Моделирование течения в диффузорном канале с турбулизаторами

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

-------------------? ?-----------------------
У роботі приведено результати дослідження впливу турбулізаторів на інтенсивність процесу перемішування у примежовому шарі у дифузорному каналі, з метою оцінки впливу турбулізаторів на ідеальний процес перемішування, шляхом чисельного моделювання течії з наступним порівнянням результатів чисельного і фізичного експерименту
Ключові слова: дифузорний канал, турбулі-затор, примежовий шар
?----------------------------------?
В работе приведены результаты исследования влияния турбулизаторов на интенсивность процесса перемешивания в пограничном слое в диффузорном канале, с целью оценки влияния турбулизаторов на идеальный процесс перемешивания, путем численного моделирования течения с последующим сравнением результатов численного и физического эксперимента Ключевые слова: диффузорный канал, тур-булизатор, пограничный слой -------------------? ?-----------------------
1. Введение
Отрыв потока — одно из наиболее сложных явлений, сопровождающих течение в компрессоре. Появление отрыва приводит к резким изменениям параметров потока и требует больших затрат энергии для компенсации потерь энергии. При отрыве потока могут развиваться такие опасные явления как потеря газодинамической устойчивости, помпаж.
Известно много работ, посвященных исследованию различных типов течений с присутствующим в них отрывом потока [1 — 2]. Как известно, отрыва потока можно избежать, применяя различные виды воздействия на поток [1 — 9]. Одним из таких методов является принудительная турбулизация потока.
Принудительная турбулизация потока в каналах турбомашин позволяет интенсифицировать энергообмен как внутри пограничного слоя, так и между пограничным слоем и основным потоком, с целью повышения устойчивости к отрыву пограничного слоя (повышения эффективности работы турбомашин).
Для создания турбулизации потока в каналах формируют выступы или устанавливают турбулизато-ры (генераторы вихрей) различных геометрических форм. Турбулизатор образует вихри, которые взаимодействуют с пограничным слоем, обтекающим поверхность, смешивая пограничный слой с внешним потоком, который обладает большей энергией. Таким образом, уменьшается толщина и повышается энергия пограничного слоя, что позволяет задержать, контролировать, а иногда и предотвратить срыв пограничного слоя с поверхности.
2. Постановка задачи
В данной работе ставится задача расчетного исследования влияния турбулизаторов на интенсивность
3н|…
УДК 629.7. 035. 03−036. 34
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ДИФФУЗОРНОМ КАНАЛЕ С ТУРБУЛИЗАТОРАМИ
Ю. М. Терещенко
Доктор технических наук, профессор* Е. В. Дорошен ко
Кандидат технических наук, доцент* Л. Г. Волянская
Кандидат технических наук, профессор* *Кафедра авиационных двигателей Национальный авиационный университет пр-т Космонавта Комарова, 1, г. Киев, Украина, 3 680
процесса перемешивания в пограничном слое на стенках диффузорного канала, с целью оценки влияния турбулизаторов на процесс перемешивания, путем численного моделирования течения с последующим сравнением результатов численного и физического эксперимента.
3. Решение задачи и анализ результатов
Расчет турбулентного течения газа выполняется путем численного решения осредненных уравнений Навье — Стокса (уравнения Рейнольдса). Для замыкания уравнений Навье — Стокса служат модели турбулентной вязкости. В данной работе для расчета использовалась модель турбулентной вязкости SSТ Ментера [10], которая записывается путем суперпозиции моделей к-? и к-ю и основывается на том, что модели типа к-е лучше описывают свойства свободных сдвиговых течений, а модели к-ю имеют преимущество при моделировании пристеночных течений.
Для исследования характера обтекания было смоделировано течение в диффузорном канале, который имел следующие размеры: длину L=400 мм, ширину d=65 мм, высоту на входе Ь=150 мм и высоту на выходе Ь=250 мм (рис. 1, а, б).
а б
Рис. 1. Схема диффузорного канала: а — 3D модель диффузорного канала- б — схема диффузорного канала
Расчет проводился для числа Рейнольдса Яе=0,5105 и М=0,4. Планирование эксперимента предусматривало исследование влияния турбули-заторов на параметры пограничного слоя при различных значениях высоты турбулизаторов к от 0,18 до 0,9 мм. Расстояние между турбулизаторами (по потоку) составляло Дх=15 мм, а между соседними турбулизато-рами (поперек потока)
Дz=10 мм. Для эксперимента было выбрано три варианта размещения турбулизаторов (на входе, в середине и на выходе).
Для проведения расчетов была построена нерегулярная адаптивная сетка с = 1,3 млн. ячеек.
В качестве рабочего тела использовался
воздух при нормальных атмосферных условиях.
На рис. 2 показано мгновенное поле скорости в диффузорном канале без турбулизаторов, а также виден отрыв потока с верхней стенки диффузорного канала и образование вихревого течения.
Однако установка турбулизаторов в средней части диффузорного канала за точкой отрыва уже не дает такого эффекта (рис. 4, а, б). В данном случае, в зоне, где установлены турбулизаторы, образуется обратное течение. В данном случае установка турбулизаторов не является эффективной.
а б
Рис. 4. Мгновенное поле скорости в диффузорном канале (турбулизаторы (к=0,9 мм) установлены в средней части канала): а — векторное поле скорости- б — скалярное поле
скорости
Для количественной оценки влияния турбулизаторов на интенсивность перемешивания в пограничном слое по результатам численного моделирования строился профиль скорости и определялась толщина пограничного слоя. После этого рассчитывались
интегральные характеристики пограничного слоя [2].
На рис. 5 представлена зависимость относительной толщины вытеснения погранич-
х* 8*
о =- в вы-к
ходном сечении диф-фузорного канала от уровня шероховатости (1, 2, 3 — варианты расположения турбулиза-торов в канале во вход-
ного слоя
Рис. 2. Мгновенное поле скорости в диффузорном канале: а ¦
— скалярное поле скорости
Установка турбулизаторов интенсифицирует энергию в пограничном слое, изменяя характер течения в диффузорном канале. На рис. 3 можно увидеть качественное изменение обтекания — смещение и уменьшение вихревого течения на верхней стенке диффузор-ного канала.
б
векторное поле скорости- б
а б
Рис. 3. Мгновенное поле скорости в диффузорном канале (турбулизаторы (к=0,9 мм) установлены во входной части канала): а — векторное поле скорости- б — скалярное поле
скорости
ном участке, в середине и на выходном участке канала, соответственно) от уровня шероховатости к = -. Линиями показаны данные численного эксперимента, точками — результаты физического эксперимента [1]. Применение турбулизаторов в диффузорном канале приводит к затягиванию срыва потока с поверхности. Изменение толщины вытеснения пограничногослояв выходном сечении диффу-зорного канала зависит от многих факторов, в том числе, размещения турбулизаторов и их геометрических размеров. Как показали результаты расчетов, наиболее эффективным было переднее располо-
а
Е
жение турбулизаторов при высоте к=0,18… 0,9 мм. При высоте шероховатости больше критического наблюдается увеличение толщины пограничного слоя.
S*
1,8
1,6
1,4
1,2
1
4. Выводы
Л
r& quot--C- '- 1*. 4 S '-3
/ / '-/ & quot-<-2
— - ^ «M
41
0
0,0005 0,001 0,0015 0,002
Рис. 5. Зависимость толщины вытеснения пограничного слоя в выходном сечении диффузорного канала 8* от уровня шероховатости поверхности к
1. Сопоставление результатов физического и численного эксперимента показали их хорошую сходимость. Таким образом, можно сделать вывод, что моделирование течения вязкого газа в диффузорном канале с использованием численного решения осредненных уравнений Навье — Стокса, замыкающихся моделью турбулентной вязкости SST, является достаточно надежным и может быть рекомендовано для дальнейших исследований течения в диффузорных каналах с тур-булизаторами.
2. Как показали результаты численного эксперимента, на параметры пограничного слоя существенное влияние оказывает относительная высота турбулиза-торов, их расположение на обтекаемой поверхности и степень диффузорности канала.
3. Расположение турбулизаторов во входной части диффузорного канала приводит к затягиванию срыва и уменьшению потерь, связанных со срывом потока.
Литература
1. Терещенко, Ю. М. Аэродинамическое совершенствование лопаточных аппаратов компрессоров [Текст] / Ю. М. Терещенко -М.: Машиностроение, 1987. — 168с.
2. Чжен, П. Управление отрывом потока [Текст]: пер. с англ. / П. Чжен. — М.: Мир, 1979. — 365с.
3. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя [Текст]: пер. с англ. / Г. Шлихтинг. — М.: Наука, 1974. — 713с.
4. Lin, J. C. Review of research on low-profile vortex generators to control boundary layer separation [Текст] / J. C. Lin // Progress in Aerospace Sciences. — 2002. — № 38. — Р. 389−420.
5. Shan, H. Numerical study of passive and active flow separation control over a NACA0012 airfoil [Текст] / H. Shan, L. Jiang, C. Liu, et al. // Computers & amp- Fluids. — 2008. — № 37(8). — Р. 975−992.
6. Godard, G. Control of a decelerating boundary layer. Part 1: optimization of passive vortex generators [Текст] / G. Godard, M. Stanislas // Aerospace Science and Technology. — 2006. — № 10(3). — Р. 181−191.
7. Ahmad, K.A. Sub-boundary layer vortex generator control of a separated diffuser flow [Текст] / K.A. Ahmad, J.K. Watterson, J.S. Cole, et al. // 35th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit. — 2005−4650.
8. Bur, R. Separation control by vortex generator devices in a transonic channel flow [Текст] / R. Bur, D. Coponet, Y. Carpels // Physics and Astronomy. — 2009. — № 19(6). — Р. 521−530.
9. Babinsky, H. Micro-vortex generator flow control for supersonic engine inlets [Текст] / H. Babinsky, N.J. Makinson, C.E. Morgan // 45-TH AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. — 2007−521.
10. Menter, F.R. Two-equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications [Текст] / F.R. Menter // AIAA. — 1994. -№ 32(11). — P. 1299−1310.
3

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой