WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Рис. 4. Потери в проточном тракте гидротурбины на разных режимах работы В пункте 4.1.4 рассчитано стационарное течение воды с помощью уравнений Эйлера во всем проточном тракте ГЭС Платановрисси в приближении замороженного колеса. В этом приближении положение колеса фиксируется относительно лопаток направляющего аппарата и отыскивается стационарное решение во всем проточном тракте. Вся область течения была разбита на 63 сегмента, общее количество ячеек сетки при этом составляло более одного миллиона. Показана окружная неравномерность течения при обтекании статорных колонн спиральной камеры и лопаток направляющего аппарата. В пункте 4.1.5 с помощью уравнений Эйлера рассчитывается течение воды в проточном тракте ГЭС Платановрисси, но уже в полной нестационарной постановке. Были рассмотрены три интересных режима работы гидротурбины Платановрисси: частичной загрузки, оптимального КПД и номинальной мощности. В радиально-осевой гидротурбине в режиме неполной загрузки за рабочим колесом возникает прецессирующий вихревой жгут. В расчете, так же как и в эксперименте получена эта прецессия (рис. 5). Для того чтобы исследовать влияние прецессии, были проанализированы пульсации давления в неподвижных точках 1, 2, 3. Показано, что прецессия вихря влияет на поле течения в колесе и даже выше по потоку. Однако, это влияние уменьшается вдали от вихря.

Рис. 5. Вихревой жгут в отсасывающей трубе при режиме неполной загрузки: a) – расчет, b) – эксперимент В пункте 4.1.6 проведено моделирование вихревого жгута в коническом диффузоре и отсасывающей трубе методом крупных вихрей. В коническом диффузоре проводился расчет течения также в приближении RNG k - модели турбулентности, при этом наблюдалось стационарное осесимметричное течение с рециркуляционными зонами течений в осевом направлении.

В §4.2 излагаются результаты моделирования течений в поворотнолопастной гидротурбине. В пункте 4.2.1 был проведен расчет течения во всем проточном тракте Волжской ГЭС в приближении замороженного колеса и уравнений Эйлера. Показано, что окружная неравномерность, значительная перед направляющим аппаратом, на выходе из него практи чески отсутствует, это свидетельствуют о высокой степени достоверности предположения о цикличности течений в межлопастных каналах даже при небольшом числе лопастей. Проведено сравнение распределений p cr cz cu давления и цилиндрических составляющих скорости, и, полученных в циклической постановке и приближении замороженного колеса, отличия не превосходят доли процента. Сделан вывод, что расчеты течений в циклической постановке для многих режимов течений дают результаты с вполне приемлемой точностью и при этом требуют очень маленьких затрат вычислительных ресурсов. В пункте 4.2.2 исследуется влияние протекания жидкости с рабочей на тыльную сторону лопасти через тонкий зазор в окрестности внешней ее кромки и корпуса, а также между внутренней кромкой и втулкой рабочего колеса поворотнолопастной гидротурбины ПЛ587а. Исследование проведено путем сравнения параметров течений, рассчитанных в приближении циклической модели в направляющем аппарате и рабочем колесе с учетом перетекания жидкости через зазор и без него. При расчетах применялись две модели несжимаемой жидкости: уравнения Эйлера и уравнения Рейнольдса со стандартной k - моделью турбулентности. Оказалось, что влияние зазоров на интегральные характеристики течения независимо от используемых моделей и сеток составляет от 0,5% до 2%. Установлена локальная область пониженного давления за тыльной стороной лопасти, наличие которой свидетельствует о том, что протекание жидкости через зазор инициирует образование вихря.

В §4.3 проведены расчеты течений в проточной части одной ступени питательного насоса, используемого на ТЭЦ, при различных режимах его работы. В приближении уравнений Эйлера были рассчитаны течения при n фиксированной частоте вращения рабочего колеса, равной об/мин, и объемах подач (расходах) Q, изменяющихся от 40 до 200 м3/ч.

Проанализирована структура потока, показано, что используемые в упрощенных моделях допущения о том, что поверхности тока являются поверхностями вращения, не выполняются.

Глава 5 посвящена алгоритмам оптимизации форм лопастей гидротурбин. В § 5.1 излагаются постановка задачи оптимизации и схема ее решения (рис. 6).

Рис. 6. Схема процесса оптимизации В § 5.2 обсуждается «относительная» параметризация срединной поверхности лопасти бикубической функцией с 16-ю свободными параметрами, позволяющая гибко варьировать форму лопасти. В § 5.3 рассматриваются ограничения, которые ставились при оптимизации: ограничение на напор в рабочем колесе и кавитационное ограничение. Использование ограничения на напор гарантирует выполнение заданного режима работы колеса. Ограничение по кавитации ставилось в следующем виде:

Scav 0,15, (8) Ssuc где Scav - площадь зоны на тыльной поверхности лопасти с давлением p, меньшим давления насыщенного пара.

В § 5.4 обсуждается важный вопрос формулировки целевых функционалов, в приближении уравнений Эйлера косвенно учитывающих потери энергии в проточном тракте через улучшение кинематических свойств потока. Это соответствует максимизации КПД на заданном режиме работы. Функционал F1 определяется как кинетическая энергия в выходном сечении рабочего колеса. Выбор этой величины основывается на том, что наибольшая эффективность работы гидротурбины достигается в том случае, когда поток покидает рабочее колесо с минимальной кинетической энергией, которая считается потерянной. Функционал F2 есть относительный размер области кавитации. Функционал F3 - отклонение линий тока от «осесимметричного» потока F3 = (1- ()cos)dS, (9) S S где S - площадь поверхности лопасти, - угол между предельной линией тока и линией тока осесимметричного потока, а весовая функция имеет вид 1, < /2, = (10) ( ), /2.

Такой выбор функционала основан на представлении, что более качественной является та лопасть, на поверхности которой предельные линии тока близки к линиям тока «осесимметричного» потока. Его минимизация позволяет также выполнить одно из основных требований к лопастной системе - отсутствие угла атаки при обтекании лопасти (совпадение линии растекания жидкости с линией входной кромки лопасти).

В § 5.5 описаны использовавшиеся в диссертации алгоритмы решения задачи оптимизации, проведено их методическое исследование. В пункте 5.5.1 сформулирована постановка задачи оптимизации:

найти min F x, x = x1,...,xN X (11) ( ) ( ) при ограничениях X = x : xL,i xi xR,i, (12) { } x 0, j =1,...,m, (13) ( ) j k x 0, k = m +1,...,Q, (14) ( ) x где – вектор параметров, определяющих геометрию лопасти, F - целевой функционал, (12) – фазовые, (13) – гидродинамические, и (14) – геометрические ограничения. В пункте 5.5.2 рассматривается детерминированный алгоритм решения поставленной оптимизационной задачи ПОИСК. В пункте 5.5.3 описывается, так называемый, генетический алгоритм поиска экстремума BGA, в основу которого положена теория естественного отбора Дарвина, согласно которой популяция индивидуумов меняется в течение нескольких поколений путем рекомбинации (скрещивания) и мутации отдельных индивидуумов, подчиняясь при этом законам естественного или искусственного отбора относительно предписанного критерия. Применительно к проектированию лопасти рабочего колеса гидротурбины, индивидуумом является рабочее колесо с лопастью какой-то конкретной формы или набор параметров x = x1,...,xN, опреде( ) ляющих эту лопасть. В пункте 5.5.4 проведен сравнительный анализ обоих алгоритмов решения оптимизационной задачи, показавший, что хоть число оптимизационных шагов, необходимых для нахождения минимума функционала у алгоритма ПОИСК в большинстве случаев меньше, чем у BGA, последний более применим к задаче оптимизации лопасти. Так при сложном виде целевого функционала он с большей вероятностью осуществляет поиск глобального минимума.

В § 5.6 анализируются результаты оптимизационных расчетов радиально-осевого рабочего колеса гидротурбины Братской ГЭС. Минимизация функционала F1 при ограничениях на напор и область кавитации дала уменьшение кинетической энергии потока в выходном сечении в полтора раза. В результате минимизации функционала F2 площадь зоны кавитации уменьшилась с 5% до 1% от площади всей тыльной поверхности лопасти. При минимизации функционала F3 удалось полностью устранить перетекание жидкости с рабочей стороны на тыльную в окрестности входной кромки и тем самым обеспечить нулевой угол атаки и снизить ударные потери в рабочем колесе (рис. 7-8).

а) б) в) Рис. 7. Линии тока на рабочей стороне лопасти: a) - начальная, б) - оптимальная при 0 =1, в) - оптимальная при 0 = а) б) в) Рис. 8. Линии тока в окрестности входной кромки: a) - начальная, б) - оптимальная при 0 =1, в) - оптимальная при 0 =10, 1 – линия пересечения срединной поверхности и входной кромки лопасти, 2 - линия растекания В §5.7 предлагается генетический алгоритм многоцелевой оптимизации, при которой одновременно минимизируются несколько целевых функционалов. Вследствие того, что минимизируемые функционалы независимы, не существует одного решения, дающего минимум сразу всех целевых функционалов. Решением такой задачи является целое семейство точек, называемое фронтом Парето. Каждая точка фронта Парето является оптимальной в том смысле, что путем ее возмущения невозможно улучшить какой-либо целевой функционал без ухудшения остальных. В предлагаемом алгоритме поиск фронта Парето основывается на понятии ранга индивидуума, характеризующем его расстояние до фронта Парето.

Возможности построенного алгоритма получать качественные решения продемонстрирована на ряде тестовых задач с числом варьируемых переменных от 2 до 30 и двумя или тремя целевыми функционалами.

В § 5.8 алгоритм применяется для многоцелевой оптимизации формы лопасти РК Братской ГЭС. Как и в случае одноцелевой оптимизации, расчеты течения в межлопастном канале рабочего колеса проводятся в рамках уравнений Эйлера. В качестве целевых функционалов рассматриваются кинетическая энергия на выходе из РК, размер области кавитации, отклонение потока в межлопастном канале от «осесимметричного» потока. Приводятся результаты оптимизации лопасти по двум и трем функционалам, показывающие работоспособность предложенного алгоритма многоцелевой оптимизации.

В заключении сформулированы основные результата диссертации, выносимые на защиту. Они приведены в начале автореферата.

Список основных публикаций по теме диссертации монография 1. Черный С.Г., Чирков Д.В., Лапин В.Н., Скороспелов В.А., Шаров С.В.

Численное моделирование течений в турбомашинах – Новосибирск:

Наука, 2006.

публикации в изданиях, рекомендованных ВАК для представления результатов докторских диссертаций 2. Лобарева И.Ф., Черный С.Г., Чирков Д.В., Скороспелов В.А., Турук П.А. Многоцелевая оптимизация формы лопасти гидротурбины // Вычислительные технологии – 2006 – Т. 11, № 5 – С. 63-75.

3. Лобарева И.Ф., Скороспелов В.А., Турук П.А., Черный С.Г., Чирков Д.В. Об одном подходе к оптимизации формы лопасти гидротурбины // Вычислительные технологии – 2005 – Т. 10, № 6, – С. 52-73.

4. Кузьминов А.В., Лапин В.Н., Черный С.Г. Метод расчета турбулентных течений несжимаемой жидкости на основе двухслойной k-e - модели // Вычислительные технологии – 2001 – Т. 6, № 5, – С. 73-86.

5. Черный С. Г., Шашкин П.А., Грязин Ю.А. Численное моделирование пространственных турбулентных течений несжимаемой жидкости на основе k-e моделей // Вычислительные технологии – 1999 – Т.4, № 2 – С. 74-94.

6. Медведев А.А., Трусова Н.Н., Черный С.Г., Шаров С.В. Численное моделирование процесса отбора проб аэрозоля во входную трубку пробоотборника из воздушного потока // Журнал прикладной механики и технической физики – 1999 – Т. 40, №5, – С. 113-122.

7. Медведев А.А., Трусова Н.Н., Черный С.Г., Шаров С.В. Численное исследование аспирации аэрозольных частиц из потока в щелевой пробоотборник // Оптика атмосферы и океана – 1999 – Т. 12, №6, – С. 562-564.

8. Медведев А.А., Трусова Н.Н., Черный С.Г., Шаров С.В. Численное исследование аспирации аэрозольных частиц в тонкостенную трубку, ориентированную под прямым углом к потоку // Оптика атмосферы и океана – 1998, – Т. 11, № 9, – С. 1026-1030.

9. Грязин Ю.А., Черный С.Г., Шаров С.В., Шашкин П.А. Об одном методе численного решения трехмерных задач динамики несжимаемой жидкости // Доклады академии наук – 1997 – Т. 353, № 4 – С. 478-483.

10. Шаров С.В., Черный С.Г., Окулов В.Л., Грязин Ю.А. Выбор граничных условий в выходном сечении трубы при расчете закрученных течений // Теплофизика и аэромеханика – 1997 – Т.4, № 3, – С. 347-350.

публикации в международных рецензируемых журналах 11. Лапин В.Н., Черный С.Г., Чирков Д.В., Скороспелов В.А., Турук П.А.

Моделирование турбулентного течения в проточном тракте радиаль но-осевой гидротурбины // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modeling – – V. 21, № 5 (в печати).

12. Cherny S. Chirkov D., Lapin V., Lobareva I., Sharov S., Skorospelov V.

3D Euler flow simulation in hydro turbines: unsteady analysis and automatic design // Springer Series: Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design – 2006 – V. 93, – P. 33-51.

13. Комар И.Ф., Лапин В.Н., Скороспелов В.А., Черный С.Г., Чирков Д.В., Шаров С.В. Проблемы моделирования течений в турбомашинах // Вестник КазНУ, серия математика, механика, информатика, – 2005 – № 2, – С. 27-52.

14. Cherny S.G., Sharov S.V., Skorospelov V.A., Turuk P.A. Methods for three-dimensional flows computation in hydraulic turbines // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modeling – 2003 – V. 18, № 2, – P. 87-104.

15. Kovenya V., Cherny S., Sharov S., Karamyshev V., Lebedev A. On some approaches to solve CFD problems // Computers&Fluids, – 2001 – V. 30 – P. 903-916.

16. Karamyshev V.B., Kovenya V.M., Cherny S.G. Convergence acceleration in implicit methods for CFD problems // Computational Fluid Dynamics Journal – 1997 – V. 6, №2, – P. 157-166.

публикации в трудах международных конференций 17. Cherny S.G., Chirkov D.V., Lapin V.N., Sharov S.V., Skorospelov V.A., Pylev I.M. Unsteady flow computation in hydro turbines using Euler equations // Turbomachines: Aeroelasticity, Aeroacoustics, and Unsteady Aerodynamics. Edited by V.A. Skibin, V.E. Saren, N.M. Savin, S.M.

Frolov – TORUS PRESS Ltd. – 2006 – P. 356-369.

18. Skorospelov V.A., Turuk P.A., Aulchenko S.M., Latypov A.F., Nikulichev Yu.V., Lapin V.N., Chirkov D.V., Cherny S.G. Solution of the 3D optimization problem of the aerohydrodynamic shape of turbine components // Proceedings of XII-th International Conference on the Methods of Aerophysical Research, Novosibirsk, 28 June - 3 July – 2004 – V. 2, p. 172177.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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