книги / Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном комплексе Пермского национального исследовательского политехнического университета

Уравнения (21.1)–(21.10) описывают движение парогазовой смесиприлюбыхчислахМаха(до-, транс-, сверхзвуковыетечения).

Для расчета были заданы граничные условия (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Граничные условия: 1 – вход горячих газов; 2 – вход воздуха; 3 – вход воды; 4 – выход ; 5 – стенка ; 6 – плоскость симметрии

Начальные условия следующие: температура T |t =0 = 293 K ; концентрация Y |t=0 = 0 ; давление P |t =0 = 0,1МПа; скорость V |t =0 = 0 .

Для описания граничных условий используются следую-

231

5. Стенка. Для несущей фазы условие «логарифмический закон»

для несомой фазы условие «упругий отскок»

V гр = Vn гр +Vτ гр ; Vn гр = −Vn гр ; Vτ гр = Vτ гр .

По результатам вычислительных экспериментов разработан комплекс инженерных методик по расчету нестационарных газогидродинамических рабочих процессов в канале переменного сечения газохода при отводе и охлаждении горячих газов энергетических установок.

1.Инженерная методика выбора количества и расположения форсунок при построении твердотельной модели газохода переменного сечения позволяет дать рекомендации по построению твердотельной модели, определить количество и расположение форсунок в поясах газохода и снизить потребные временные и вычислительные ресурсы при подготовке и проведении вычислительных экспериментов. По результатам исследований можно определить объем заполнения сечения газохода потоками воды при изменении количества и расположения форсунок

впоясе газохода.

2.Инженерная методика проведения вычислительного эксперимента по оценке параметров нестационарных газогидродинамических процессов в канале переменного сечения газохо-

да позволяет сформировать алгоритм выполнения расчетов и обеспечить пошаговый контроль за ходом вычислительного эксперимента. Инженерная методика включает в себя в качестве научно-технического решения для использования на предприятиях разработанную программу для ЭВМ «Поток2» [3], которая зарегистрирована Роспатентом. Программа представляет собой базу данных и является удобным инструментом для ана-

232

лиза результатов вычислительных экспериментов по оценке газогидродинамических параметров потока в канале газохода. Предусмотрена возможность анализа результатов с помощью анимации, которая показывает изменение параметров и в пространстве, и во времени.

3. Инженерная методика обеспечения допустимых режимов работы газохода включает в себя построение многопараметрической области допустимой работы газохода. При построении области были выбраны критерии оценки работы газохода. В качестве ограничения по параметрам процесса и критериями достижения требуемого режима работы газохода является температура потока на выходе из газохода T ' и вблизи стенки T '' (по техническим и экологическим требованиям их относительные значения не должны превышать 0,133 и 0,205 соответственно). Относительное значение температуры поступления горячего газа T '= 1,

где T '= T , T – температура поступления горячих газов,

Тmax

Тmax – максимальная температура горячих газов. При темпера-

туре T '< 0,133 происходит конденсация парогазового потока, в котором присутствуют вредные компоненты и появляется возможность их улова; уменьшение объема парогазового потока, что значительно снижает силовые нагрузки на конструкцию газохода; обеспечивается более эффективная работа газоочистительного оборудования по дальнейшей технологической цепочке.

При температуре потока вблизи стенки выше допустимых значений ( T ''> 0,205) возникает техническая опасность, которая связана с прогаром стенок газохода и дальнейшим его разрушением. Техническая опасность может быть связана с наличием волновых процессов в канале газохода, возникающих при продвижении горячего газа по проточному тракту, активно взаимодействующего с воздухом и водой.

Вычислительные эксперименты проводились с одновременной подачей воды и горячих газов в различных соотношени-

233

ях их массовых секундных расходов. Рассмотрено влияние расходных характеристик газохода на нестационарный рабочий процесс в канале установки. Выявлены количественные зависимости между ростом массового секундного расхода воды и снижением значений температуры и скорости потока на выходе из газохода. Задавались коэффициенты ki – соотношение расходов воды и горячего газа. С увеличением массовой скорости горячих газов от 39 кг/с м2 до 178 кг/с м2 (при ki = const) средняя скорость потока на выходе из газохода увеличивается в 2 раза. При постоянной массовой скорости горячих газов скорость потока на выходе из газохода увеличивается при уменьшении массового секундного расхода воды. При постоянной массовой скорости горячих газов температура потока на выходе из газохода уменьшается при увеличении массового секундного расхода воды. Данные вычислительных экспериментов применялись для дальнейшего определения областей допустимой работы газохода и формирования инженерных методик.

Инженерная методика обеспечения допустимых режимов работы газохода предполагает построение многопараметрической области допустимой работы газохода (рис. 21.3).

Область включает в себя: I – рабочую , в данной области значение относительной температуры на выходе из газохода T ' не превышает допустимых значений ( T '< [T ']); II – нерабочую,

в данной области значение относительной температуры T ' превышает допустимые ( T '> [T ']), при этом область II содержит

в себе область III; III – нерабочую, температура потока вблизи стенки T '' превышает допустимую ( T ''> T[ ''); IV – нерабочую,

при ki > 10 возможно повышение давления в канале газохода больше допустимого ( P '> [P ']).

Область показывает границы изменения параметров настроек работы газохода при условии достижения требуемых режимов работы по температуре на выходе и вблизи стенки газохода при работе с крупногабаритными техническими установками при заданной температуре потока горячего газа навходев газоход.

234

ных значениях ki и массовой скорости горячего газа. Это дает

возможность, во-первых, определять температурные условия работы стенки газохода; во-вторых, в случае нежестких ограничений по температуре на выходе из газохода появляется возможность назначить режимы работы газохода исходя из условия T ''< T[ ''; в-третьих, производить обоснованный выбор датчиков,

размещаемых в канале газохода.

Инженерная методика определения настроек газохода позволяет получить данные по распределению минимального расхода воды для каждого пояса nп и каждой секции nс при совме-

стной работе газохода и энергетических установок с различными расходными характеристиками (рис. 21.6). Распределение воды рассчитано из условия неизменности суммарной площади отверстий форсунок по поясам и секциям газохода. Кроме того, методика позволяет дать практические рекомендации по настройке задвижек системы подачи воды в газожидкостный эжектор, обеспечивающий при работе газохода температуру потока на выходе из газохода, не превышающую допустимых значений T '< [T ']= 0,133, и температуру потока вблизи стенки газохода

не выше T ''< T[ '']= 0, 20.

Построена номограмма, которая позволяет применить постоянные настройки газохода по впрыску воды по поясам и секциям при проведении серии работ с энергетическими установ-

Рис. 21.6. Распределение минимального расхода воды по поясам и по секциям газохода для mг.г = 78 кг/с м2

237

ками, имеющими различные массовые скорости горячего газа mг.г (рис. 21.7). При этом значение температуры потока на вы-

ходе из газохода для всех энергетических установок не будет превышать допустимое. На рис. 21.7 линия АВ характеризует диапазон для работы с ЭУ, массовая скорость горячего газа которых изменяется от 104 до 178 кг/с м2.

Рис. 21.7. Зависимость массовой скорости горячего газа от общего расхода воды (при 3, 25 < ki < 10 )

Таким образом, комплекс инженерных методик связывает между собой следующие параметры энергетических установок, газохода и системы подачи воды: массовую скорость подачи горячего газа mг.г , массовый секундный расход воды mв∑ , их соот-

ношение ki , температуру потока на выходе T ' и вблизи стенки

газохода T ''.

Разработанный комплекс инженерных методик позволяет:

–проводить оценку газодинамических параметров нестационарного потока в газоходах переменного сечения;

–осуществлять обоснованный выбор количества и расположения форсунок при построении твердотельной модели канала газохода переменного сечения;

238

–выявить допустимые области работы газоходов;

–определять минимальное значение соотношения массового секундного расхода воды и горячего газа для достижения требуемого режима работы газохода;

–определять температуру потока вблизи стенки газохода

ив его выходном сечении;

–сформулировать практические рекомендации по настройке задвижек системы подачи воды в газожидкостной эжектор при проведении серии работ с энергетическими установками, имеющими различные массовые скорости подачи горячего газа.

3.Выявлены волновые процессы в канале газохода при взаимодействии высокоскоростного высокотемпературного потока горячего газа с эжектируемым воздухом и потоками воды.

4.Выявлены области повышенного давления и плотности потока в свободном объеме газохода на этапе запуска ЭУ. Показано, что при исследуемых расходных характеристиках горячего газа и воды это не может приводить к повреждениям материальной части газохода.

5.Полученные графические зависимости изменения значений температуры потока по длине канала переменного сечения газохода для различных удалений точек замера от стенки конструкции позволяют:

–оценить температурное воздействие потока горячих газов на конструкцию газохода при работе энергетических установок;

–дать практические рекомендации по подбору датчиков давления и температуры системы измерения и регистрации для физического моделирования работы газохода.

Список литературы

1. Основы промышленной технологии утилизации крупногабаритных твердотопливных зарядов = Fundamentals of in-

dustrial technology for utilization of large-sized solid rocket fuels /

Л. В. Забелин [и др.]. – М .: Недра, 2004. – 225 с.

239

2. Козлова А.В., Модорский В.Я., Поник А.Н. Моделирование процессов охлаждения в канале переменного сечения газохода // Известия вузов. Авиационная техника. – 2010. – № 4. –

С. 23–26.

3.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программный комплекс «Распределение параметров газогидродинамического потока в канале переменного сечения газохода «Поток2» / В.Я. Модорский, А.М. Першин,

А.В. Козлова. – № 2010614281 от 01.07.2010 г.

4.FlowVision. Версия 2.4.1. Руководство пользователя [Электронный ресурс] / ООО «ТЕСИС». – М., 2008. – URL: http:

//www.flowvision.ru/ (дата обращения 01.11.2010).

5. Wilcox D. C. Turbulence Modeling for CFD. – La Canada: DCW Industries, Inc., 1998. – 522 p.

240