Определение рациональных аэродинамических характеристик и условий пассивной стабилизации подвижного зонда в закрученном, ограниченно-пространственном дозвуковом потоке газа

Актуальность работы. В настоящее время во многих областях науки и техники (авиации, космонавтики, машиностроении, атомной энергетики, транспорте, нефтяной и газовой промышленности) возникают задачи, связанные с обтеканием тел произвольной формы несжимаемым потоком жидкости или газа. При этом набегающий поток, как правило, имеет малую дозвуковую скорость. Подобные задачи возникают как при внешнем обтекании тел произвольной формы, так и при внутреннем обтекании тел, находящихся в каналах различной геометрии и формы.

Подобные тела могут использоваться в качестве диагностических и измерительных аппаратов для задач конверсионной тематики. Их принято называть спускаемыми аппаратами или аппаратами-зондами.

Создание современного диагностического оборудования является актуальной задачей для народного хозяйства. В последнее время на территории РФ и СНГ все чаще стали происходить крупные техногенные катастрофы (аварии на электрических подстанциях, разрушение нефтеи газотрубопроводов, разрушение дымовых труб), которые приводили к загрязнению окружающей среды, остановке технологических производственных процессов, а также гибели трудоспособного населения. Это, в первую очередь, связано с постоянным устареванием действующего оборудования, с тем фактом, что многое промышленное оборудование давно выработало свой ресурс, либо эксплуатируется при повышенной нагрузке. Опыт эксплуатации промышленных установок показал, что необходимо проводить техническое обследование оборудования с целью сбора информации для дальнейшего анализа и предотвращения возможных аварий, технических повреждений. Удачным примером создания диагностического оборудования для проведения технического обследования различного оборудования являются: диагностический комплекс (автономный внутритрубный снаряд-дефектоскоп для контроля магистральных нефтепроводов), разработанный в ОАО «Центр технической диагностики (ЦТД) ДИАСКАН» и диагностический комплекс «Сканлайиер» для обследования дымовых труб на промышленных предприятиях РФ, разработанный в Центре исследований экстремальных ситуаций (ЦИЭКС). Примером использования высокотехнологичного оборудования в медицине является шнековый насос для перекачки крови в сосудах человека, разработанный Институтом трансплантологии и искусственных органов.

Внутритрубная диагностика трубопроводов основана на использовании автономных снарядов-дефектоскопов, поршней, движущихся внутри контролируемой трубы под напором перекачиваемого продукта (нефть, нефтепродукты, газ и т. п.). Снаряд снабжен аппаратурой (обычно ультразвуковой или магнитной) для неразрушающего контроля трубы, записи и хранения в памяти данных контроля и вспомогательной служебной информации, а также источниками питания аппаратуры. Снаряд вводится в контролируемый трубопровод через специальную камеру пуска-приемки, проходит по трубе согни километров, накапливая информацию о ее состоянии в бортовой памяти, а затем извлекается через аналогичную камеру. После выгрузки снаряда информация считывается на внешний терминал. Далее информация поступает на сервер базы данных, расшифровывается, обрабатывается специальной программой, анализируется оператором и представляется в виде отчета. Программное обеспечение позволяет автоматически выделить области аномалий трубы, идентифицировать до 15 классов аномалий (трещины, коррозионные поражения и т. д.), определить местоположение и размеры дефектов.

В начале 2000;х годов в организации ООО «ЦИЭКС» под руководством д.т.н. Сущева С. П., д.т.н. Акатьева В. А. проводились работы по разработке опытной конструкции диагностического комплекса «Сканлайнер» для обследования внутренней поверхности дымовых и вентиляционных труб [147−150]. Было создано несколько прототипов аппаратов-зондов, которые должны были работать в сложных условиях восходящих высокотемпературных кислотосодержащих дымовых газов. Первый действующий макет-прототип был создан в форме фугасной авиабомбы. Такая форма, как казалось авторам, была наиболее перспективна для стабилизации аппарата-зонда при его спуске в дымовой трубе. Результаты натурного эксперимента выявили существенные недостатки: неудачно выбранная форма макета и расположение центра масс вызывали его соударение со стенками и появление динамических теней на изображении, повышенная температура на борту приводила к выходу из строя оборудования (лазер, бортовой компьютер, двигатель поворотного устройства). Экспериментальным путем была подобрана оптимальная аэродинамическая компоновка и система термостабилизации. В результате было предложено использовать два дисковых стабилизатора в качестве пассивной системы стабилизации. Система термостабилизации включала в себя быстросъемные капсулы с хладагентом в твердом состоянии. За короткий срок был изготовлен опытный образец диагностического комплекса «Сканлайнер», который успешно использовался для обследования различных дымовых промышленных труб на ТЭЦ, газоперерабатывающих заводах, котельных.

Сканлайнер" - это не имеющая аналогов технология и оборудование для неразрушающего контроля дымовых труб изнутри без выключения оборудования предприятия, на территории которого работают трубы. «Сканлайнер» оснащен бортовым компьютером, системами подсветки оптической развертки и приема лазерного луча, видеокамерами, системой термостабилизации и защиты от агрессивных воздействий высокотемпературных кислотосо-держащих дымовых газов, истекающих из трубы. Сканирующий аппарат доставляется к устью трубы специальным подъемно-транспортным механизмом, состоящим из крана-манипулятора и лебедки. Включение видеокамер аппарата производится с помощью магнита запуска у оголовка дымовой трубы. Кран-манипулятор, который монтируется на оголовке трубы и может перемещаться во всех направлениях, опускает «Сканлайнер» па тросе в действующую трубу. Система подсветки видеокамер освещает футеровку трубы для формирования ее изображения. Ввод информации в бортовой компьютер осуществляется по участкам. Уникальная технология лазерного сканирования футеровки позволяет измерить ширину, высоту и глубину дефектов внутренней поверхности трубы. Разрешающая способность при обнаружении дефектов футеровки (внутренней поверхности трубы) до 2 мм. В качестве методов дистанционного сканирования используются рентгеновский, ультразвуковой, оптический методы и метод акустической эмиссии.

Особенностью такого диагностического комплекса является тот факт, что он может эксплуатироваться в ограниченном пространстве и в агрессивной среде, содержащей жидкость или газ, при наличии закрутки потока и высокой температуры газа. Скорость восходящего потока газа может достигать 20.25 м/с, что для диагностическог о комплекса «Сканлайнера» соответствует числу Рейнольдса 11е = 2×106. С учетом возникающих сил аэродинамического сопротивления была принята масса аппарата около 160 кг. Угловая скорость вращения троса должна быть не более 5.6 оборотов в минуту. Это требование обеспечивалось за счет применения малокрутящегося троса двойной завивки. Температура при эксплуатации могла достигать 300 °C. Высота обследуемых труб может достигать 400 метров, диаметр труб — 12 метров. Основные габаритные размеры: длина аппарата — 1.2 м, диаметр первого диска — ?>,=0.8 м, диаметр второго диска — Д =0.7 м.

Таким образом, со стороны практических специалистов возник запрос на разработку различного класса диагностических аппаратов и зондов. Компоновка таких диагностических зондов включала в себя: цилиндрический корпус, модуль сбора информации с видеокамерами, затупленную головную часть и стабилизирующие устройства (СУ), расположенные на боковой поверхности корпуса. Впоследствии разработчиками отмечалось, что в процессе эксплуатации комплекса на промышленных предприятиях РФ и СНГ возникали нежелательные режимы работы аппарата в закрученном потоке газа, приводящие к его колебаниям на тросе и сильной раскачке. Амплитуда колебаний комплекса «Сканлайнер» при спуске на тросе не должна была превышать 10 градусов, иначе происходило искажение изображения во время съемки поверхности дымовой трубы.

Таким образом, с точки зрения задач аэродинамики высокотехнологическое диагностическое оборудование работает и находится в потоке сопротивляющейся среды. В связи с этим при эксплуатации оборудования могут возникать задачи, связанные с выбором оптимальной формы компоновки, разработкой системы термостабилизации, предотвращением нежелательных колебаний и вибраций в потоке движущейся вязкой среды. Для решения подобных задач целесообразно использовать накопленные знания и достижения в области экспериментальной аэродинамики, теории отрывных течений, численного моделирования пространственных вязких течений, теории устойчивости движения и теории колебаний, теории теплопередачи, компьютерного моделирования в машиностроении.

Экспериментальные и численные методы моделирования отрывного обтекания и движения подобных диагностических приборов позволяют правильно обосновать выбор оптимальной компоновки, рациональных аэродинамических характеристик (АДХ), выработать рекомендации и повысить ресурс эксплуатации в тяжелых условиях.

Ввиду этого изучение дозвукового обтекания цилиндрических зондов с различными дисковыми надстройками, систематизация структур течения, выработка рекомендаций по выбору массогабаритных зондов, работающих в ограниченном пространстве, в том числе для диагностического комплекса «Сканлайнер», создание научной методики расчета параметров обтекания и АДХ стабилизирующих устройств, представляется возможным считать актуальной задачей.

Целыо работы являлось повышение эффективности функционирования зондов рассматриваемого класса путем разработки и выбора рациональных параметров, аэродинамической компоновки аппарата-зонда на основе совершенствования использования выбранной научной методики и достоверности определения основных АДХ подвижного зонда при отрывных режимах обтекания в закрученном дозвуковом потоке вязкого газа. В результате необходимо было выдать конструкторам технические рекомендации по выбору основных массогабаритных характеристик зондов, в том числе для диагностического комплекса «Сканлайнер».

Для этого в работе были проведены эксперименты в вертикальной установке «воздуходувка» двух типов, в дозвуковой аэродинамической трубе МГТУ им. Н. Э. Баумана, в установке свободных колебаний и в экспериментальной горизонтальной установке «винт-кольцо». Был создан программный комплекс и проведен расчет трехмерного обтекания аппарата-зонда, создана математическая модель движения зонда в свободном потоке и на тросе.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— провести обзор существующей литературы;

— изготовить экспериментальные модели аппарата-зонда;

— провести эксперимент в вертикальной установке «воздуходувка» с целью выбора оптимальной компоновки зонда, определения профиля скорости в различных сечениях трубы, рационального соотношения для отношения силы тяжести Р и продольной силы X;

— провести эксперимент и получить АДХ модели зонда с помощью весовых измерений в дозвуковой трубе и экспериментальной установке «винт-кольцо»;

— провести эксперимент в установке свободных колебаний с целью определения демпфирующих свойств исследуемой модели;

— провести разработку и апробацию программного комплекса для решения задач вычислительной аэрогидродинамики на базе метода конечного объема с использованием простейших модельных задач;

— выбрать оптимальные численные схемы расчета для слагаемых, входящих в уравнения неразрывности, движения и модели турбулентности, а также схемы решения для системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ);

— сформулировать выбор расчетной области, сетки и граничных условий для расчета пространственного обтекания зонда;

— выбрать приемлемую дифференциальную модель турбулентности;

— провести численное моделирования обтекания зонда в свободном и закрученном ограниченном потоке несжимаемого турбулентного газа при различных углах атаки и значениях угловой скорости вращения потока;

— исследовать структуру обтекания зонда;

— разработать методику для проведения параметрических исследований модели с целью выбора рациональных АДХ;

— получить АДХ и сравнить со значениями, полученными с помощью эксперимента;

— разработать математическую модель колебаний зонда на тросе в восходящем закрученном потоке газа. Получить собственные частоты и формы колебаний зонда;

— построить траектории движения центра масс зонда на тросе и получить фазовые портреты;

— обосновать выбор аэродинамической компоновки;

— выдать рекомендации по оптимальным массогабаритным параметрам зонда (отношение веса к силе сопротивления, геометрические параметры);

— выдать рекомендации по способам подавления нежелательных колебаний.

Методы исследования. В работе использованы методы экспериментальной аэродинамики, предусматривающие визуализацию течений и проведение весовых экспериментов, математическое моделирование обтекания цилиндрических тел с различными стабилизирующими устройствами, на основе решения вязкой нестационарной задачи пространственного обтекания тела вращения с использованием численного метода конечных объемов.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов гарантируется: приемлемой точностью при проведении экспериментальных исследований измеряемых и вычисляемых величин, согласованием результатов локальных и интегральных характеристик с результатами экспериментальных исследований соискателя и данными, полученными при проведении физических испытаний в ЦАГИ им. II.Е. Жуковского, ФГУП ЦНИИмаш, Институт Механики МГУ им. М. В. Ломоносова, МГТУ им. Н. Э. Баумана и других организациях, последовательным использованием при построении математических моделей обтекания стабилизирующих устройств основных уравнений аэрогазодинамики, которые являются выражением фундаментальных законов сохранения массы, количества движения и энергии, корректностью выбора исходных ограничений и допущений при постановке задачи.

Научная новизна. В диссертационной работе выявлены основные структуры течений и установлены закономерности их изменений в зависимости от геометрии изучаемой компоновки. Определено влияние форм дисковых настроек на аэродинамические характеристики аппарата и конструктивные параметры, при которых наблюдается перестройка структуры течения, приводящая к глобальному срыву потока. Разработана методика численного моделирования обтекания зонда при малых дозвуковых скоростях полета, позволяющая определять параметры сложных, в том числе отрывных, течений с достаточной для инженерной практики точностью в широких диапазонах определяющих парамегров.

Практическая значимость диссертации заключается в разработке систем стабилизации, алгоритмов расчета и вычислительных программ, которые позволяют проводить математическое моделирование дозвукового пространственного обтекания аппарата со стабилизирующими устройствами. Кроме того, получен большой объем экспериментальных данных по аэродинамическим характеристикам цилиндрических аппаратов с различными головными и хвостовыми дисковыми стабилизаторами, выработаны рекомендации по выбору конструктивных параметров компоновок и особенностям исполнения СУ, функционирующих в условиях закрученного потока и возможного отрыва потока. Для создания математической модели использовалось свободное программное обеспечение: пакеты Salome, OpenFOAM, Paraview.

Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, использовались в учебном процессе кафедры СМЗ МГТУ им. Н. Э. Баумана, а также являлись составной частью госбюджетной НИР «Проведение исследований и создание научно-технического задела по созданию вычислительной платформы с набором средств разработки (АР1) для проведения автоматизированных инженерных расчетов больших задач аэрогидродинамики на суперкомпьютерах петафлопного класса» в 2011;2012.

На защиту выносятся названные методики и перечисленные результаты.

1. Результаты выбора системы аэродинамической стабилизации.

2. Результаты экспериментальных исследований обтекания стабилизирующих устройств зондов дозвуковым турбулентным потоком.

3. Методика и алгоритм расчета аэродинамических характеристик органов управления зонда, результаты математического моделирования и параметрических исследований.

4. Рекомендации по выбору конструкционных параметров компоновки зонда в закрученном потоке газа.

5. Анализ амплитуды колебаний зонда в свободном и возмущенном дозвуковом потоке по углу атаки.

Личный вклад автора состоит в разработке методик аэродинамических испытаний, расчетных методик, анализе и обобщении полученных результатов.

Рекомендации по внедрению: Результаты данной работы были рекомендованы к внедрению в ООО «ЦИЭКС». На основании рекомендаций были выбраны уточненные геометрические и весовые параметры диагностического комплекса «Сканлайнер».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева (г. Калуга, 2005; г. Санкт-Петербург, 2007; г. Жуковский, 2009) — XVII Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблем машиноведения (г. Москва, 2005) — Школа — семинар «Современные проблемы аэрогидродинамики», (г. Туапсе, 2005,2006,2007) — Международная научно-техническая конференция «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (г. Москва, 2006 и 2007) — Российская Национальная конференция по теплообмену (г. Москва, 2006 и 2010) — Международная научная конференция «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы механики» (г. Москва, 2007) — Школа-семинар «Аэродинамика летательных аппаратов» (п. Володарского, 2008 и 2010) — Научно-техническая конференции молодых ученых, специалистов, аспирантов и студентов «Будущее авиационной науки» (г. Жуковский, 2008) — Международная научная конференция ПАВТ (г. Нижний Новгород, 2009) — Всероссийская научно-техническая конференция «Фундаментальные основы баллистического проектирования» (г. Санкт-Петербург, 2010 и 2012) — Всероссийская конференция «Свободное программное обеспечение-2010» (г. Санкт-Петербург, 2010) — XXXVI Академические Чтения по космонавтике (г. Москва, 2012).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 25 научных работах, в том числе в 5 научных статьях перечня ВАК и 20 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения, содержащего программы расчета. Общий объем составляет 236 страниц, в том числе 188 страниц текста, 150 рисунков и 29 таблиц.

Список литературы

содержит 180 наименований. Приложение составляет 32 страницы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Выбрана оптимальная система пассивной аэродинамической стабилизации. Компоновка зонда в форме цилиндра с двумя дисками была устойчива в закрученном ограниченном потоке восходящего вязкого газа.

2. Проведен комплекс экспериментов, анализ результатов которых позволил выявить характерные структуры течения, закономерности их трансформации, их влияние на изменения АДХ в условиях отрыва потока. Показано, что при малых дозвуковых скоростях обтекание стабилизирующих устройств сопровождается образованием локальных зон отрывного течения. При сравнении результатов, полученных в аэродинамической трубе с открытой и закрытой частью, необходимо вводить поправку на блокировку потока.

3. Разработана методика численного моделирования течений при малых дозвуковых скоростях, позволяющая определять параметры сложных, в том числе отрывных, течений с достаточной инженерной точностью в широких диапазонах определяющих параметров. Проведена серия вычислений, подтверждающая приемлемость методики, а также позволившая проанализировать основные требования, предъявляемые к расчетным сеткам, использующимся в подобных задачах, и влияние числа конечных объемов на точность получаемого решения. В результате расчетов получено распределение параметров потока при наличии закрутки во всех возмущенных областях при обтекании цилиндрических тел с различными дисковыми надстройками (стабилизирующими устройствами), существенно дополняющее результаты экспериментальных исследований. При увеличении интенсивности закрутки возможно развитие динамической неустойчивости.

4. Установлено, что геометрия СУ оказывает влияние на интегральные АДХ и распределение давления. Получено для случая закрученного потока изменение продольной силы до 10%, нормальной силы более 50%, увеличение момента тангажа по модулю до 25%, что обусловлено воздействием отрывного течения. Определено влияние СУ на АДХ, которое связано с интерференционным воздействием течений. Различие с экспериментом составило 6%. Максимальная ошибка в расчете коэффициента давления составила 5%.

5. С помощью полученных методик были даны рекомендации по выбору массогабаритных параметров. При выборе массы зонда необходимо было использовать соотношение Р/Х> 10. Для выбора геометрических параметров необходимо использовать соотношения: ?,/?>2=1.3−1.6, I,/г/=2.5−3.0, £>,/с/= 3.8−5.0- ?/?/=5.5−6.0. Данный результат может быть использован при проектировании конструкции зонда.

6. Разработана модель динамики зонда на тросе, которая представлена в Приложении. Проведены исследования зонда в свободном и возмущенном потоке. Показано, что при выбранных конструктивных параметрах амплитуда колебаний зонда не превышает 10 градусов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненного диссертационного исследования, носящего квалификационный характер, решена актуальная научно-техническая задача, посвященная разработке методики моделирования (физического, математического) АДХ СУ зондов при дозвуковом отрывном обтекании. Это позволило повысить эффективность использования СУ и достоверность определения их аэродинамических характеристик.

Проведен комплекс экспериментов (дренажных, визуализационных, весовых), анализ результатов которых позволил выявить характерные структуры течения и закономерности их трансформации, определить влияние конструктивных параметров на АДХ СУ и дать рекомендации по их выбору.

Разработанная методика расчета аэродинамических характеристик цилиндрических зондов различной формы, базирующаяся на решении задачи вязкого пространственного обтекания тел несжимаемым потоком с использованием метода конечного объема показала удовлетворительное согласование с экспериментом в широком диапазоне конструктивных параметров. На основании проведенных исследования даны рекомендации по выбору рациональных массогабаритных характеристик зондов, работающих в ограниченно-пространственном закрученном дозвуковом потоке газа.

Основные работы, отражающие содержание диссертации:

1. Калугин В. Т., Стрижак C.B., Сущев С. П. Аэродинамическая стабилизация диагностического комплекса «Сканлайнер» // Известия РАН. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2006. № 3. С. 87−94.

2. Калугин В. Т., Стрижак C.B. Физическое и математическое моделирование отрывного обтекания аппарата-зонда с дисковыми стабилизаторами в закрученном потоке газа // Научный Вестник МГТУ ГА. Аэромеханика и прочность. 2008. № 125. С. 63−67.

3. Калугин В. Т., Стрижак C.B. Конструирование многоблочных сеток для тел вращения с дисковыми надстройками // Научный Вестник МГТУ ГА. Аэромеханика и прочность. 2009. № 138 (1). С. 82−85.

4. Калугин В. Т., Стрижак C.B. Параметрические исследования аппарата-зонда в закрученном потоке газа // Известия ЮФУ. Технические науки. 2012. № 6. С. 14−18.

5. Калугин В. Т., Стрижак C.B. Выбор аэродинамической компоновки аппарата-зонда, обтекаемого турбулентным закрученным потоком газа // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 10. С. 1−12.

6. Калугин В. Т., Стрижак C.B. К задаче определения аэродинамических характеристик диагностического комплекса «Сканлайнер» // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XV Всерос. школы-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева. М., 2005. Т.1. С. 83−86.

7. Калугин В. Т., Стрижак C.B., Сущев С. П. Численное моделирование процесса теплообмена на поверхности диагностического комплекса «Сканлайнер» // Четвертая Российская Национальная конференция по теплообмену: Труды конференции. М., 2006. Т.2. С. 124−127.

8. Калугин В. Т., Стрижак C.B. Модель обтекания диагностического комплекса «Сканлайнер» в закрученном потоке газа // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XVI Всерос. школы-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева. М., 2007. Т.1. С. 156−159.

9. Стрижак C.B. Математическое моделирование отрывного обтекания цилиндрических тел с дисковыми надстройками // Проблемы газодинамики и тепломассобмена в аэрокосмических технологиях: Труды XVII Всерос. Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева. М., 2009. Т.1. С. 101−104.

10. Возможности открытого пакета OpenFoam для решения задач аэрогидродинамики и теплообмена / C.B. Стрижак [и др.] // Пятая Российская Национальная конференция по теплообмену: Труды РНКТ-5. М., 2010. Т.1. С.85−88.