздушных потоков, приводящих к снижению к.п.д. компрессора;
• присутствие трансзвуковых течений вокруг турбины, обусловливающих возникновение ударных волн, из чего была сформулирована необходимость корректировки корпусов турбины и компрессора.
При отработке методик моделирования газодинамических процессов в корпусе турбины (рабочей камере) серийного турбокомпрессора ТКР6.1, выпускаемого на Борисовском заводе агрегатов, с использованием программного комплекса STAR-CD удалось существенно улучшить показатели ТКР6.1 по эффективности работы и в составе двигателя УП «ММЗ» Д245.7 выйти на уровень ЕВРО-2 (турбокомпрессор ТКР6.1 был применен взамен турбокомпрессора С14 фирмы «TURBO», Чехия; объем замещаемого импорта турбокомпрессора С14 составил 1000 шт./месяц).
Компьютерное моделирование и нелинейный анализ воздействия воздушного потока на технологическую массу в рабочих элементах кормоуборочного комбайна
Приведем результаты основных этапов компьютерного моделирования движения воздушных потоков и технологической массы по рабочему тракту кормоуборочного комбайна КВК-800 [3, 8, 9], спроектированного в ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике (г. Гомель). На рис. 4, 5 изображены расчетные сетки проточных частей силосопровода, ускорителя выброса и измельчителя КВК-800. С использованием уравнений аэродинамики и аэромеханики [13, 14], современных вычислительных методов и программных средств [12] решались следующие основные задачи: расчет распределений полей давлений и скоростей в каждом из указанных механизмов технологического тракта комбайна, возникающих при продувке пустых конструкций, камер с заторможенным ротором, а также при вращении турбин с заданной скоростью, соответствующей одному из реальных режимов работы кормоуборочной машины; компьютерное моделирование движения двухфазной сплошной среды, а также твердых частиц в воздушных потоках с целью выявления условий прохождения технологической массы по технологическому тракту. Некоторые из полученных результатов представлены на рис. 6—8.
На фрагменте рис. 6,а видно завихрение воздушного потока при входе в трубу силосопровода, приводящее к снижению пропускной способности технологического тракта КВК-800. После изменения конструкции проточной части, то есть выходной границы силосопровода, данная проблема была решена (рис. 6б). Рис. 6в иллюстрирует выявленный в результате вычислительных экспериментов эффект самофокусировки технологической массы на верхней стенке криволинейной трубы с усовершенствованной границей выхода — силосопровода с уточненной конфигурацией. Полученная картина хорошо согласуется с натурным экспериментом, что является необходимым условием для качественной выгрузки силосной массы из комбайна.
Специалисты ОИПИ НАН Беларуи провели сложнейшие вычислительные эксперименты по моделированию движения твердых частиц в воздушных потоках на вращающихся сетках внутри измельчителя и ускорителя выброса [9] (на международной конференции «STAR-2008» в Нижнем Новгороде отмечалось, что подобные эксперименты на территории СНГ ранее не осуществлялись). На рис. 7 изображено расположение твердых частиц, увлекаемых воздушным потоком, в некоторый момент времени. Рис. 8 показывает результаты моделирования движения воздуха совместно с тяжелой фазой, представляющей технологическую массу, при вращающемся роторе измельчителя и иллюстрирует распределение тяжелой фазы в некоторый момент времени в терминах массовых долей для величины 0.1 [9]. Осуществить такое численное моделирование оказалось возможным только с использованием суперкомпьютера СКИФ-К1000. Оно позволило определить:
• области нежелательных вихревых течений воздушных потоков в конфузорной части силосопровода и ускорителя выброса комбайна, в связи с чем были выданы рекомендации по корректировке геометрических форм;
• траектории движения частиц технологической массы в воздушном потоке и оптимальное соотношение скоростей частиц и воздушного потока;
• эффект самофокусировки пучка движущихся твердых частиц в воздушном потоке вблизи верхней стенки силосо¬провода при оптимальном соотношении скоростей частиц и воздушного потока.
Эти рекомендации были учтены специалистами ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике при доработке модели КВК-800 кормоуборочного комбайна «Полесье-800».
Компьютерное моделирование гидродинамических процессов в проточных частях гидротрансмиссионных систем
Специалистами ОИПИ было осуществлено численное моделирование в пакете STAR-CD (как в стационарном, так и в переходном режимах) гидродинамических потоков [3], возникающих в процессе вращения колес гидротрансформатора ТГД-340А (в интересах ОАО «Амкодор»). Сложность задачи проектирования гидротрансформаторов заключается в том, что требуемые характеристики (к.п.д., коэффициент трансмиссии крутящего момента, энергоемкость) имеют жесткую зависимость от формы и расположения криволинейных поверхностей колес гидротрансформатора, подбор которых осуществляется очень затратным экспериментальным путем.
Расчетная подвижная сетка, использовавшаяся при моделировании вращения колес гидротрансформатора, изображена на рис. 9. На начальном этапе моделирования, в частности для проверки работоспособности сетки, в пакете STAR-CD был произведен расчет режима вращения всех четырех колес гидротрансформатора в одну сторону с одинаковой скоростью [3] (рис. 10).
Следующим этапом стало компьютерное моделирование процесса вращения одного из реакторных колес. Полученные картины распределения полей скоростей и температур представлены на рис. 11. Была проведена серия вычислительных экспериментов по оценке влияния температуры жидкости (в данном случае — трансмиссионного масла) на характер распределения поля скоростей течения жидкости, что позволило выявить:
• детальную картину гидродинамических течений вблизи лопаток вращающегося реакторного и насосного колес гидротрансформатора;
• влияние температуры гидротрансмиссионного масла, разогретого в процессе эксплуатации агрегата, на к.п.д. гидротрансформатора.
На основе этих результатов была разработана методика оценивания к.п.д. гидротрансформатора, исходя из данных распределения рассчитанных полей скоростей и давлений вблизи реакторного и насосного колес гидротрансформатора, для специалистов ОАО «Амкодор».
Создание сегодня конкурентоспособной продукции в машиностроении невозможно без применения новых информационных технологий на этапе проектирования. Представленное описание использования в технологии проектирования изделий машиностроения современных компьютерных методик численного моделирования аэрогидродинамических процессов, протекающих в проточных частях машиностроительных конструкций, составление виртуальных моделей работы этих изделий на основе программного комплекса STAR-CD позволяет обнаруживать нежелательные явления, возникающие в процессе их функционирования. Дальнейшее совершенствование программных комплексов вычислительной аэрогидродинамики видится в развитии нелинейных методов анализа аэрогидродинамических процессов [15].
Таким образом, преобладавшие ранее громоздкие энергоресурсоемкие натурные испытательные стенды в некоторых случаях могут быть с успехом заменены методиками виртуальных экспериментов (в частности, методикой вычислительной аэрогидродинамики) с использованием современных информационных технологий.