Численное моделирование течения и теплообмена при свободной и смешанной конвекции в быстровращающихся кольцевых полостях
В практически значимых условиях, обусловленных температурной стратифкпсацией и вращением, в указанных течениях могут возникать явления, связанные с глобальной неустойчивостью. При этом в них развиваются автоколебательные процессы, проявляющиеся либо в виде динамического хаоса при эволюции небольшого числа пространственных структур (маломодовая турбулентность при умеренных числах Релея), либо… Читать ещё >
Содержание
- Основные обозначения
- 1. Обзор литературы и постановка задачи
- 1. 1. Прикладная направленность работы
- 12. Результаты исследований течения и теплообмена в замкнутых междисковых полостях
- 1. 2. 1. Цилиндрические полости
- 1. 2. 2. Кольцевые полости
- 1. 23. Кольцевые полости с радиальными перегородками
- 13. Результаты исследований течения и теплообмена в вентилируемых полостях с осевым протоком
- 1. 3. 1. Течение в необогреваемых полостях
- 1. 32. Экспериментальные исследования течения и теплообмена в обогреваемых полостях
- 133. Численное моделирование течения и теплообмена в обогреваемых полостях
- 14. Цель и задачи собственного исследования
- 2. Постановка задач и численный метод
- 2. 1. Общая постановка задачи течения и теплообмена в быстровращающихся полостях
- 2. 1. 1. Определяющие уравнения и параметры подобия течений
- 2. 1. 2. Граничные и начальные условия
- 2. 2. Характерные свойства течений в быстровращающихся полостях с обогреваемыми поверхностям
- 2. 2. 1. Особенности невязкого течения в ядре потока
- 2. 2. 2. Течение в слое Экмана
- 2. 3. Основные положения численного метода
- 2. 3. 1. Преобразование координат и геометрия ячеек
- 2. 3. 2. Дискретизация уравнений сохранения
- 2. 3. 3. Вычислительные аспекты настоящей работы
- 2. 1. Общая постановка задачи течения и теплообмена в быстровращающихся полостях
- 3. 1. Полости прямоугольного сечения
- 3. 2. Полость с усложненной геометрией сечения
- 3. 3. Влияние температурных граничных условий на течение и теплообмен в полости прямоугольного сечения
- 4. 1. Теплообмен между дисками в полностью перегороженной полости
- 4. 2. Теплообмен между дисками в частично перегороженной полости
- 4. 3. Теплообмен между цилиндрическими поверхностями в полностью перегороженной полости
- 4. 3. 1. Режимы свободной конвекции в 60-градусном секторе
- 4. 3. 2. Свободная конвекция в 45-градусном секторе. Сопоставление с результатами известных экспериментальных исследований
- 5. 1. Замкнутая полость
- 5. 2. Полость с осевым протоком охлаждающего воздуха
Численное моделирование течения и теплообмена при свободной и смешанной конвекции в быстровращающихся кольцевых полостях (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Течения неизотермических сред в полях массовых сил, вызванных плавучестью и вращением, чрезвычайно многообразны по своим проявлениям и постоянно привлекают внимание исследователей.
Свободнои смешанноконвективные течения в замкнутых и проточных быстровращающихся полостях, где эффекты плавучести связаны с центробежным ускорением, характерны для междисковых пространств роторов высокотемпературных газовых турбин и высоконапорных осевых компрессоров. Для этих узлов актуальность углубленного исследования конвективного теплообмена определяется необходимостью возможно точного предсказания термических напряжений и деформаций указанных узлов, от которых зависят надежность и рабочие характеристики высокотемпературных газотурбинных двигателей и установок.
В практически значимых условиях, обусловленных температурной стратифкпсацией и вращением, в указанных течениях могут возникать явления, связанные с глобальной неустойчивостью. При этом в них развиваются автоколебательные процессы, проявляющиеся либо в виде динамического хаоса при эволюции небольшого числа пространственных структур (маломодовая турбулентность при умеренных числах Релея), либо через возникновение и трансформацию крупномасштабных вихревых структур на фоне развитого турбулентного движения (большие числа Релея).
Представляемая работа посвящена исследованию течения и теплообмена газа в быстровращающихся кольцевых полостях в условиях, характерных для междисковых полостей роторов газотурбинных установок. Метод исследованиячисленное моделрфование.
В первой главе обосновывается актуальность выбранной темы исследования, её научное и практическое значение. Подвергнуты анализу и систематизированы результаты исследований течения и теплообмена в замкнутых полых и разделенных перегородками полостях. Отражены основные результаты экспериментального и численного моделирования конвекции в вентилируемьк полостях с осевым протоком воздуха между валом и ступицами дисков. На основе обзора сформулирована цель настоящей работьь.
Во второй главе описаны математическая модель и численный метод, на базе которых были проведены расчеты. Течение и теплообмен рассматриваются в относительном движении, в системе координат, равномерно вращающейся с постоянной угловой скоростью. Нестационарное трехмерное течение вязкой жидкости описьшается системой уравнений Навье-Стокса и энергии. При расчетах использовались модель несжимаемой среды с учетом эффектов плавучести в приближении Буссинеска и модель идеального газа с плотностью, зависящей от температуры. Численное моделирование проводились с использованием программного комплекса 81ЫР-2, разработанного на кафедре гидроаэродинамики СПбГТУ под руководством проф. Е. М. Смирнова. Расчеты вьшолнялись на многоблочных структурированных неравномерных сетках, вписанных в границы области течения.
В третьей главе рассматриваются осесимметричные течения и теплообмен в кольцевых полостях. В главе содержатся результаты методических расчетов и сопоставление их с известными экспериментальными и расчетными данными. Рассмотрено влияние изменения изначально прямоугольной формы меридионального сечения в периферийной его части на свободнзлю конвекцию в полости. Исследовано влияние модификации температурных условий, создающей в полости осерадиальное направление теплопереноса, на течение и теплообмен.
В четвертой главе систематически исследована свободная конвекция в кольцевых полостях с радиальными перегородками. Радиальные перегородки различной конфигурации служат дополнительным геометрическим фактором, влияющим на явления переноса во вращающихся полостях. В практическом смысле они могут служить моделью элементов конструкции ротора, периодически расположенных внутри полости. Проанализированы параметры течения и теплоотдачи в зависимости от числа Релея, геометрических параметров перегородок и направления теплопереноса через полость. При радиальном направлении теплопереноса получены статистически установившиеся решения для трехмерных квазипериодических и стохастических режимов свободной конвекции.
Пятая глава посвящена исследованию нестационарных течений и теплообмена в кольцевых полостях. Для условий, соответствующих известным опытам, получены статистически установившиеся решения для стохастического течения во вращающейся замкнутой кольцевой полости и в полости со сквозным приосевым протоком. Для полости со сквозным протоком воспроизведены основные наблюдавшиеся в опытах структуры течения, получен обширный набор данных об их эволюции во времени. Сопоставление данных, полученных для проточной и замкнутой полостей, позволило проанализировать влияние транзитного потока на течение и теплообмен.
В заключительной части представлены основные результаты и вьшоды, полученные в работе.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность сотрудникам кафедры гидроаэродинамики СПбГТУ профессору Е. М. Смирнову, доценту Д. К. Зайцеву и ассистенту Н. Г. Иванову за постоянное внимание и помощь, оказанную при выполнении работы.
Заключение
.
Итоги проделанной работы и выводы по ее результатам сводятся к следующему.
1. Накоплен методический опыт численного моделирования стационарных, квазипериодических и стохастических режимов свободной и смешанной конвекции в быстровращающихся кольцевых полостях. Преодолены специфические трудности расчетов, связаннью с высокой интенсивностью полей массовых сил и нестационарностью. Создана методическая основа для численного моделирования сходных явлений в условиях реальных газотурбинных установок.
2. Расчеты подтвердили, что стационарный ламинарный режим течения в замкнутых полостях при осевом теплопереносе может существовать при высоких значениях числа Релея (порядка для осесимметричных течений). Квазипериодические и стохастические режимы течения получены для замкнутых и проточных полостей с преимущественно радиальным теплоподводом.
3. Рассмотрено влияние изменения формы меридионального сечения и влияние направления теплопереноса на осесимметричную свободную конвекцию в замкнутых полостях. Установлено, что изменение изначально прямоугольной формы меридионального сечения в периферийной его части оказьшает слабое влияние на теплоотдачу. Напротив, модификация температурных условий, создающая в полости осерадиальное направление теплопереноса, может оказьшать существенное влияние на течение и теплоотдачу.
4. Систематически исследована свободная конвекция в кольцевых полостях с радиальньЕ4и перегородками. Проанализированы параметры течения и теплоотдачи в зависимости от числа Релея, геометрических параметров перегородок и направления теплопереноса через полость.
5. Показано, что при осевом направлении теплопереноса в полостях с разным количеством сплошных перегородок устанавливается одноконтурное циркуляционное течение, которое увеличивает теплопередачу между дисками по сравнению с теплоотдачей в полости без перегородок. Увеличение числа перегородок повьппает теплоотдачу дисков. Для полости с шестью перегородками получена зависимость средней теплоотдачи от числа Релея.
6. Исследовано влияние расположения и высоты частичных перегородок на течение и теплообмен. Показано, что наибольшая теплоотдача наблюдается в случае, когда перегородки примьпсают к относительно горячей дисковой поверхности. Для этого случая определена зависимость средней теплоотдачи от высоты перегородки.
7. Получены статистически установившиеся решения для трехмерных квазипериодических и стохастических режимов свободной конвекции в полостях с перегородками, установленными через 45° или 60°, при радиальном направлении теплопереноса. Получен набор данных об эволюции течения во времени и об энергетических спектрах пульсаций скорости.
8. Показано, что в образованных перегородками секторах формируется преимущественно циклональная циркуляция. Увеличение параметра вращения вызывает двумеризацию потока поперек полости. Одновременно растет средняя теплоотдача, а амплитуда пульсаций теплового потока заметно уменьшается. Для 45-градусного сектора получено хорошее согласование расчетного значения средней теплоотдачи с опытными данными.
9. Для условий, соответствующих известным опытам, получены статистически установившиеся решения для стохастического течения во вращающейся замкнутой кольцевой полости и в полости со сквозным приосевым протоком.
10. Для полости со сквозным протоком воспроизведены основные наблюдавшиеся в опытах структуры течения, получен обширный набор данных об их эволюции во времени. Рассчитанная частота прецессии вихревых структур в полости с протоком близка к экспериментальной. На периферии дисков расчетные и опытные данные о радиальном распределении теплоотдачи близки между собой.
11. Сопоставление данных, полученных для проточной и замкнутой полостей, показало, что транзитный поток способствует усилению хаотической составляющей движения, потере однородности течения поперек полости и существенно влияет на локальную и среднюю теплоотдачу дисковых поверхностей.
Список литературы
- Гебхарт Б, Джалурия И, Махаджан Р. Л., Саммакия Б. Свободно-конвективные течения, тепло- и массообмен. В 2-х томах: Том.2.: Пер. с англ. М.: Мир, 1991. — 528 с.
- Гринспен X. Теория вращающихся жидкостей. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. — 304 с.
- Дорфман Л.А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел. М.:Физматгиз, 1960. — 260 с.
- Дофман Л.А. Ламинарная тепловая конвекция во вращающейся полости между двумя дисками // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. -1968.-№ 1.-С. 40−46.
- Зысина-Моложен Л.М., Зысин Л. В., Поляк М. П. Теплообмен в турбомаши-нах. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1974, — 336 с.
- Зысина-Моложен Л.М., Салов H.H. Теплообмен и режимы течения жидкости в замкнутой вращающейся кольцевой полости // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». 1977. — № 1. — С. 54−59.
- Капинос В.М. Конвективный теплообмен в замкнутой полости между двумя вращающимися дисками при турбулентном режиме течения // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». 1966. — № 1. -С. 123−129.
- Капинос В.М. Теплообмен естественной конвекцией в замкнутой полости между двумя дисками в поле центробежных сил при ламршарном режиме течения // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». 1966. — № 4. — С. 75−80.
- Капинос В.М., Пустовалов В. Н., Рудько А. П. Эффект стабилизации тепловой конвекции в замкнутой осесимметричной вращающейся полости // Энергетическое машиностроение. 1981. — Вьш. 32. — С. 76−79.
- Капинос В.М., Матвеев Ю. Я., Пустовалов В. Н. Тепловая конвекция в невен-тилируемых полостях роторов паровых турбин // Теплоэнергетика. 1983. -№ 8. — С. 36−39.
- Кириченко В.И. Прочность и колебания дисков газотурбинных двигателей. -Харьков, Харьковский авиационный институт, 1979. 105 с.
- Копелев С.З., Гуров СВ. Тепловое состояние элементов конструкции авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1978. — 208 с.
- Крейц Ф. Конвективный теплообмен во вращающихся системах. / В кн.: Успехи теплопередачи. М.: Мир, 1971. — С. 144 — 279.
- Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. — 848 с.
- Локай В.П., Бодунов М. Н., Жуйков В. В., Щукин A.B. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1993.-288 с.
- Махнова Г. В., Рис В.В., Смирнов Е. М. Двумерная ламинарная свободная конвекция в полости, имеющей форму квадрата со скругленными углами / Труды Второй Российской национальной конференции по теплообмену, М., Изд-во МЭИ, 1998. Т.З. С. 100−103.
- Патанкар С. Числетаые методы решеьшя задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 152 с.
- Салов H.H. Теплоотдача на цилиндрической поверхности в полостях роторов газотзфбинных двигателей // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». 1991. — № 1. — С. 43−48.
- Салов H.H. Исследование теплоотдачи диска во вращающейся полости с осевым и радиально-осевым течением жидкости // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». 1992. — № 1. — С. 53−57.
- Салов H.H. Исследование теплоотдачи во вращающейся кольцевой полости с осевым течением охладителя при вращении центрального вала // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». 1993. — № 4. -С. 51−54.
- Салов H.H. Исследование теплообмена во вращающейся полости дискобара-банной конструкции с осевым течением охладителя // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». 1994. — № 3. — С. 56−60.
- Салов H.H. Зависимость теплоотдачи охлаждаемого диска от распределения температуры на ограничивающих поверхностях в замкнутой полости ротора // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». -1996.-№ 1.-С. 101−105.
- Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981. — 550 с.
- Швец И.Т., Дыбан Е. П. Воздушное охлаждение деталей газовых турбин. -Киев, Наукова думка, 1974. 488 с.
- Щукин В.К., Олимпиев В. В. Экспериментальное исследование теплоотдачи в замкнутой полости между вращающимися дисками // Инженерно-физический журнал. 1976. — Т. XXX. -№ 4. — С. 613−618.
- Bayley F.J., Long C.A., Turner A.B. Discs and drums: the thermo-fluid dynamics of rotating surfaces // J. Mech. Eng. Sei. 1993. — Part С. — Vol. 207. — P. 73−81.
- Beam R.M., Warming R.F. An implicit factorized scheme for the compressible Navier-Stokes equations // AIAA Journal. 1978. — Vol. 16. — P.393−402.
- Bohn D., Dibelius G.H., Deuker E., Emunds R. Flow pattern and heat tiansfer in a closed rotating annulus // ASME Journal of ТщЬотасЫпегу. 1994. — Vol. 116. — P. 542−547.
- Bohn D., Emunds R., Gorzelitz V., Kruger U. Experimental and theoretical investigations of heat tiansfer in closed gas-filled rotating annuli II / In.: Proc. ASME ТшЬо Expo 1994, The Hague, Netherlands, 1994. ASME Paper 94-GT-175. 11 p.
- Bohn D., Deuker E., Emunds R., Gorzelitz V. Experimental and theoretical investigations of heat tiansfer in closed gas-filled rotating aimuli // ASME Journal of Twbomachineiy. 1995. — Vol. 117. -R 175−183.
- Bohn D., Gier J. The effect of turbulence on the heat tiansfer in closed gas-filled rotating annuli // ASME Journal of Turbomachineiy. 1998. — Vol. 120. -P. 824−830.
- Bohn D., Gier J. The effect of 1щЬи1епсе on the heat tiansfer in closed gas-filled rotating aimuU for different Rayleigh numbers / In.: Proc. ASME ТщЬо Expo 1998, Stockholm, Sweden, 1998. ASME Paper 98-GT-542. 9 p.
- Bohn D., Burkhardt С, Deutsch G., Simon В. Visualisation of flow phenomena in rotating cavities with axial throughflow and comparison with numerical results / hi.: Proc. PSFVIP-2, Honolulu, USA, 1999. PF032. 13 p.
- Bohn D.E., Burkhardt C, Deutsch G.N., Simon B. Flow visuaHsation in a rotating cavity with axial throughflow / In.: Proc. ASME Turbo Expo 2000, Munich, Germany, 2000. ASME paper 2000-GT-28D. 8 p.
- Burkhardt C, Mayer A., Reile E. Transient thermal behaviour of a compressor rotor with axial cooling air flow and co-rotating or contra-rotating shaft / Heat transfer and cooling in gas turbines, 1993. AGARD CP527. P. 21.1−21.9.
- Chew J.W. Computation of convective laminar flow in rotating cavities. // J. Fluid. Mech. 1985. — Vol. 153. -P. 339−360.
- Chew J.W., Owen J.M., Pincombe J.R. Numerical predictions for laminar source-sink flow in a rotating cylindrical cavity // J. Fluid. Mech. 1984. -Vol. 143. -P. 451−466.
- Chorin A.J. A numerical method for solving incompressible viscous flow problems // J. Comput. Phys. 1967. — Vol. 2. — P. 12−26.
- De Vahl Davies G. Natural convection of air in a square cavity: a benchmark numerical solution // Int. J. Num. Methods Fluids. 1983. — Vol. 3. — P. 249−264.
- Farthing P.R., Long C.A., Owen J.M., Pincombe J.R. Rotating cavity with axial throughflow of cooling air: flow structure // ASME Journal of Turbomachinery. -1992.-Vol. 114.-P. 237−246.
- Farthing P.R., Long C.A., Owen J.M., Pincombe J.R. Rotating cavity with axial throughflow of cooling air: heat transfer // ASME Journal of Turbomachinery. -1992.-Vol. 114.-P. 229−236.
- Harada I., Ozaki N. A numerical study of the thermal spin-up of a stratified fluid m a rapidly rotating cylinder // Lect. Notes Phys. 1975. — Vol. 35. — P. 197−203.
- Hennecke D.E. Heat transfer problems in aero-engines / In.: Heat and mass transfer in rotating machinery (Ed. by Metzger D.E. and Afgan N.H.), Hemisphere publ. corp., Yugoslavia, 1984. P. 353−379.
- Heimecke D.K., Sparrow E.M., Eckert E.R.G. Flow and heat transfer in a rotating enclosure with axial throughflow // Warme- und Stoffabertragung, 1971. ~ Vol. 4. P. 222−235.
- Homsy G.M., Hudson J.L. Centrifugally driven thermal convection in a rotating cylinder // J. Fluid. Mech. 1969. — Vol. 35. — P. 33−52.
- Hudson J.L., Tang O., Abell S. Experiments on centrifugally driven thermal convection in a rotating cylinder // J. Fluid. Mech. 1978. — Vol. 86. — P. 147−159.
- Kais G., Long C A, Tucker P.G. Flow and heat transfer m rotating cavities with axial throughflow / In.: Heat transfer 1994 / Proc. 10* Int. Heat Transfer Conf, Brighton, UK, 1994. Vol. 4. P. 253−259.
- Khodak A.E., Kirillov A.I., Ris V.V., Smimov E.M. Local heat transfer in 3-D turbulent flow through ducts rotating in the orthogonal mode / In: Heat Transfer 1994 / Proc. 10* Int. Heat Transfer Conf, Brighton, UK, 1994. Vol. 4. P.261−266.
- Kili9 M. Computation of flow and heat transfer in rotating cavities with peripheral flow of cooling air / Aimals of the New York academy of sciences, 2001. Vol. 934. P. 513−520.
- Kim S. Y., Han J. C, Morrison G.L. Influence of surface heating condition on local heat transfer in enclosed corotating disks with axial throughflow / In.: Proc. ASME Turbo Expo 1993, Cincmnati, Ohio USA, 1993. ASME-Paper 93-GT-258. 7 p.
- Leonard В.Р. А stable and accurate convective modelling procedure based on quadratic upstream intelolation // Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1979. -Vol. 19. -P.59−98.
- Lin T. Y., Preckshot G.W. Steady state lamuiar natural convection in a rotatmg an-nulus / In.: Studies in Heat Transfer. A Festschrift for E.R.G. Eckert / Hemisphere publ. corp., 1979. P. 219−246.
- Long C.A. Disk heat transfer in a rotating cavity with an axial throughflow of cooling air // Int. J. Heat and Fluid Flow. 1994. — Vol. 15, № 4. -P. 307−316.
- Long C. A., Tucker P.G. Numerical computation of laminar flow in a heated rotating cavity with an axial throughflow of air // Int. J. Num. Meth. Heat Fluid Flow. 1994. — Vol. 4. — P 347−365.
- Long C.A., Tucker P.G. Shroud heat transfer measurements from a rotating cavity with an axial throughflow of air // ASME Journal of Turbomachinery. 1994. -VoL 116.-P. 525−534.
- Long C.A., Morse A.P., Tucker P.G. Measurement and computation of heat transfer in high-pressure compressor drum geometries with axial throughflow // ASME Journal of Turbomachinery. 1997. — Vol. 119. — P. 51−60.
- Owen J. M., Pincombe J.R. Vortex breakdown in a rotatmg cylindrical cavity // J. Fluid Mech. 1979. — Vol. 90. — P. 109−127.
- Owen J. M. Air-cooled gas-turbine discs: a review of recent research // Int. J. Heat and Fluid Flow. 1988. — Vol. 9, JV* - P. 354−365.
- Owen J.M., Rogers R.H. Flow and heat transfer in rotating-disc systems, V. 2: Rotating cavities, John Wiley and Sons, 1995. 296 p.
- Owen J.M., Wilson M Some current research in rotating-disc systems / Heat transfer in gas turbine systems / Annals of the New York academy of sciences, 2001. Vol. 934. P. 206−221.
- Rhie CM., Chow W.L. A numerical study of the turbulent flow past an isolated airfoil with trailing edge separation // AIAA Journal. 1983. — Vol. 21. — P. 15 251 532.
- Smimov E.M., Solving the Full Navier-Stokes Equations for Very-Long-Duct Flows Using tiie Artificial Compressibility Metiiod / In.: ECC0MAS-2000, Barcelona, Spam (CD-ROM pubUcation), 2000. 17 p.
- Sri Kanta M. A correlation of heat tiansfer measurements from the Mk II rotating cavity rig with an axial throughflow of coolant / Thermo-fluid mechanics research centie University of Sussex, 1987. 87/TFMRC/TN48.
- Stewartson K. Some recent developments in boundary layer theory / In.: Fluid dynamics tiansactions (Ed. by W. Fiszdon et al.), PWN (PoUsh Scientific PubHshers), Warsawa, 1967. Vol. 3. P. 127−146.
- Tucker P.O., Long C.A. CFD prediction of vortex breakdown in a rotating cavity with an axial throughflow of air // Int. Comm. Heat Mass Transfer. 1995. -Vol. 22, № 5. — P. 639−648.
- Tucker P.O., Long C.A. Numerical investigation into influence of geometry on flow in a rotating cavity with an axial throughflow // Int. Comm. Heat Mass Transfer. 1996. — Vol. 23, JVfo3. — P. 335−344.
- Virr G.P., Chew J.W., Coupland J. Application of computational fluid dynamics to turbine disk cavities // ASME Journal of Turbomachinery. 1994. — Vol. 116. -R 701−708.