WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

2. Наиболее простым для использования является последовательноодномерный метод. Однако при его применении осуществляется жесткая привязка математической модели к схеме проточной части и, таким образом, переход к форсажным камерам с другими конструктивными особенностями сопряжен с необходимостью перестройки всей математической модели.

3. Сетевой метод, также как и последовательно-одномерный, требует привязки математической модели к схеме проточной части форсажных камер.

4. Струйный метод позволяет получить лишь качественную оценку гидравлических характеристик форсажных камер; такие важные особенности течения, как подвод тепла, учитываются недостаточно точно.

5. Ни один из рассмотренных методов не дает возможности создать оперативный, достаточно гибкий и универсальный инструмент моделирования форсажных камер ВРД различных схем. Соответственно, не представляется возможным в течение ограниченного срока выполнить сравнительный анализ нескольких вариантов узла для выбора наилучшего в соответствии с требованиями технического задания.

Проведенный анализ в области газодинамического моделирования и проектирования форсажных камер ВРД выявил необходимость и актуальность поиска новых методов, создания новых эффективных инструментов в этой области.

В заключение первой главы сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе для решения задач газодинамического анализа (проектирования) форсажных камер сгорания ВРД предлагается использовать модульный метод, заключающийся в том, что форсажная камера рассматривается как совокупность типовых элементов (модулей), каждый из которых выполняет определенные функции.

В форсажной камере сгорания ТРДДФ выделяются следующие основные модули: смеситель, диффузор, разделитель, воспламенитель, система топливных коллекторов, решетка стабилизаторов, жаровая труба (собственно камера), теплозащитный экран, канал смесителя, канал тракта охлаждения и др.

При решении задач проектирования форсажной камеры из имеющихся модулей составляется модель для расчета (рис. 2). Математическая модель камеры формируется в виде совокупности моделей её отдельных элементов (модулей). В качестве моделей элементов используются одномерные соотношения, в том числе, полученные в результате обобщения результатов экспериментов. Система нелинейных алгебраических уравнений, образующих математическую модель, решается методом Ньютона.

Рисунок 2 – Принципиальная схема модели форсажной камеры для этапа формирования облика 1 – смеситель, 2 – диффузор, 3 – воспламенитель, 4 – система топливных коллекторов, 5 – решетка стабилизаторов, 6 – камера.

На основе вышеизложенного сформулированы следующие основные принципы использования модульного метода для моделирования форсажных камер ТРДДФ:

1. Форсажная камера рассматривается как совокупность типовых элементов, модулей, каждый из которых выполняет определенные функции.

2. Каждый модуль имеет свою математическую модель.

3. Деление форсажной камеры на модули может проводиться по функциональному, конструктивному или процессионному принципу.

4. Различают модули:

• с фиксированной математической моделью без условий выбора (модули первого типа);

• с разветвленной математической моделью, имеющей условия выбора (модули второго типа);

• со смешанной структурой; ветвления позволяют уточнять алгоритмы расчета локальных переменных.

5. Формируется библиотека базовых модулей с учетом задач этапа проектирования.

6. Библиотека модулей является открытой, то есть их количество неограничено.

7. Для решения задач моделирования форсажных камер из имеющихся в библиотеке модулей создается расчетная модель, в которой модули соединяются между собой специальными связями в соответствии с движением рабочего тела (газа, воздуха) по тракту форсажной камеры; через эти связи передаются параметры потока (расход, давление, температура и т.д.).

8. Математическая модель камеры формируется в виде совокупности математических моделей отдельных модулей.

Предложенный модульный метод, по сравнению с известными методами моделирования, обладает большей гибкостью и универсальностью, так как позволяет:

1. Моделировать форсажные камеры сгорания различных схем и детализации, используя пополняемую библиотеку модулей. При этом переход от одной схемы к другой не требует изменения математических моделей модулей.

Достаточно собрать новую расчетную схему из элементов имеющегося набора, при необходимости дополнив его.

2. Для анализа в рамках дополнительных дисциплин необходимо расширить библиотеку набором соответствующих модулей.

3. Использовать для каждого модуля различные математические модели.

4. Создавать гибкие и «открытые» системы моделирования форсажных камер (т.е. развиваемые за счет ввода и новых модулей, и новых математических моделей для каждого модуля).

5. Решать задачи начальных стадий разработки форсажных камер, такие как формирование облика и детальный расчет, используя одну и ту же рабочую среду с помощью соответствующих библиотек модулей.

Далее в главе рассмотрены математические модели отдельных модулей. В качестве основы математических моделей используются одномерные соотношения, базирующиеся на законах сохранения массы, энергии, импульса, уравнении состояния газа. Часть моделей сформированы на основе обобщения экспериментальных и эксплуатационных данных по разработанным форсажным камерам.

В третьей главе представлена разработка двухуровневой многодисциплинарной системы моделирования форсажных камер ВРД – «Afterburner». Рассмотрены информационные модели элементов.

Разработка выполнена в компьютерной среде САМСТО (Синтез и Анализ Моделей Сложных Технических Объектов), позволяющей создавать системы моделирования любого технического объекта, если известна совокупность уравнений, описывающих его поведение.

Рабочий процесс форсажных камер представляет собой достаточно сложную совокупность элементарных процессов, взаимно влияющих друг на друга, что диктует необходимость объединения в одной системе нескольких научных дисциплин, то есть создания многодисциплинарной системы.

Основные принципы, на которых строятся такие системы моделирования, заключаются в следующем.

1. Использование единого численного метода решения задач различных дисциплин; то есть система имеет общее ядро, на базе которого решаются задачи анализа различных аспектов проектируемого (исследуемого) объекта.

2. Использование единого метода дискретизации исследуемого объекта, т.е.

для различных дисциплин используются единый подход к формированию библиотеки модулей.

3. Пре- и постпроцессор системы организован в единую среду, имеющую интуитивно понятный интерфейс.

4. Использование единого стандарта обмена данными внутри системы, т.е.

наличие внутренних (для системы) каналов передачи информации из блока анализа одной дисциплины в блок другой.

5. Обеспечение возможности проведения итерационных расчетов с участием блоков различных дисциплин, в рамках единой среды моделирования.

Можно выделить три уровня проектирования, соответствующих определенным этапам создания форсажных камер: формирование облика, детальное проектирование, разработка окончательного варианта.

Концепция создания программного комплекса «Afterburner» подразумевает его интеграцию с системами пространственного моделирования для реализации следующего (третьего) уровня проектирования.

Программный комплекс «Afterburner» предназначен для решения следующих задач:

1. формирование облика форсажной камеры, 2. детальный расчет, 3. оптимизация геометрии элементов проточной части камеры, 4. оптимизация распределения топлива в окружном и радиальном направлениях, 5. расчетное определение области устойчивой работы.

Подсистема «Формирован ия облика» Подсистема «Детальный расчет» Рисунок 3 – Структура процесса проектирования форсажных камер Программный комплекс «Afterburner», состоит из двух подсистем:

«Формирование облика» (1 уровень) и «Детальный расчет» (2 уровень) для газодинамического и теплового анализа форсажных камер ТРДДФ.

Основной задачей подсистемы формирования облика является определение основных геометрических параметров форсажной камеры, выбор базовых схемных решений и предварительная оценка параметров технического совершенства.

Перечень решаемых задач для системы детального расчета гораздо шире, а требования к точности результатов существенно выше. На данном этапе осуществляется:

• газодинамический анализ элементов проточной части с использованием одномерных и квазидвумерных моделей;

• оптимизация геометрии смесителя с целью увеличения полноты сгорания;

• расчет распределения топлива по коллекторам с последующим расчетом распределения топлива по сечению камеры;

• расчет полноты сгорания с учетом имеющегося распределения топлива;

• оптимизация распределения топлива с целью получения требуемой полноты сгорания;

• анализ теплового состояния стенок (экранов, корпуса, кожуха);

• оптимизация геометрии тракта охлаждения и тепловых экранов с целью достижения возможно меньших температур корпуса и экранов;

• расчет диапазона устойчивой работы форсажной камеры;

• расчет антивибрационных экранов;

• расчетная оценка параметров пускового воспламенителя;

• уточненная оценка габаритно-массовых характеристик.

Для более наглядной демонстрации роли разрабатываемой системы в структуре процесса проектирования форсажных камер, рассмотрим IDEF диаграмму (рис. 3). Программный комплекс «Afterburner» обеспечивает потребность в инструментах газодинамического и теплового анализа форсажных камер на всех этапах предварительного проектирования. При определенной доработке системы возможно решение задач напряженно-деформированного состояния узлов форсажных камер, в том числе и перфорированных экранов.

При разработке программного комплекса «Afterburner» определенное внимание уделяется организации взаимодействия между подсистемами на уровне детального анализа и системами трехмерного моделирования процессов в форсажных камерах.

Библиотека модулей для уровня формирования облика состоит из следующих элементов: диффузор с плавной образующей, диффузор с внезапным расширением, смеситель кольцевой, смеситель лепестковый, топливные коллекторы (3 вида), система стабилизаторов (3 вида), воспламенитель, жаровая труба.

Руководствуясь схемой форсажной камеры, из модулей библиотеки собирают расчетную модель (пример приведен на рис. 4). Связь между модулями обеспечивается «газодинамическим» информационным потоком, через который передаются газодинамические и геометрические параметры.

Рисунок 4 – Пример расчетной модели форсажной камеры в подсистеме “Формирование облика” Подсистема детального расчета обеспечивает квазидвухмерный газодинамический расчет течения рабочего тела в смесителе, фронтовом устройстве и жаровой трубе, одномерный расчет течения охлаждающего воздуха в канале тракта охлаждения и анализ теплового состояния стенок корпуса и жаровой трубы. По рассчитанным распределениям газодинамических параметров с учетом распределения топлива по основным зонам возможно определение области устойчивой работы форсажной камеры.

Библиотека основных элементов этой подсистемы отличается от библиотеки подсистемы «Формирование облика» как набором элементов, так и используемыми математическими моделями (рис. 5).

Рисунок 5 – Библиотека элементов подсистемы “Детальный расчет (газодинамика и тепловое состояние)” Рисунок 6 – Информационная модель элемента «Теплозащитный экран» Структура связей конкретного элемента с другими элементами модели представлена информационной моделью. В качествен примера, приведена такая модель для модуля «Теплозащитный экран» (рис.6). Модуль обеспечивает анализ взаимодействия потоков в жаровой трубе и тракте охлаждения в зоне участка, снабженного перфорированным экраном, а также анализ температурного состояния стенок экрана и корпуса. Каждому «входу» и «выходу» модели соответствует определенный набор параметров.

В связи с широким спектром задач, решаемых при разработке форсажных камер, в системе предусмотрена возможность решения как прямых (проектировочных), так и обратных (поверочных) задач.

Хотя подсистема детального расчета, по своей сути, решает поверочные задачи, она вполне может быть использована и для решения проектировочных задач. Например, подбор величин загромождений проточной части тракта охлаждения креплениями экранов, определение доли воздуха на охлаждения экранов жаровой трубы, с целью ее минимизации, с учетом обеспечения требуемых температур экранов и необходимого расхода на охлаждение реактивного сопла.

В четвертой главе проанализировано использование программных комплексов 3D моделирования при разработке форсажных камер ВРД и проведено исследование возможности уточнения одномерных эмпирических моделей с их помощью. В системе ANSYS CFX проведен расчет трех диффузоров (изоградиентного, конического, с цилиндрической и конической обечайками).

Погрешность расчетов коэффициента восстановления полного давления при сравнении с экспериментом была в пределах 1…6%, причем с ростом скорости потока величина погрешности растет. Распределение давлений и скоростей в проточной части соответствует основным закономерностям рабочего процесса в форсажной камере.

Для оценки точности одномерных моделей был проведен расчет этих диффузоров; погрешность при анализе коэффициента восстановления полного составила в среднем 3,5%.

Для диффузора с внутренней конической и наружной цилиндрической оболочкой было проведено уточнение одномерной модели по данным трехмерного расчета. После уточнения предлагается рассчитывать коэффициент гидравлических потерь по формуле 2 0,01 2 1 0,66sin tg1,25kb 1- 1 1- + (tg ) 1- + + =, (1) пр Д 3D n k n k n k пр Д a Д a Д a k 8sin a где ka – коэффициент, равный отношению суммарного коэффициента потерь, рассчитанного по базовой методике, к среднему по диапазону скоростей коэффициенту полученному из 3D расчета; kb – коэффициент, полученный в результате решения уравнения (1) при известном ka; пр – приведенный угол раскрытия диффузора; nд – степень расширения диффузора; - угол поворота потока.

При этом предполагалось, что доля слагаемых, оценивающих потери полного давления на трение и поворот, остается постоянной, а слагаемое, соответствующее потерям на расширение, необходимо уточнить. Результаты уточнения приведены на графике (рис 7).

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»