Аналіз та оптимізація фізичних процесів для аеродинамічного удосконалення вінців турбомашин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Більчук 47-77-50 д 40-28-97 р.

УДК 519. 876: 681. 322

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Аналіз та оптимізація фізичних процесів для аеродинамічного удосконалення вінців турбомашин

01. 05. 04 - Системний аналіз і теорія оптимальних рішень

Константінов Володимир Володимирович

Харків - 2001

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Україна є державою з розвиненою авіаційною промисловістю. Необхідність створення конкурентноздатних на світових ринках конструкцій і удосконалення існуючих авіаційних двигунів і енергетичних установок висуває нові вимоги до металоємкості, економічності і надійності їхніх основних елементів - вінців турбомашин. Скорочення кількості ступенів при зберіганні проектних термодинамічних параметрів турбомашин можливе за рахунок підвищення аеродинамічних навантажень на вінці. Створення високонавантажених вінців турбомашин із низьким рівнем втрат у широкому діапазоні умов їхньої роботи можливе з використання засобів управління відривом течії.

Авіаційний двигун, енергетичну установку, турбомашину, її лопатковий вінець можна вважати складною технічною системою (СТС), оскільки вони являють собою організовану множину структурних елементів: лопаток, корпусних деталей, течії робочого тіла, систем управління відривом течії і т. ін. - взаємозалежних між собою для виконання визначених функцій. Тому для їхнього створення стає очевидною необхідність використання системного аналізу як теорії і практики поліпшення шляхом втручання у складні міждисциплінарні проблемні ситуації, які виникають при аналізі складних взаємозалежних процесів різної природи на множині конфліктуючих критеріїв і цілей, включаючи в себе розробку і використання методів оптимізації і прийняття системних рішень. Таким чином, науковою проблемою з цілим комплексом задач, що вимагають рішення, у розглянутій області науки і техніки є розробка системотехнічних основ аеродинамічного удосконалення високонавантажених вінців турбомашин.

Розгляду задач системного аналізу і теорії оптимальних рішень, у тому числі - аналізу та оптимізації фізичних процесів для аеродинамічного удосконалення турбомашин приділяється велика увага як вченими на Україні, так і за її межами. Серед вітчизняних дослідників необхідно відзначити М. З. Згуровского, В. М. Одрина, Ю. М. Терещенко, В. І. Гнесіна, С. В. Єршова, А. В. Бойко, Ф. А. Стоянова, С. Д. Косторного, Ю. О. Квашу, Д. А. Мунштукова, О. В. Амброжевича, Л. Г. Бойко, М. Л. Угрюмова; серед дослідників ближнього зарубіжжя необхідно відзначити М. М. Моісєєва, Ф. І. Перегудова, А. В. Алексєєва, Г. Ю. Степанова, А. М. Топунова, В. С. Бекнева, В. М. Котовського, М. Я. Іванова, В. С. Тализіну, В. Е. Сарена, М. М. Савіна, А. Б. Богода, С. М. Шкарбуля; серед дослідників далекого зарубіжжя - М. Месарович, Дж. Клир, B. Lakshminarayana, C. Hah, J. M. Sanz, P. Stow, N. A. Cumpsty, K. D. Papailiou, R. Braembussche, D. C. Wisler. Роботи цих вчених створили наукову основу для досліджень, теоретичні і методичні передумови подальшого пошуку шляхів підвищення ефективності СТС, у тому числі - аеродинамічної ефективності турбомашин.

Тема дисертації, що присвячена аналізу та оптимізації фізичних процесів для аеродинамічного удосконалення вінців турбомашин, має важливе наукове і прикладне значення, тому що вона спрямована на системні структуризацію, декомпозицію і наступну інформатизацію процесу створення високонавантажених вінців турбомашин з низьким рівнем втрат у широкому діапазоні умов їхньої роботи, що приводить до підвищення ефективності роботи і конкурентноздатності авіаційних двигунів і енергетичних установок.

Таким чином, розробка системотехнічних основ аналізу та оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах високонавантажених вінців для використання в практиці проектування і доведення турбомашин є актуальною науковою і прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи зв'язана з дослідженнями, проведеними в 1997-1999 р. у Національному аерокосмічному університеті ім. Н. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” на кафедрі інформатики відповідно до тематичного плану НДР і ДКР (Напрямок 4: Екологічно чиста енергетика і технології ресурсозбереження) по держбюджетній темі: Г303-33/97 (ДР № - 0197U012553) “Розробка методів проектування аеродинамічних каналів авіаційних двигунів і енергетичних установок”. Особистий внесок автора перебував у розробці комплексу математичних методів системного моделювання пристінних течій і наповнення САЕ - системи в цілому.

Мета і задачі дослідження. Основна мета дисертаційного дослідження - підвищення аеродинамічної ефективності турбомашин авіаційних двигунів шляхом раціонального профілювання вінців на основі системної структуризації, моделювання тривимірного уявлення в'язкої течії газу в міжлопаткових каналах і комплексного використання засобів управління відривом течії в них.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

сформовано системне зображення об'єкту дослідження;

побудована системна тривимірна математична модель течії газу;

розроблено часткові математичні моделі, методики аналізу і розрахунку пристінних течій;

проведено аналіз і зіставлення результатів модельних розрахунків і реальних експериментів;

створено узагальнений алгоритм системного моделювання, виділено інфологічну і даталогічну схеми програмного забезпечення;

розроблено інформаційну технологію та комп'ютерну систему інженерного аналізу тривимірного уявлення в'язкої течії в міжлопаткових каналах;

сформовано сценарій і методику роботи кінцевого користувача із системою;

розроблено методику параметричного синтезу тривимірного раціонального профілювання вінців осьових компресорів;

впроваджено результати роботи в практику створення вінців турбомашин на підприємствах Державного комітету промислової політики України.

Об'єктом дослідження у дисертації є фізичні процеси у міжлопаткових каналах високонавантажених вінців турбомашин.

Предмет дослідження складають структуризація, моделювання та оптимізація складних фізичних процесів в міжлопаткових каналах вінців турбомашин.

Методи дослідження. Теоретичні основи роботи базуються на принципах і методах системного аналізу і теорії прийняття рішень. Для побудови системних фізичної, математичної, алгоритмічної моделей тривимірної в'язкої течії використовувалися методи теорій математичної фізики, обчислювальної математики. Пошук раціонального тривимірного уявлення вінців турбомашин реалізовано шляхом реконструкції (модифікації) вінців з комплексним використанням засобів керування відривом течії методами морфологічного аналізу і параметричного синтезу системних раціональних рішень за критеріями аеродинамічної ефективності. Для побудови інструментальних програмних засобів використовувалися принципи теорії інформаційних систем.

Наукова новизна одержаних результатів:

а) одержав подальший розвиток системний підхід в області прикладного аналізу складного технічного процесу - в'язкої течії в міжлопаткових каналах вінців турбомашин. У результаті аналізу фізичного і математичного уявлення розглянутого процесу були проведені: системна структуризація об'єкта дослідження; декомпозиція і вибір методів рішення поставлених задач, особливість яких перебуває у використанні концепції структуризації тривимірної течії, що дозволяють забезпечити адекватне реальним фізичним процесам системне моделювання в цілому кінематики течії, достовірність і точність, порівнянну з точністю фізичного експерименту;

б) виходячи із системної моделі об'єкта дослідження, розроблені часткові математичні моделі, методики аналізу і розрахунку пристінних течій:

удосконалена математична модель тривимірної турбулентної пристінної течії в наближенні суміжного шару стосовно до пристроїв із рухомою торцевою поверхнею, що відрізняється від відомих урахуванням у замикаючих співвідношеннях стискувасті газу, наявності вісесиметричного переміщення обтічних супутною течією поверхонь, що дозволяє розширити клас розв'язуваних задач;

удосконалений метод побудови узагальненого слабкого рішення системи інтегральних співвідношень імпульсів тривимірного турбулентного суміжного шару, що відрізняється від відомих використанням при рішенні змішаної задачі для системи двох квазілінійних диференційних рівнянь у часткових похідних із кусково-безперервними крайовими умовами, рішень із класу автомодельних у формі центрованих “хвиль розрідження”, що виходять із точки на межі розрахункової області, у котрій функції, що задають крайові умови, мають розірвання першого роду, для знаходження єдиного стійкого узагальненого рішення задачі про розпад розриву;

новий алгоритм чисельного рішення системи інтегральних співвідношень імпульсів тривимірного турбулентного суміжного шару в області його визначеності на основі сітково-характеристичного методу, поширеного на новий клас задач;

в) одержав подальший розвиток системний підхід при рішенні задач структуризації і декомпозиції на основі впорядкування інформаційних зв'язків і мінімізації логіко-просторової структури математичних моделей, проведена системна класифікація блоків узагальненого алгоритму системного моделювання - виділені блоки функціонального і системного наповнення (ФН, СН), базисних задач ФН; виходячи з ієрархії блоків ФН і СН здійснена розробка концептуальних інфологічної і даталогічної схем САЕ - системи, що відрізняється від відомих гнучкою структурою, маршрути обробки інформації в який змінюються в залежності від типу конструкції вінця та вибраного із множини можливих засобів управління відривом течії в ньому;

г) розроблена САЕ - технологія аналізу та оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах вінців турбомашин із комплексним використанням засобів управління відривом течії, заснована на використанні інформаційної технології інтерактивного моделювання та інженерного аналізу в'язкої течії, на базі відомих принципів системного підходу, що відрізняється від відомих:

системною структуризацією складного тривимірного уявлення фізичного процесу в міжлопаткових каналах вінців турбомашин;

можливістю генерувати варіанти, аналізувати і порівнювати альтернативні структури розглянутого об'єкта дослідження.

Сформовано сценарій і методику роботи кінцевого користувача із САЕ-системой;

д) для конкретних технічних об'єктів - вінців осьових компресорів - отримані оригінальні результати розрахункових досліджень нових ефектів у тривимірній структурі течії, зв'язаних із комплексним використанням засобів управління відривом течії, на основі яких показано, що альтернативою засобам побічного управління є безпосереднє пасивне управління відривом течії у формі встановлених на торцеві поверхні, поблизу вхідних кромок лопаток, генераторів поодиноких подовжніх вихорів.

Гіпотези і допущення введені на основі аналізу чисельних цілеспрямованих експериментальних досліджень фізичних процесів у міжлопаткових каналах вінців турбомашин. Достовірність наукових положень, виводів і рекомендацій підтверджується:

використанням фундаментальних загальноприйнятих законів і результатів класичних теоретичних досліджень при побудові системних моделей і методів;

результатами, отриманими при проведенні розрахункових досліджень розробленими методиками, алгоритмами і всім комплексом програмних засобів;

задовільним, з точки зору практики, співвідношенням результатів модельних розрахунків і реальних експериментів, а також із рішеннями ряду тестових задач.

У сукупності запропоновані системні методи і моделі дозволяють науково?обґрунтовано проводити структуризацію і декомпозицію фізичних процесів у міжлопаткових каналах, удосконалювати імітаційне моделювання розглянутої СТС і доповнюють наукові знання в області аналізу в'язкої течії, можливостей використання засобів управління відривом течії для розробки інженерних системотехнічних основ оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах високонавантажених вінців турбомашин.

Практичне значення одержаних результатів. Виконана дисертаційна робота методично удосконалює практику створення турбомашин, дає оригінальну САЕ - технологію аналізу та оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах вінців осьових компресорів із комплексним використанням засобів управління відривом течії. Розроблено нову структурну модель направляючого апарата внутрішнього контуру вентилятора перспективного авіаційного двигуна ДТРД АІ-22, у якому за рахунок побічного управління відривом течії досягається часткове зниження втрат.

Науково-технічний ефект дисертаційного дослідження перебуває в розширенні знань про структуру в'язкої течії у виді тривимірного уявлення процесів у міжлопаткових каналах вінців осьових компресорів при комплексному використанні засобів управління відривом течії. Розрахунковим шляхом показано, що альтернативою способам побічного управління є безпосереднє пасивне управління відривом течії у формі встановлених на торцеві поверхні поблизу вхідних кромок лопаток генераторів поодиноких подовжніх вихорів.

Економічний ефект дисертаційного дослідження зв'язано із застосуванням САЕ - технології аналізу та оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах вінців осьових компресорів із комплексним використанням засобів управління відривом течії, що дозволяє: підвищити продуктивність праці за рахунок організації процесу паралельного виконання операцій, якість проекту; істотно скоротити терміни і матеріальні витрати на експериментальне доведення виробу й охорону навколишнього середовища, тобто підвищити конкурентноздатність вітчизняних турбомашин. Це досягається за рахунок використання економних алгоритмів, планованої можливості ведення обчислювального процесу з мінімальними технічними витратами. Запропоновані постановку, методи рішення задач і реалізуючу їх САЕ - систему варто віднести до високоефективних, оскільки час рахунку одного варіанта конструкції вінця в цьому випадку з точністю, порівнянної з точністю фізичного експерименту, на порядок нижче, ніж за допомогою САЕ - систем базисна частина функціонального наповнення яких орієнтована на чисельне рішення осереднених за Рейнольдсом рівнянь Навьє-Стокса.

Соціальний ефект дисертаційного дослідження проявився в поліпшенні характеру й умов праці інженерів-конструкторів, автоматизації рутинних операцій створення СТС.

Результати, отримані в дисертаційному дослідженні, впроваджені в 2000 р. у практику створення і доведення вінців осьових компресорів у Запорізькому машинобудівному конструкторському бюро “Прогрес” ім. академіка О. Г. Івченка, що підтверджено актом про впровадження від 15. 05. 2000 р, у 1999 р. у навчальний процес у Національному аерокосмічному університеті ім. Н. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” у дисципліні “Теоретичні основи моделювання фізичних процесів у літальних апаратах”, що підтверджено актом про впровадження в навчальний процес від 22. 05. 2000 р.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях, що написані в співавторстві, здобувачу належать: розробка структури системної математичної моделі в'язкої течії і вибір методів рішення базисних задач [3, 6, 10]; часткові математичні моделі, методи аналізу і розрахунку пристінних течій [1, 2, 7, 8, 10, 11]; розробка узагальненого алгоритму системного моделювання, концептуальних інфологічної і даталогічної схем САЕ - системи [3, 6, 9, 10]; розробка САЕ - технології аналізу та оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах вінців осьових компресорів із комплексним використанням засобів управління відривом течії, що включає алгоритми генерації варіантів конструкції вінця і вибору системних раціональних рішень [4-6, 10, 11]; результати розрахункових досліджень нових ефектів у структурі течії, зв'язаних із взаємодією пристінних течій при комплексному використанні засобів управління відривом течії [2-5, 7, 10, 11], які є прикладним математичним і програмним інструментарієм теоретичних основ, розроблених доцентом М. Л. Угрюмовим. Одна публікація підготовлена здобувачем без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Апробація результатів дисертаційних досліджень проводилася на засіданнях кафедри інформатики і семінарах кафедри інформаційних систем Національного аерокосмічного університету ім. Н. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”. Окремі положення і виводи доповідалися на всеукраїнських і міжнародних конференціях, конгресах і симпозіумах: міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання” (29 вересня - 2 жовтня 1997 р., Харків) ; на Другому, Третьому і Четвертому конгресах двигунобудівників України з іноземною участю: “Прогрес - Технологія - Якість”, “Пріоритети і можливості”, “Наука і практика” (22-25 вересня 1997 р., 18-22 вересня 1998 р., 17-21 вересня 1999 р., с. Рибальське) ; Одинадцятій міжнародній науково-технічній конференції по компресорній техніці (27-29 травня 1998 р., Казань, Росія) ; науково-технічній конференції молодих вчених факультету “Системи управління літальних апаратів” Національного аерокосмічного університету ім. Н. Є. Жуковського - “Системи управління - 99” (10-15 квітня 1999 р., Харків) ; 6-тій Українській конференції по автоматичному управлінню “Автоматика-99” (10-13 травня 1999 р., Харків) ; Fourteenth International Symposium on Air Breathing Engines (5-10 September 1999, Florence, Italy).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 друкованих праць, з яких 6 - у збірниках наукових праць, що входять у перелік спеціальних видань, затверджених ВАК України, 5 - у матеріалах і тезах доповідей всеукраїнських і міжнародних конференцій, конгресів і симпозіумів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація містить у собі вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел, що включає 81 найменування, 2 таблиці і 2 додатка. Загальний обсяг дисертації 177 сторінок тексту, у тому числі 129 сторінок основного тексту, також приведено 43 ілюстрації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

математична модель течія газ

Вступ дисертаційної роботи містить такі положення: актуальність теми аналізу та оптимізації фізичних процесів для аеродинамічного удосконалювання вінців турбомашин; зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мета і задачі дослідження; об'єкт, предмет і методи дослідження; наукова новизна одержаних результатів; обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій; наукове і практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача; інформація про апробацію і публікації результатів дисертації.

У першому розділі розглядаються: стан проблеми створення високонавантажених вінців турбомашин із низьким рівнем втрат у широкому діапазоні умов їхньої роботи на основі системного підходу і сучасних інформаційних технологій; системне уявлення процесу розробки турбомашини, пріоритетні критерії якості проектних рішень, викликані умовами функціонування технологічні вимоги до конструкції турбомашини як елемента авіаційного двигуна або енергетичної установки; підходи до опису і чисельні методи моделювання фізичних процесів у міжлопаткових каналах вінців турбомашин; постановка задачі дослідження.

Етапи внутрішньої організації процесу розробки турбомашини і САЕ - системи для удосконалення її вінців у формі блок-схеми подані на рис. 1.

Основною науковою задачею даного дослідження є розробка системотехнічних основ аналізу та оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах високонавантажених вінців шляхом їх тривимірного раціонального профілювання на базі системних структуризації, декомпозиції, моделювання тривимірної в'язкої течії і комплексного використання засобів управління відривом течії - для впровадження в практику створення і доведення турбомашин.

Рішення цієї задачі ґрунтується на наступних даних: опис об'єкта дослідження; наявність прототипу, цілі реконструкції (модифікації) СТС, класу припустимих засобів і реалізуючих їхніх пристроїв для управління відривом течії, критеріїв оптимальності.

Сформульовано задачу реконструкції (модифікації) вінця турбомашини. Будемо характеризувати об'єкт, що підлягає реконструкції, різними групами параметрів: режимними і проектними П0, що задаються конструктором; фазовими змінними або параметрами стана Ф0, встановлюваними в процесі розрахунків по заданих замикаючих співвідношеннях; керуючими або регулюючими змінними U0, вибір яких визначається типом задачі. Вектор П0 знаходиться в деякій області Dп простору D, вектор U0 обмежений і знаходиться в деякій області WD простору W, що математично записується як П0 ? Dп ? D; U0 ? WD ? W.

Рис. 1. Системний аналіз процесу розробки турбомашини і САЕ-системи для удосконалення її вінців

Область Dп ? D є областю режимів, що мають фізичний зміст, а область WD ? W - областю припустимих керувань. Вектор Ф0=Ф0 (П0, U0) обмежений так, що звичайно Ф0 ? [Ф0min, Ф0max].

Задачі реконструкції, як окремий випадок задач прийняття рішення, можуть бути подані набором ознак:

{t, Q, K, M, A, G, fin} (1)

де t - постановка задачі (виділення кращої альтернативи) ;

Q= (П0, Ф0, U0) - дискретна множина припустимих альтернатив;

К - множина пріоритетних критеріїв оцінки ступеня досягнення поставленої цілі;

М - множина шкал критеріїв (шкали відношень і т. п.) ;

А - відображення множини припустимих альтернатив Q у множину К їхніх критеріальних оцінок;

G - система переваг, структурованих у вигляді системи правил формування вектора U0;

fin - узагальнений критерій якості.

Задача реконструкції (модифікації) вінця турбомашини математично формулюється в такий спосіб: потрібно виділити таке припустиме керування U0 (Ф0) (U0?WD), що переведе систему з заданого стану Q0 в інший припустимий ? Q таким чином, щоб при цьому узагальнений критерій якості fin прийняв мінімальне значення.

Таким чином, сформульована задача відноситься до задач синтезу оптимального керування U0 (Ф0) із рухливими кінцями при наявності обмежень на режимні, фазові і керуючі параметри.

В другому розділі, присвяченому опису методології аналізу тривимірної в'язкої течії у міжлопаткових каналах турбомашин, розглянуто: системна декомпозиція математичної моделі турбулентної відривної течії в міжлопатковому каналі вінця турбомашини; ієрархічна структура сімейства геометричних і газодинамічних моделей (ГДМ) різного функціонального призначення елементів розглянутої СТС; математичні методи уявлення рішень підзадач; алгоритми чисельного рішення підзадач; результати розрахунково-теоретичного аналізу розроблених методів на основі зіставлення результатів розрахунків і експериментів.

Висока ощадливість алгоритмів - малий об'єм обчислень - на всіх рівнях технології чисельних досліджень забезпечується єдиною основою всіх ланок описуваного раніше ланцюга чисельного моделювання фізичних процесів, суть якого полягає у використанні інтегральних співвідношень для визначення місця розташування й інтенсивності збурень в основній течії, викликаних взаємодією пристінних течій, поданих у математичній моделі процесу у формі розподілених у просторі джерел-стоків (ДС) маси, імпульсу й енергії.

Моделі, методи побудови й алгоритми чисельного рішення задач першого рівня охоплюють типові течії і об'єкти, характерні для розглянутої СТС (рис. 2). До них відносяться моделі:

тривимірних турбулентних пристінних течій у наближенні суміжного шару (3DTBL) ; регулярного відриву, викликаного взаємодією пристінних течій (IIRS) ;

основної течії (FLOW) - тривимірної сталої течії нев'язкого ідеального політропного газу в міжлопаткових каналах турбомашин;

геометрії лопатки і розрахункової області (GEOM).

Другий рівень утворять підмоделі, методи й алгоритми розрахунку параметрів:

тривимірних турбулентних суміжних шарів (3DTBL класичні рішення в областях їхньої визначеності, 3DTBL автомодельні - поза) на поверхнях, що обмежують міжлопатковий канал; 3DTBL стосовно до пристроїв із рухомою торцевою стінкою; 2DTBL затоплених струмів; 2DTBL; основної течії на основі рішення зворотньої задачі теорії суміжного шару (2DTBL_INV_PR) по заданих параметрах 2DTBL на контурі обтічного профілю;

областей відривів, викликаних взаємодією (IIRS) : затоплених струмів, струмів із течією, що набігає, пристінних течій (2DTBL) поблизу другої критичної точки - точки сходу течії на вихідній кромці кінцевої товщини, 3DTBL, і втрат кінетичної енергії в них;

основної течії в одномірній постановці 1DidFLOW - початкового наближення, 2DidFLOW у плоских решітках із струминним обтіком вихідних кромок, 3DidFLOW_L у шарі змінної товщини, 3DidFLOW;

розрахункових сіток у розрахункових областях для плоских решіток профілів і лопаткових вінців.

Рис. 2. Системна математична модель в'язкої течії в міжлопатковому каналі

Третій рівень утворюють моделі тривимірних в'язких течій у міжлопаткових каналах двоопорних направляючих апаратів, одноопорних направляючих апаратів, робочих коліс турбомашин, у тому числі, із системами (пристроями) безпосереднього активного (пасивного) управління відривом течії (SCS). Описувану вище послідовність методів рішення підзадач можна розглядати як технологію чисельного моделювання тривимірних в'язких течій у каналах вінців турбомашин. Завдяки використанню єдиної елементної бази ГДM запропонована технологія універсальна й адаптивна до задач дослідження режимів обтіку лопаткових вінців різних типів, близьких до розрахункового.

Розроблено інтегральне уявлення математичної моделі тривимірної турбулентної пристінної течії в наближенні суміжного шару. Система інтегральних співвідношень імпульсів доводиться до нормального виду:

; ; (2)

де , у поданій формі запису передбачається підсумовування по j;

; ; ;

; ; ;

- ?i, Fi, Fij, Fij?, - функції проектних, режимних і фазових параметрів.

З метою розширення класу розв'язуваних задач розроблено метод розрахунку пристінних турбулентних течій стосовно до пристроїв із рухомою торцевою стінкою. З його допомогою можуть бути отримані рішення задач теорії регулярного відриву, викликаного взаємодією пристінного струму з течію, що набігає - випадок одноопорної конструкції з зазором між торцем лопатки і поверхнею, що обмежує, причому ця поверхня щодо лопаток може обертатися.

Для замикання системи рівнянь (2) задавалися профілі швидкостей подовжньої і поперечної течії, а також рівняння зв'язку між дотичними напругами і товщинами суміжного шару.

Розроблена математично коректна постановка задачі перебування стійкого узагальненого слабкого рішення інтегральних співвідношень імпульсів тривимірного суміжного шару в класі автомодельних рішень, що дозволяє визначити місцезнаходження сепаратрис тривимірного відриву на поверхнях, що обмежують міжлопатковий канал.

Розроблено новий алгоритм чисельного рішення системи інтегральних співвідношень імпульсів тривимірного турбулентного суміжного шару в області його визначеності на основі сітково-характеристичного методу, поширеного на новий клас задач.

Звичайні для сітково-характеристичного методу різницеві (сіткові) рівняння мають вид:

, (3)

;

де визначалися співвідношеннями:

.

Для одержання чисельного рішення різницевих (сіткових) рівнянь (3) використовувався метод ітерацій, у якому на кожному кроку обчислень лінеарізація сіткових рівнянь досягалася за рахунок використання значень функцій із попередніх наближень.

Для оцінки точності чисельних результатів, отриманих за допомогою розробленого алгоритму і створеної на його основі програми, розглянуті рішення ряду тестових задач: безградієнтна течія на пластині, обтікання стріловидного крила, формування тривимірного суміжного шару на обмежуючих поверхнях одноступінчатого осьового компресора, обтікання осьовою течією обертового циліндра.

Коефіцієнт варіації результатів розрахунків параметрів суміжного шару - інтегральних товщин суміжного шару - у розглянутих тестових прикладах складає 8%.

Таким чином, розроблено ефективний метод аналізу фізичних процесів у міжлопаткових каналах вінців турбомашин, призначений для аналізу параметрів стану множини альтернативних варіантів вигляду конструкції, підлягаючої модифікації СТС.

Третій розділ присвячено розробці об'єктно?орієнтованої інформаційної технології інженерного аналізу тривимірної в'язкої течії і містить: уявлення узагальненого алгоритму системного моделювання, інформаційних моделей інтегрованої інтерактивної комп'ютерної системи; опис сценарію і методики роботи кінцевого користувача із системою.

На основі структурного аналізу підзадач загальної математичної моделі проведена декомпозиція алгоритму з виділенням блоків функціонального і системного наповнення (ФН, СН), базисних задач ФН, здійснена розробка концептуальних інфологічної і даталогічної схем комп'ютерної інтерактивної системи інженерного аналізу (САЕ - системи) тривимірної в'язкої течії в міжлопаткових каналах вінців турбомашин.

Програмні модулі, що реалізують алгоритми підмоделей другого рівня структурної схеми математичної моделі СТС, складають ФН розробленої САЕ - системи. З метою підвищення продуктивності праці при роботі із САЕ - системою, розроблено СН - системні програми, що забезпечують автоматизацію робіт із комплексації програм і зручний обмін інформації між модулями ФН. Розроблена САЕ - система постачена підпрограмами, що забезпечують графічне уявлення і можливість роботи в інтерактивному режимі з базами даних проточних частин, розрахункових сіток і результатів розрахунків обтікання.

Розроблено САЕ - технологію аналізу фізичних процесів у міжлопаткових каналах вінців турбомашин із комплексним використанням засобів управління відривом течії, засновану на застосуванні комп'ютерної інтерактивної системи інженерного аналізу тривимірної в'язкої течії, на базі відомих принципів системного підходу.

Таким чином, отримана в результаті застосування САЕ?технології інформація про тривимірну структуру в'язкої течії в міжлопатковому каналі вінця турбомашини дозволяє формувати уявлення про необхідність комплексного використання засобів управління відривом течії в ньому.

Четвертий розділ присвячено опису методології параметричного синтезу раціонального тривимірного уявлення вінців турбомашин, де подана: систематизація способів і процедур управління течією із метою підвищення ефективності обтікання; приклади аналізу тривимірної в'язкої течії в міжлопаткових каналах вінців турбомашин, морфологічного аналізу і параметричного синтезу системних раціональних технічних рішень.

Системна технологія аеродинамічного удосконалення вінців турбомашин, заснована на аналізі результатів імітаційного моделювання тривимірної в'язкої течії, являє собою ряд послідовних параметричних наближень до деякої раціональної геометрії.

Алгоритм рішення задачі реконструкції (модифікації) вінця турбомашини реалізовано у наступному виді:

а) імітаційне моделювання й аналіз параметрів стана Ф0 (П0, U0) прототипу;

б) формування морфологічної множини на основі виділення ознак, що класифікують;

в) упорядкування морфологічної таблиці - набору значень класифікаційних ознак. На цьому етапі доцільно використовувати дані про аналоги і регресионні моделі;

г) формування бази знань - системи переваг, структурованих у вигляді системи правил формування керуючих змінних на основі системних технічних вимог (обмежень) ;

д) формування підмножини коректності шляхом ранжирування складових частин і фільтрації морфологічної множини на основі використання продукційних правил бази знань;

е) вибір технічного рішення шляхом параметричного синтезу системного раціонального технічного рішення.

Зручною формою уявлення множини альтернативних варіантів вигляду конструкції технічного об'єкта, який підлягає модифікації, є морфологічна таблиця, рядкам якої відповідають режимні і проектні П0, а також керуючі U0 параметри (об'єкта в цілому і його складових частин), а елементам - можливі значення (реалізації технічних рішень) кожного з них eij, i=1.. n, j=1.. mi, n - загальна кількість параметрів П0 і U0, що задаються. Виконувалося структурування параметрів U0 (рядків морфологічної таблиці), ранжуючи їх по ступені впливу на значення узагальненого і пріоритетних критеріїв якості технічного рішення.

Через велике число керуючих змінних, як процедура параметричного синтезу системного раціонального технічного рішення задачі (1) була використана евристична процедура, заснована на застосуванні методу послідовного перетворення. Відповідно до цього методу, вибір одного з альтернативних варіантів здійснювався виходячи із системи переваг спеціаліста - проектувальника і досягнутих значень узагальненого і пріоритетних критеріїв якості.

Інструментальним засобом визначення перемінних стану Ф0 (П0, U0) у цій послідовності операцій є розроблена САЕ - система.

Як ілюстрація можливостей роботи САЕ-системи проведено параметричний синтез впливу на течію у прямій дифузорній решітці з рівнобіжними торцевими стінками у формі генераторів поодиноких подовжніх вихорів на торцевих стінках (див. рис. 3).

Як інша ілюстрація, проведено параметричний синтез системного раціонального проектного рішення - нової конструкції направляючого апарата (НА) внутрішнього контуру вентилятора перспективного авіаційного двигуна. Виконано декілька варіантів профілювання:

а) профілі з відкоригованою дифузорністю по усій висоті лопатки (зменшена хорда) ;

б) профілі - див. вище, змінена форма меридіонального обводу втулкової поверхні (уведена знакоперемінна кривизна утворюючої) ;

в) профілі - див. вище, вигнуті кінці лопатки, забезпечуючи тупий кут між торцевими поверхнями і поверхнею розрідження лопатки.

а) розрахунок б) експеримент

Рис. 3. Розподіли осередненого по кроку коефіцієнта втрат

Результати досліджень у формі розподілів осередненого по кроку відносного коефіцієнта втрат повного тиску уздовж розмаху лопатки ???0= (?in-?ver) / (1-?in) показали, що в модифікованому вінці досягнуте часткове зниження сумарних втрат у порівнянні з вхідним варіантом.

ВИСНОВКИ

У дисертації приведені теоретичне узагальнення і нове рішення наукової задачі, що полягає в розробці системотехнічних основ аналізу та оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах високонавантажених вінців, шляхом їх тривимірного раціонального профілювання на основі системної структуризації, декомпозиції, моделювання тривимірної в'язкої течії і комплексного використання засобів управління відривом течії - для використання в практику створення і доведення турбомашин.

Головні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному.

1. Проведено системну структуризацію об'єкта дослідження, декомпозицію і вибір методів рішення поставлених задач, особливість яких перебуває у використанні концепції структуризації тривимірної течії, що дозволяє забезпечити адекватне реальним фізичним процесам системне моделювання в цілому кінематики течії, достовірність і точність, порівняну з точністю фізичного експерименту.

2. Виходячи із системної моделі об'єкта дослідження, розроблені часткові математичні моделі, методики аналізу і розрахунку пристінних течій:

удосконалена математична модель тривимірної турбулентної пристінної течії в наближенні суміжного шару стосовно до пристроїв із рухомою торцевою поверхнею шляхом урахування в замикаючих співвідношеннях стискувасті газу, наявності вісесиметричного переміщення обтічних спутною течією поверхонь, що дозволяє розширити клас розв'язуваних задач;

удосконалено метод побудови узагальненого слабкого рішення системи інтегральних співвідношень імпульсів тривимірного турбулентного суміжного шару використанням при рішенні змішаної задачі для системи двох квазилінійних диференційних рівнянь у часткових похідних із кусково-безперервними крайовими умовами рішень із класу автомодельних у формі центрованих “хвиль розрідження”, що виходять із точки на межі розрахункової області, у котрій функції, що задають крайові умови, мають розрив першого роду, для знаходження єдиного стійкого узагальненого рішення задачі про розпад розриву;

новий алгоритм чисельного рішення системи інтегральних співвідношень імпульсів тривимірного турбулентного суміжного шару в області його визначеності на основі сітково-характеристичного методу, поширеного на новий клас задач.

3. Розроблено узагальнений алгоритм системного моделювання шляхом структуризації і декомпозиції на основі упорядкування інформаційних зв'язків і мінімізації логіко-просторової структури математичних моделей, інфологічна і даталогічна схеми САЕ - системи, у якій маршрути опрацювання інформації можуть змінюватися в залежності від типу конструкції вінця та вибраного із множини можливих способу управління відривом течії в ньому.

4. Розроблено САЕ - технологію аналізу та оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах вінців осьових компресорів, засновану на застосуванні інформаційної технології інтерактивного моделювання та інженерного аналізу в'язкої течії з можливістю генерувати варіанти, аналізувати і порівнювати альтернативні структури розглянутого об'єкта дослідження, для забезпечення можливості параметричного синтезу тривимірного раціонального профілювання шляхом реконструкції (модифікації) вінця з комплексним використанням засобів управління відривом течії в ньому (на основі індуктивних міркувань). Сформовано сценарій і методику роботи кінцевого користувача з системою.

Запропоновані постановку, методи рішення задач і реалізуючу їх САЕ - систему варто віднести до високоефективних, оскільки час рахунку одного варіанта конструкції вінця в цьому випадку з точністю, порівняно з точністю фізичного експерименту, на порядок нижче, ніж за допомогою САЕ - систем, базисна частина функціонального наповнення яких орієнтована на чисельне рішення осереднених за Рейнольдсом рівнянь Навьє-Стокса.

5. Для конкретних технічних об'єктів - вінців осьових компресорів - отримані оригінальні результати розрахункових досліджень нових ефектів у структурі течії, зв'язаних із комплексним використанням засобів управління відривом течії, на основі яких показано, що альтернативою способам побічного управління є безпосереднє пасивне управління відривом течії у формі встановлених на торцеві поверхні поблизу вхідних кромок лопаток генераторів поодиноких подовжніх вихорів.

Розроблено структурну модель направляючого апарата внутрішнього контуру вентилятора перспективного авіаційного двигуна ДТРД АІ-22, у якому за рахунок побічного управління відривом течії досягається часткове зниження втрат.

Отримані результати свідчать про те, що раціональне профілювання вінців на основі системних структуризації, декомпозиції і моделювання тривимірної в'язкої течії в міжлопаткових каналах і комплексного використання засобів управління відривом течії в них дозволяє забезпечити підвищення аеродинамічної ефективності турбомашин авіаційних двигунів, що є цілью дисертації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні результати дисертації опубліковані в 11 роботах. Збірники наукових праць:

1. Константинов В. В., Угрюмов М. Л. Математическое моделирование турбулентного пристенного течения в устройствах с подвижной торцевой стенкой // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического ун-та: Сб. науч. тр. / ХГАДТУ - X., 1998. - С. 54-58.

2. Константинов В. В., Скоб Ю. А., Угрюмов М. Л. Автоматизированный комплекс программ для расчётов вязких пространственных течений в каналах турбомашин // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. / Государственный аэрокосмич. ун-т им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”. - X., 1998. - Вып 5. - С. 130-134.

3. Константинов В. В., Угрюмов М. Л., Чернышёв Ю. К. Автоматизированная информационная система для построения решений задачи обтекания венцов осевых турбомашин трёхмерным вязким потоком // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. / Государственный аэрокосмич. ун-т им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”. - X., 1998. - Вып 7. -С. 146-150.

4. Применение моделирующего трёхмерное вязкое течение компьютерного комплекса для оптимизации венцов осевого компрессора / М. Л. Угрюмов, В. В. Константинов, А. М. Цегельник, Ю. А. Скоб, В. И. Письменный, А. В. Меняйлов // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. / Государственный аэрокосмич. ун-т им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”. -X., 1999. -Вып. 9. -С. 80-84.

5. Имитационное моделирование управления отрывом потока в межлопаточных каналах турбомашин / М. Л. Угрюмов, Ю. А. Скоб, В. А. Меньшиков, В. В. Константинов, А. М. Цегельник // Вестник Харьковского государственного политехнического ун-та: Сб. науч. тр. / ХГПУ. -X., 1999. - Вып. 73. - С. 161-166.

6. Угрюмов М. Л., Константинов В. В. Системный подход к созданию компьютерных систем инженерного анализа для совершенствования венцов турбомашин // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. / Государственный аэрокосмич. ун-т им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”. - X., 2000. - Вып. 15. - С. 218-224.

Праці, що опубліковані за результатами всеукраїнських і міжнародних конференцій, конгресів і симпозіумів:

7. Константинов В. В., Угрюмов М. Л. Математическое моделирование взаимодействия вязких пристенных течений на ограничивающих поверхностях криволинейных диффузорных каналов// Труды Междунар. науч. -техн. конф. “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”. -Харьков: Ин-т проблем машиностроения НАН Украины. - 1997. -С. 271-274.

8. Константинов В. В., Угрюмов М. Л. Автоматизированный комплекс программ для расчётов вязких пристенных течений в каналах турбомашин // Тезисы докладов 11-ой Междунар. науч. -техн. конф. по компрессорной технике. -Санкт-Петербург-Казань: СПбГТУ, КГТУ. -1998. - С. 94-96.

9. Константинов В. В. Информационная технология моделирования трёхмерных вязких течений в межлопаточных каналах венцов осевых турбомашин // Тезисы докладов науч. -техн. конф. молодых учёных факультета “Системы управления летательных аппаратов” - “Системы управления -99”. -Харьков: Государственный аэрокосмич. ун-т им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”. -1999. -С. 12.

10. Mathematical Models, Methods and Improvement Technology of the Turbomachinery Rows / M. L. Ugryumov, Yu. A. Skob, V. V. Constantinov, V. I. Pismenniy, A. V. Menyaylov // Papers from the Fourteenth International Symposium on Air Breathing Engines. - Florence (Italy). -1999. - 10p. (ISABE Paper No. 99-7049).

11. Автоматизированный комплекс для совершенствования венцов осевых компрессоров / А. В. Меняйлов, В. И. Письменный, В. В. Константинов, Ю. А. Скоб, М. Л. Угрюмов, Ю. К. Чернышёв// Труды 2-го конгресса двигателестроителей Украины с иностранным участием “Прогресс-Технология- Качество”. - Киев-Харьков-Рыбачье: ХАИ им. Н. Е. Жуковского. - 1997. - С. 173-176.

АНОТАЦІЇ

Константінов В. В. Аналіз та оптимізація фізичних процесів для аеродинамічного удосконалення вінців турбомашин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01. 05. 04 - Системний аналіз і теорія оптимальних рішень. - Національний аерокосмічний університет ім. Н. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2000.

Дисертацію присвячено питанням структуризації, моделювання та оптимізації фізичних процесів в складних технічних системах (на прикладі вінців турбомашин). Розглядані системна математична модель і узагальнений алгоритм рішення задач аналізу та оптимізації фізичних процесів у міжлопаткових каналах венців турбомашин. Розроблені часткові математичні моделі, методики аналізу і розрахунку пристінних течій. Розроблена методика морфологічного синтезу тривимірного раціонального профілювання вінців турбомашин на основі комплексного використання засобів управління відривом течії в них.

Розроблено технологію і САЕ - систему для її інформаційної підтримки синтезу тривимірного раціонального профілювання вінців осьових компресорів, висока ефективність яких підтверджена при рішенні практичних задач.

Ключові слова: системний аналіз, тривимірна в'язка течія, синтез раціонального уявлення вінців турбомашин.

Константинов В. В. Анализ и оптимизация физических процессов для аэродинамического совершенствования венцов турбомашин. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 01. 05. 04 - Системный анализ и теория оптимальных решений. - Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена вопросам структуризации, моделирования и оптимизации физических процессов в сложных технических системах (на примере венцов турбомашин). Рассмотрено системное представление процесса создания конструкций турбомашин, включая анализ и возможности оптимизации сложных взаимосвязанных процессов различной природы на множестве находящихся в конфликте критериев и целей.

Научной проблемой с целым комплексом задач, требующих решения, в рассматриваемой области науки и техники является разработка системотехнических основ аэродинамического совершенствования высоконагруженных венцов турбомашин.

Основная цель диссертационного исследования - повышение аэродинамической эффектив-ности турбомашин авиационных двигателей путём рационального профилирования венцов на основе системной структуризации, моделирования трёхмерного представления вязкого течения газа в межлопаточных каналах и использования способов управления отрывом потока в них.

Проведены системная структуризация объекта исследования, декомпозиция и выбор методов решения поставленных задач, особенность которых состоит в использовании концепции структуризации трёхмерного течения.

Исходя из системной модели объекта исследования, разработаны частные математические модели, методики анализа и расчета пристенных течений:

усовершенствована математическая модель трёхмерного турбулентного пристенного течения в приближении пограничного слоя применительно к устройствам с подвижной торцевой поверхностью путём учёта в замыкающих соотношениях сжимаемости газа, наличия осесимметричного перемещения обтекаемых спутным потоком поверхностей;

усовершенствован метод построения обобщённого слабого решения системы интегральных соотношений импульсов трёхмерного турбулентного пограничного слоя использованием при решении смешанной задачи для системы двух квазилинейных дифференциальных уравнений в частных производных с кусочно-непрерывными краевыми условиями решений из класса автомодельных в форме центрированных “волн разрежения”, выходящих из точки на границе расчетной области, в которой функции, задающие краевые условия, имеют разрыв первого рода;

новый алгоритм численного решения системы интегральных соотношений импульсов трёхмерного турбулентного пограничного слоя в области его определённости на основе сеточно-характеристического метода, распространённого на новый класс задач.

Разработаны обобщённый алгоритм системного моделирования, инфологическая и даталогическая схемы САЕ - системы, в которой маршруты обработки информации могут меняться в зависимости от типа конструкции венца и выбранного из множества возможных способа управления отрывом потока в нём.

Разработана САЕ - технология анализа и оптимизации физических процессов в межлопаточных каналах венцов осевых компрессоров, основанная на применении информационной технологии интерактивного моделирования и инженерного анализа вязкого течения с возможностью генерировать варианты и сравнительно анализировать альтернативные структуры рассматриваемого объекта исследования, для обеспечения возможности параметрического синтеза трёхмерного рационального профилирования путём реконструкции (модификации) венца с комплексным использованием способов управления отрывом потока в нём (на основе индуктивных рассуждений). Сформированы сценарий и методика работы конечного пользователя с системой.

Предлагаемые постановку, методы решения задач и реализующую их САЕ-систему следует отнести к высокоэффективным, поскольку время счёта одного варианта конструкции венца в этом случае с точностью, соизмеримой с точностью физического эксперимента, на порядок ниже, чем с помощью САЕ - систем базисная часть функционального наполнения которых ориентирована на численное решение осреднённых по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса.

Для конкретных технических объектов - венцов осевых компрессоров - получены оригинальные результаты расчётных исследований новых эффектов в структуре течения, связанных с комплексным использованием способов управления отрывом потока, на основе которых показано, что альтернативой способам косвенного управления является непосредственное пассивное управление отрывом потока в форме установленных на торцевые поверхности вблизи входных кромок лопаток генераторов одиночных продольных вихрей.

Разработана структурная модель направляющего аппарата внутреннего контура вентилятора перспективного авиационного двигателя ДТРД АИ-22, в котором за счёт косвенного управления отрывом потока достигается частичное снижение потерь.

Ключевые слова: системный анализ, трехмерное вязкое течение, синтез рационального представления венцов турбомашин.

Konstantinov V. V. The analysis and optimization of physical processes for aerodynamic perfection of turbomachinery rows. - Manuscript.

Dissertation for a Technical Sciences Candidate's degree by speciality 01. 05. 04 - System analysis and theory of optimal decisions. - National Aerospace University named after N. E. Zhukovsky “Kharkov Aviation Institute”, Kharkov, 2000.

The dissertation is devoted to design frontier topics that are connected with the structurization, modelling and optimization of the physical processes in complicate technical systems (as the latter there is treated a class of turbomachinary rows). The system mathematical model and generalized algorithm for solving the problems of an analysis and optimization of physical processes in blade-to-blade channels of turbomachinery rows are considered. The individual mathematical models, technique of an analysis and calculation of nearwall viscous flows are developed. The technique of morphological synthesis for rational 3D representation of turbomachinery rows on the basis of complex use of control flow separation systems is developed.

The technology and CAE - system for its information support, synthesis of rational 3D representation of axial flow compressor rows is developed, the high efficiency of which is confirmed while solving practical problems.

Key words: system analysis, 3D viscous flow, synthesis of rational representation of turbomachi-nery rows.

Размещено на Allbest.ru

...