Численное моделирование пористого охлаждения лопаток гибридного двигателя
ART 86404
Б.
Е. БайгалиевБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Байгалиев
Б.
Е.,
Тумаков
Е.
А.,
Фатхиева
Р.
А.,
Кошелев
Д.
В. Численное моделирование пористого охлаждения лопаток гибридного двигателя // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
1886–1890. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86404.htm.
Аннотация. Рассматриваются два метода моделирования пористого материала. На первом этапе расчётным путём получены расходные характеристики и, соответственно, вязкостные и инерционные коэффициенты для моделей пористых материалов, состоящих из сферических частиц. На основании этих данных выполнена оценка соответствия расходных характеристик для моделей пористых материалов, состоящих из сферических частиц произвольной засыпки и точно такой же по геометрическим размерам модели течения в соответствии с законом Дарси. Полученные данные были использованы для оценки диссипации энергии вследствие вязкостного трения при течении среды через пористое тело. В результате работы были сделаны следующие выводы. Во-первых, при отсутствии сведений о вязкостном и инерционном коэффициентах, определяющих расходную характеристику, данные коэффициенты с достаточной точностью можно получить расчётным путём в среде Ansys CFX для периодического фрагмента пористого тела. Во-вторых, наблюдается удовлетворительное согласование расходных характеристик для пористости γ ≥ 0,1601, полученных в среде Ansys CFX для периодических фрагментов пористых тел и модели течения в соответствии с законом Дарси.
Текст статьи
Байгалиев Борис Ергазович,д.т.н., профессор,Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Тумаков Евгений Алексеевич,Аспиран, Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Фатхиева Розалия Альбертовна,Студент, Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Кошелев Данис Вячеславович,Магистрант, Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Численное моделирование пористого охлаждения лопаток гибридного двигателя
Аннотация.Рассматриваются два метода моделирования пористого материала. На первом этапе расчётным путём получены расходные характеристики и, соответственно, вязкостные и инерционные коэффициенты для моделей пористых материалов, состоящих из сферических частиц. На основании этих данных выполнена оценка соответствия расходных характеристик для моделей пористых материалов, состоящей из сферических частиц произвольной засыпки и точно такой же по геометрическим размерам модели течения в соответствии с законом Дарси. Полученные данные были использованы для оценки диссипации энергии вследствие вязкостного трения при течении среды через пористое тело. В результате работы были сделаны следующие выводы. Вопервых, при отсутствии сведений о вязкостном и инерционном коэффициентах, определяющих расходную характеристику, данные коэффициенты с достаточной точностью можно получить расчётным путём в среде AnsysCFXдля периодического фрагмента пористого тела. Вовторых, наблюдается удовлетворительное согласование расходных характеристик для пористости γ≥ 0,1601, полученных в среде AnsysCFXдля периодических фрагментов пористых тел и модели течения в соответствии с закономДарси.Ключевые слова:Пористость, диссипация энергии, теплоноситель, закон Дарси, лопатки.
В настоящее время одной из проблем создания воздушнокосмического самолёта является разработка новых лопаток двигателя, способных переносить большие тепловые нагрузки в земных и космических условиях. В охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин используется заградительное воздушное охлаждение, которое осуществляется вдувном относительно холодного воздуха на наружную поверхность профиля лопатки через отверстия или щели в стенке лопатки («плёночное охлаждение»), а также изготовлением её из проницаемого (пористого) материала («пористое охлаждение»). Варианты выполнения плёночного охлаждения лопаток возможны, когда оболочка целиком [1 4] или отдельные её части изготавливаются в виде навитой проволоки или сплетённых сеток, —так называемый материал«металла резина». Поиск способов охлаждения лопаток газотурбинных установок привёл к идее изготовления их целиком из пористого материала. Охлаждаемая лопатка, содержащая полости для прохода охлаждающей среды, может быть полностью отформована из пористого материала, проволочные переплетения которого образованы упругопористым нетканым материалом «металла резина», изготовленным по любой известной технологии. Оценка эффективности охлаждения лопатки, полностью выполненной из пористого материала, в настоящейработе осуществлена численным моделированием такого способа её охлаждения. Численное моделирование основано на решении системы уравнений НавьеСтокса для модели турбулентной вязкости EddyViscosityTransportEquation, в которой модель пористости является одновременно обобщением уравнений НавьеСтокса и закона Дарси, используемого для потоков в пористой среде.В качестве элемента поверхности при организации пористого охлаждения используются структуры из системы трубок произвольного поперечного сечения, из волокон, сеток, слои одинаковых сфер, слои проволочных переплетений, «металлорезина»[1]За исключениемнетканого материала «металлорезина», который представляет собой случайным образом переплетённые проволочки, названные пористые структуры образованы периодическими элементами поверхности. Известно, что эффективность пористого охлаждения в значительной степени определяется расходной характеристикой (гидравлическим сопротивлением) применяемого материала, которая в свою очередь зависит от пористости, степени её равномерности, диаметра проволочек или диаметра сферических частиц.
Моделирование характеристик пористого материала может быть реализовано двумя способами. Первый из них предполагает полное геометрическое моделирование элемента периодической структуры пористой поверхности,второй
использование модели течения в соответствии с законом Дарси, которая имеется в большинстве расчётных программ по гидродинамике, например AnsysCFX[2]. Очевидно, что при моделировании пористой структуры по первому способу требуется выполнить её дискретизацию большим количеством мелких элементов. В этом случае качество дискретизации определяется наличием значительных мощностей вычислительной техники и, в большинстве случаев, не позволяет решить задачу в исходной геометрической постановке. Применение модели течения в соответствии с законом Дарси позволяет обойти это препятствие. Рассмотрению особенностей моделирования пористого материала для этих двух случаев посвящена настоящая работа.На первом этапе расчётным путем былиполучены расходные характеристики и,соответственно, вязкостные и инерционные коэффициенты для моделей пористых материалов, состоящих из сферических частиц. На основании этих данных была выполнена оценка соответствия расходных характеристик длямоделейпористых материалов, состоящих из сферических частиц произвольной засыпки и точно такой же по геометрическим размерам модели течения в соответствии с законом Дарси. Полученные таким образом данные затем были использованы для оценки диссипации энергии вследствие вязкостного трения при течении среды через пористоетело.В данной работе предпринята попытка оценки диссипации энергии вследствие вязкого трения и преобразования её в тепло, выражающаяся в изменении температуры среды при её прохождении через пористое тело. Для этой цели в моделях, образованных сферическими частицами, были выбраны 4 линии, соответствующие возможным траекториям течения среды в пористом теле. Данные линии приведены на рис. 7 и представляют собой траектории течения среды, которые могут прерываться материалом матрицы.
Полученные численными методами результаты моделирования пористого охлаждения позволяют сделать следующие выводы:1.При отсутствии сведений о вязкостном и инерционном коэффициентах, определяющих расходную характеристику, данные коэффициенты с достаточной точностью можно получить расчётным путём в среде AnsysCFXдля периодического фрагмента пористого тела.2.Наблюдается удовлетворительное согласование расходных характеристик в среде AnsysCFXдля периодических фрагментов пористых тел и модели течения в соответствии с законом Дарси.3.Величины вязкостного и инерционного коэффициентов, полученные расчётом в среде AnsysCFX, удовлетворительно согласуются с аналогичными величинами, вычисляемыми по формулам работы, для пористых тел, образованных сферическимичастицами.4.Диссипация энергии, вследствие вязкого трения при движении среды через пористое тело, незначительна и может не учитываться.
Ссылки на источники1.Пористые проницаемые материалы: Справочник / под ред. С.В. Белова. М.: Металлургия, 1987. 335с.2.ANSYS CFXSolver Theory Guide. Basic Solver Capability Theory. Governing Equations. Flow in Porous Media. Turbulence and Wall Function Theory. Eddy Viscosity TurbulenceModels.3.Байгалиев Б.Е., Тумаков А.Г., Кравцов А.В. Охлаждаемая лопатка. Патент на изобретение РФ № 2502875; опубл. 27.12.2013; бюл.№36.4.Байгалиев Б.Е., Тумаков А.Г. Разработка перспективных лопаток гибридного двигателя для воздушнокосмического самолета // Труды 47 чтений, посвящённых разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского. Секция № 2. «Проблемы ракетной и космической техники». Казань: Центр оперативной печати, 2013. С.4566.
Тумаков Евгений Алексеевич,Аспиран, Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Фатхиева Розалия Альбертовна,Студент, Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Кошелев Данис Вячеславович,Магистрант, Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Численное моделирование пористого охлаждения лопаток гибридного двигателя
Аннотация.Рассматриваются два метода моделирования пористого материала. На первом этапе расчётным путём получены расходные характеристики и, соответственно, вязкостные и инерционные коэффициенты для моделей пористых материалов, состоящих из сферических частиц. На основании этих данных выполнена оценка соответствия расходных характеристик для моделей пористых материалов, состоящей из сферических частиц произвольной засыпки и точно такой же по геометрическим размерам модели течения в соответствии с законом Дарси. Полученные данные были использованы для оценки диссипации энергии вследствие вязкостного трения при течении среды через пористое тело. В результате работы были сделаны следующие выводы. Вопервых, при отсутствии сведений о вязкостном и инерционном коэффициентах, определяющих расходную характеристику, данные коэффициенты с достаточной точностью можно получить расчётным путём в среде AnsysCFXдля периодического фрагмента пористого тела. Вовторых, наблюдается удовлетворительное согласование расходных характеристик для пористости γ≥ 0,1601, полученных в среде AnsysCFXдля периодических фрагментов пористых тел и модели течения в соответствии с закономДарси.Ключевые слова:Пористость, диссипация энергии, теплоноситель, закон Дарси, лопатки.
В настоящее время одной из проблем создания воздушнокосмического самолёта является разработка новых лопаток двигателя, способных переносить большие тепловые нагрузки в земных и космических условиях. В охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин используется заградительное воздушное охлаждение, которое осуществляется вдувном относительно холодного воздуха на наружную поверхность профиля лопатки через отверстия или щели в стенке лопатки («плёночное охлаждение»), а также изготовлением её из проницаемого (пористого) материала («пористое охлаждение»). Варианты выполнения плёночного охлаждения лопаток возможны, когда оболочка целиком [1 4] или отдельные её части изготавливаются в виде навитой проволоки или сплетённых сеток, —так называемый материал«металла резина». Поиск способов охлаждения лопаток газотурбинных установок привёл к идее изготовления их целиком из пористого материала. Охлаждаемая лопатка, содержащая полости для прохода охлаждающей среды, может быть полностью отформована из пористого материала, проволочные переплетения которого образованы упругопористым нетканым материалом «металла резина», изготовленным по любой известной технологии. Оценка эффективности охлаждения лопатки, полностью выполненной из пористого материала, в настоящейработе осуществлена численным моделированием такого способа её охлаждения. Численное моделирование основано на решении системы уравнений НавьеСтокса для модели турбулентной вязкости EddyViscosityTransportEquation, в которой модель пористости является одновременно обобщением уравнений НавьеСтокса и закона Дарси, используемого для потоков в пористой среде.В качестве элемента поверхности при организации пористого охлаждения используются структуры из системы трубок произвольного поперечного сечения, из волокон, сеток, слои одинаковых сфер, слои проволочных переплетений, «металлорезина»[1]За исключениемнетканого материала «металлорезина», который представляет собой случайным образом переплетённые проволочки, названные пористые структуры образованы периодическими элементами поверхности. Известно, что эффективность пористого охлаждения в значительной степени определяется расходной характеристикой (гидравлическим сопротивлением) применяемого материала, которая в свою очередь зависит от пористости, степени её равномерности, диаметра проволочек или диаметра сферических частиц.
Моделирование характеристик пористого материала может быть реализовано двумя способами. Первый из них предполагает полное геометрическое моделирование элемента периодической структуры пористой поверхности,второй
использование модели течения в соответствии с законом Дарси, которая имеется в большинстве расчётных программ по гидродинамике, например AnsysCFX[2]. Очевидно, что при моделировании пористой структуры по первому способу требуется выполнить её дискретизацию большим количеством мелких элементов. В этом случае качество дискретизации определяется наличием значительных мощностей вычислительной техники и, в большинстве случаев, не позволяет решить задачу в исходной геометрической постановке. Применение модели течения в соответствии с законом Дарси позволяет обойти это препятствие. Рассмотрению особенностей моделирования пористого материала для этих двух случаев посвящена настоящая работа.На первом этапе расчётным путем былиполучены расходные характеристики и,соответственно, вязкостные и инерционные коэффициенты для моделей пористых материалов, состоящих из сферических частиц. На основании этих данных была выполнена оценка соответствия расходных характеристик длямоделейпористых материалов, состоящих из сферических частиц произвольной засыпки и точно такой же по геометрическим размерам модели течения в соответствии с законом Дарси. Полученные таким образом данные затем были использованы для оценки диссипации энергии вследствие вязкостного трения при течении среды через пористоетело.В данной работе предпринята попытка оценки диссипации энергии вследствие вязкого трения и преобразования её в тепло, выражающаяся в изменении температуры среды при её прохождении через пористое тело. Для этой цели в моделях, образованных сферическими частицами, были выбраны 4 линии, соответствующие возможным траекториям течения среды в пористом теле. Данные линии приведены на рис. 7 и представляют собой траектории течения среды, которые могут прерываться материалом матрицы.
Полученные численными методами результаты моделирования пористого охлаждения позволяют сделать следующие выводы:1.При отсутствии сведений о вязкостном и инерционном коэффициентах, определяющих расходную характеристику, данные коэффициенты с достаточной точностью можно получить расчётным путём в среде AnsysCFXдля периодического фрагмента пористого тела.2.Наблюдается удовлетворительное согласование расходных характеристик в среде AnsysCFXдля периодических фрагментов пористых тел и модели течения в соответствии с законом Дарси.3.Величины вязкостного и инерционного коэффициентов, полученные расчётом в среде AnsysCFX, удовлетворительно согласуются с аналогичными величинами, вычисляемыми по формулам работы, для пористых тел, образованных сферическимичастицами.4.Диссипация энергии, вследствие вязкого трения при движении среды через пористое тело, незначительна и может не учитываться.
Ссылки на источники1.Пористые проницаемые материалы: Справочник / под ред. С.В. Белова. М.: Металлургия, 1987. 335с.2.ANSYS CFXSolver Theory Guide. Basic Solver Capability Theory. Governing Equations. Flow in Porous Media. Turbulence and Wall Function Theory. Eddy Viscosity TurbulenceModels.3.Байгалиев Б.Е., Тумаков А.Г., Кравцов А.В. Охлаждаемая лопатка. Патент на изобретение РФ № 2502875; опубл. 27.12.2013; бюл.№36.4.Байгалиев Б.Е., Тумаков А.Г. Разработка перспективных лопаток гибридного двигателя для воздушнокосмического самолета // Труды 47 чтений, посвящённых разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского. Секция № 2. «Проблемы ракетной и космической техники». Казань: Центр оперативной печати, 2013. С.4566.
