Материал: Ракетно-космическая техника и технология 2015. тез. докл. Российской науч.- техн. конф., посвященной 50-летию первого запуска РН «Протон» 16 июля 1965 года. Федеральное космическое агентство

выявить недостатки, исправить их и подобрать наиболее рентабельное решение конструкторской задачи.

FLUENTПрограммный модуль ANSYS имеет широкий спектр возможностей моделирования течений жидкостей и газов для промышленных задач с учетом турбулентности, теплообмена, химических реакций. Позволяет решать такие задачи, как: течения жидкостей и газов в каналах произвольной формы, внешнего обтекания, теплопередачи (вынужденная и свободная конвекция, теплопередача и лучистый теплообмен),течения со свободными поверхностями, течения многофазных сред, течения реагирующих потоков, включая горение, движения твердых частиц и капель жидкости в потоке, изменения фазового состояния вещества (плавление, кипение, кристаллизация, испарение, кавитация, течения в движущихся каналах (например, в смесительных устройствах и турбомашинах), моделирования течения в каналах с меняющейся в процессе решения геометрией (например, в цилиндрах ДВС), акустики. Программа Fluent позволяет решать двухмерные, осесимметричные и трехмерные задачи в стационарной или нестационарной постановках в большом диапазоне скоростей потока. Течение рабочего тела может рассматриваться как невязкое, ламинарное или турбулентное.

ANSYS FLUENT - это удобный, отказоустойчивый инструмент, позволяющий даже новичкам достигать высокой производительности труда (рис.1.).

Рис.1.Рабочая область Fluent

15

Интеграция модуля ANSYS FLUENT в рабочую среду ANSYS Workbench, а также возможность использования модуля ANSYS CFD-Post для обработки результатов создает комплексное решение для выполнения инженерного анализа в области моделирования течений жидкостей и газов.

Типичный процесс исследования потока с помощью программного комплекса Fluent показан на блок-схеме (рис. 2).

Первые три этапа решения задачи выполняются модулями

ANSYS (DesignModeler, ANSYSMeshing), являющимися составной частью программного комплекса. Остальные этапы реализуются непосредственно в программе Fluent.

Программный комплекс Fluent использует неструктурированную сеточную технологию. Это значит, что он может решать задачи на конечно-элементных сетках, состоящих из элементов разнообразной формы: шестиугольников, четырехугольников и треугольников, гексэдеров и тетраэдеров, призм, пирамид и др.

Рис. 2. Этапы решения газодинамических задач в программном комплексе Fluent

16

Конечно-элементная сетка может адаптироваться (сгущаться или укрупняться) по результатам расчета. Это позволяет получить более точное решение для областей с большими градиентами параметров потока, например, для пограничных слоев и скачков уплотнения. Указанная возможность снижает требования к качеству сетки, сокращает время ее создания и проведения расчета, а также позволяет снизить объем оперативной памяти.

Программа Fluent обладает большой базой данных свойств рабочих тел, которая включает в себя сведения о жидкостях, газах и твердых телах. Она может быть расширена за счет пользовательских баз. Параметры рабочего тела в расчете могут быть как постоянными, так и меняться в зависимости от параметров потока.

Программный комплекс использует для решения метод конечных объемов и позволяет проводить решение задач с помощью одного из трех алгоритмов:

неявного алгоритма PressureBased (в российской литературе его называют алгоритмом установления);

явного алгоритма DensityBased (в российской литературе - алгоритм расщепления);

неявного алгоритма DensityBased.

Решатель программного комплекса позволяет проводить решение на вложенных сетках. Исходные уравнения могут быть дискретизированы по первому, второму или частично третьему порядку точности. Решение может быть распараллелено и осуществляться на нескольких процессорах.

Во Fluent включены различные физические модели таких процессов, как: теплопередача, фазовые переходы, кавитация и др.

В программном комплексе доступны следующие модели турбулентности: Рейнольдса, Спаларта - Аламарса, k- ,k- , V2F, LES, DES. Повышение точности моделирования пограничных слоев достигается за счет использования пристеночных функций.

Программа Fluent позволяет использовать большое количество граничных условий на входе и выходе из расчетной области, моделировать подвижные стенки каналов.

В программе реализованы широкие возможности визуализации результатов решения. Возможно, построение полей распределения

17

параметров потока, векторов, линий тока, создание анимации, управление отображением модели и т.п. Результаты могут быть представлены в виде графиков, текстовых файлов или интегральных значений параметров.

Программный модуль ANSYS нашел широкое применение в космической технике. К примерам применения FLUENT можно отнести задачи обтекания крыла, горение в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя, прогнозирование энергетических характеристик центробежного насоса, проведение планируемого вычислительного эксперимента для оптимизации проточной части центробежного насоса. Моделирование смесеобразования и горения в камере сгорания ЖРД. Моделирование места положения утечки в нефтепровод, специализированные модели горения, аэроакустики, вращающихся/неподвижных расчетных областей, многофазных течений. С его помощью решаются инженерные задачи разной сложности, значительно упрощается процесс создания ЖРД.

Литература

1.ANSYS CFX Version 15.0 Documentation 2015

2.Ресурсы Интернет (http://www.cae-expert.ru/product/ansys-

fluent).

УДК 518.5:629.7.036.54-63

ИМИТАЦИОННОЕ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В БЕЗЛОПАТОЧНОМ НАПРАВЛЯЮЩЕМ АППАРАТЕ МАЛОРАЗМЕРНОЙ ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Д.В. Боровков, КБХА, инженер-конструктор, тел. (473) 234-64-96 Ю.В. Демьяненко, КБХА, начальник отдела, д-р техн. наук, проф.,

тел. (473) 234-64-96

В статье 2001 г [1] рассмотрены преимущества и недостатки безлопаточных направляющих аппаратов (БлНА), применяемых в турбинах турбонасосных агрегатов (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Изложен опыт применения в конструкторском бюро химавтоматики (КБХА) БлНА в турбинах, работающих на

18

окислительном газе. Приведены основные параметры турбин с БлНА, разработанных в КБХА. Среди присущих БлНА недостатков названо отсутствие надежных инженерных методик расчета и профилирования БлНА, приводящее в отдельных случаях к тому, что действительный расход газа через турбину заметно отличается (в бόльшую или меньшую сторону) от расчетного значения.

Развитие вычислительнойгидрогазодинамики (CFD) и компьютерных технологий позволяет устранить указанный недостаток. Современные программные CFD комплексы (в частности ANSYSCFX, применяемый для CFD расчетов в КБХА) предоставляют возможность выполнять при проектировании и анализе существующих конструкций значительно больший объем расчетов. Решение пространственной задачи течения газа в БлНА позволяет получать не только интегральные, но и локальные значения параметров проточной части, моделировать рабочие процессы с большей точностью, чем при использовании традиционных расчетных методик [2]. Полученное в результате пространственного CFD расчета распределение параметров потока в БлНА позволяет оценить совершенство его проектирования, выявить слабые места рассматриваемой конструкции и определить мероприятия для устранения недостатков и, следовательно, улучшения характеристик турбины.

Цель данного имитационного моделирования – получение методом CFD интегральных значений и распределения основных характеристик БлНА – угла потока 1 и скорости потока на выходе С1, валидация и верификация расчетной модели БлНА, выводы о применимости выбранного инструмента (ANSYSCFX) для решения данной конкретной задачи.

РассматриваемыйБлНА является частью корпуса турбины ТНА, выполненного заодно с корпусом насоса.

По рабочим чертежам в среде SolidWorks создана пространственная модель корпуса турбины ТНА. Общий вид модели представлен на рис. 1, разрез – на рис. 2.

При построении таких сложных моделей целесообразно пользоваться не твердотельными, а поверхностными инструментами. После построения и доработки всех поверхностей осуществляется сшивка их в твердое тело. Желательно, чтобы меридиональные сечения БлНА состояли из одинакового

19