Математическое моделирование течения струи реверсивного устройства турбореактивного двигателя во внешнем потоке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Варсегов, Вадим Львович

• Варсегов, Вадим Львович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Варсегов, Вадим Львович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ТЕЧЕНИЯ СТРУИ В ПОПЕРЕЧНОМ ПОТОКЕ.

1.1. Эмпирические и полуэмпирические методы расчета струи в потоке.

1.2. Интегральные методы расчета струи в потоке.

1.2.1. Полуэмпирические теории турбулентности.

1.2.2. Решение задачи о струе в потоке интегральным методом.

1.3. Численные методы расчета струи в потоке.

1.4. Постановка цели и задачи исследования.

2. РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОЙ СТРУИ СЕКТОРНОЙ ФОРМЫ, ВЫТЕКАЮЩЕЙ ПОД УГЛОМ НАВСТРЕЧУ РАВНОМЕРНОМУ ПОТОКУ.

2.1. Интегральный метод расчета основного участка струи.

2.2. Интегральный метод расчета начального участка струи.

2.3. Интегральный метод расчета переходного участка струи.

2.4. Адаптация метода расчета струи к натурным условиям работы двигателя в режиме реверсирования тяги.

2.4.1. Определение параметров струи на выходе из решеток реверсивного устройства.

2.4.2. Методика оценки режима начала прилипания струи реверса к мотогондоле.

2.5. Программа расчета течения секторной струи в потоке.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Экспериментальные установки и исследуемые модели.

3.2. Методика проведения испытаний и обработки полученных результатов.

3.2.1. Тарировочные эксперименты.

3.2.2. Порядок проведения испытаний.

3.2.3. Методика обработки экспериментальных данных.

3.3. Определение погрешности измерений и обработки результатов.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Экспериментальное определение параметров струи на выходе из решеток реверсивного устройства.

4.2. Экспериментальное определение режима начала прилипания струи реверса к мотогондоле.

4.2.1. Моделирование режима работы двигателя ПС-90.

4.2.2. Определение режима начала прилипания струи реверса к мотогондоле.

4.3. Некоторые особенности исследуемого течения.

4.3.1. Затопленная секторная струя.

4.3.2. Секторная струя, распространяющаяся в потоке.

4.4. Сопоставление полученных экспериментальных результатов с расчетными зависимостями других авторов.

4.4.1. Струя квадратной формы.

4.4.2. Веерная струя.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование течения струи реверсивного устройства турбореактивного двигателя во внешнем потоке»

Одним из эффективных способов торможения самолета при послепосадочном пробеге является реверсирование тяги авиационного двигателя. Однако при включении реверсивного устройства может возникнуть ряд проблем, обусловленных действием реверсивных потоков.

Попадание реверсивных потоков во входные устройства двигателей становится причиной искажения полей скоростей и температур на входе в двигатели, что является предпосылкой к возникновению помпажного режима работы компрессора и выключению двигателя.

Истекающие из реверсивных окон потоки снижают эффективность руля направления, а также интерцепторов и закрылков, находящихся в посадочном положении, что при раннем включении реверса в воздухе или до опускания на взлетно-посадочную полосу передней стойки шасси может привести к потере устойчивости и управляемости самолета.

Таким образом, распространение вытекающих из реверсивного устройства потоков определяет не только диапазон режимов устойчивой работы двигательных установок, но и характер воздействия этих потоков на элементы конструкции самолета. Аэродинамическая интерференция реверсивных струй и планера, а также попадание реверсивных потоков во входные устройства собственного и рядом расположенных двигателей являются основными факторами, ограничивающими применение реверса тяги при посадке самолета.

Поэтому при проектировании устройств реверсирования тяги турбореактивных двигателей огромное значение для выбора их геометрических и режимных параметров имеет характер пространственной картины течения потоков, которая образуется при работе реверса тяги в условиях пробега после приземления самолета. Для оптимизации конструкции реверсивного устройства в системе самолет - силовая установка необходимо знание течения реверсивных потоков в условиях внешнего обдува, используемое для последующей выдачи рекомендаций на проектирование. Исходя из этого, актуальность данной задачи исследования не должна вызывать сомнений.

В настоящее время пространственная картина течения потоков, образующаяся на режимах реверсирования тяги турбореактивных двигателей при послепосадочном пробеге самолета, определяется экспериментальным способом, как в мелкомасштабных модельных условиях с помощью непосредственного измерения основных параметров, так и в условиях натурных испытаний самолета, например, методом визуализации картины течения.

Исследования на уменьшенных моделях достаточно трудоемки и не всегда позволяют с необходимой степенью точности смоделировать геометрические и режимные параметры течения. Кроме этого, в условиях модельных исследований мы имеем дело с другими масштабами турбулентности. Эти обстоятельства снижают достоверность переноса полученных на моделях экспериментальных результатов на полноразмерные условия.

Рис. В.1. Проведение экспериментального исследования распространения реверсивной струи в потоке на уменьшенной модели методом визуализации

Натурные испытания на самолете требуют больших материальных затрат и не всегда позволяют получить полную информацию о параметрах течения.

Определение полной картины течения расчетным путем позволяет значительно снизить затраты времени и материальных ресурсов на проведение исследований по оценке режимов устойчивой работы двигателя и влиянию вытекающих из реверсивного устройства потоков на элементы конструкции самолета. Поэтому математическое моделирование течения могло бы оказаться эффективным средством для решения данной проблемы. Развитие методов вычислительной гидро- и газодинамики за последнее время обеспечило большие достижения в части точности вычисления, а современные компьютерные системы обладают большими ресурсами и обеспечивают возможность применения мелких сеток, что является одним из необходимых условий получения результатов вычислений с высокой точностью.

Следует отметить, что рассматриваемое течение относится к разряду сложных пространственных движений потоков, которое в теории свободных турбулентных течений мало изучено. Решение соответствующих неавтомодельных задач не сводится к интегрированию одного обыкновенного уравнения и поэтому требует применения либо численных методов, либо приближенных интегральных методов расчета.

Для достоверного моделирования реальной картины течения необходимо учитывать особенности конструкции реверсивных окон и действительные газодинамические параметры потока, имеющие место на выходе из решеток реверсивного устройства.

Реверсивные устройства современных турбореактивных двигателей с большой степенью двухконтурности располагаются в наружном контуре и имеют форму реверсивного сопла, представляющую собой секторное окно с большими центральными углами и продольным размером, равным длине решеток. Примером такого реверсивного устройства может служить реверс тяги двигателя ПС-90, поперечный разрез которого показан на рис. В.2. Струю, вытекающую из сопел такой формы будем называть секторной струей.

ПОПЕРЕЧНЫЙ РАЗРЕЗ

Рис. В.2. Поперечный разрез реверсивного устройства двигателя ПС-90

В качестве мероприятия по уменьшению взаимодействия реверсивных потоков с поверхностью взлетно-посадочной полосы и устранению попадания их во входное устройство предусмотрено боковое отклонение реверсивного потока от радиального направления для решеток, расположенных в нижней части двигателя (см. рис. В.2).

Реверсивное устройство двигателя ПС-90 комплектуется решетками с различными углами установки лопаток относительно продольных ребер. Решетки, имеющие углы установки лопаток относительно продольных ребер отличные от /? = 90°, устанавливаются в нижней части двигателя с целью уменьшения взаимодействия реверсивных потоков с поверхностью взлетно-посадочной полосы и исключения отрицательных последствий этого взаимодействия. Вид сбоку и снизу реверсивного устройства двигателя ПС-90 с решетками, имеющими различные углы установки лопаток относительно продольных ребер, показан на рис. В.З и В.4.

Рис. В.З. Вид сбоку реверсивного устройства Рис. В.4. Вид снизу реверсивного устройства двигателя ПС-90 с решетками, имеющими двигателя ПС-90 с решетками, имеющими углы установки лопаток относительно про- углы установки лопаток относительно продольных ребер Р = 90° дольных ребер отличные от (3 = 90°

Такая конструкция окон реверсивного устройства приводит к сложному профилю скорости и давления в начальном сечении струи, моделирование которого является необходимым условием для получения высокой точности расчетов.

Данная работа посвящена расчетному и экспериментальному исследованию пространственной картины течения потоков, образующихся при работе реверсивных устройств турбореактивных двигателей в условиях послепосадочного пробега самолета.

В работе предложены математическая модель и программа расчета течения турбулентной изотермической струи секторной формы, распространяющейся под углом навстречу равномерному неограниченному потоку.

На основе экспериментального исследования подтверждена правомочность принятых в расчете предположений и допущений, проведена верификация математической модели, а также уточнены некоторые ее параметры.

Математическая модель адаптирована к условиям течения, образующегося при реверсировании тяги турбореактивного двигателя в условиях внешнего обдува.

На основе расчетного и экспериментального исследования выявлены основные закономерности турбулентного течения.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Варсегов, Вадим Львович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенного теоретического и экспериментального исследования течения, образующегося турбулентной изотермической струей секторной формы, распространяющейся под углом навстречу равномерному неограниченному потоку, можтю сделать следующие выводы:

1) разработан интегральный метод расчета течения турбулентной изотермической струи секторной формы, распространяющейся под углом навстречу равномерному неограниченному потоку, позволяющий учесть влияние основных геометрических и режимных параметров на картину течения;

2) разработанный метод реализован в виде программы расчета, получившей свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ и внедренной на Пермском НПО «Авиадвигатель», а также переданной французской авиационной двигателестроитель-ной компании «Hispano-Suiza»;

3) проведена адаптация метода расчета параметров струи к натурным условиям работы ТРДД в режиме реверсирования тяги:

- расчетные параметры струи в нулевом сечении приведены к параметрам, измеренным в модельных условиях на выходе из решеток реверсивного устройства, с учетом их геометрии и конфигурации канала двигателя по коэффициенту расхода решеток;

- разработана методика оценки режима начала прилипания струи реверса к могогон-доле, основанная на использовании уравнения неразрывности. Определенный в модельных условиях режим начала прилипания струи к мотогондоле для двигателя ПС-90 удовлетворительно совпадает с результатами натурных испытаний на самолете ТУ-204;

4) в результате газодинамического исследования модельных решеток с углами установки лопаток относительно продольных ребер /3 = 45. 90° установлено, что:

- на выходе из решеток формируется сложное пространственное течение с образованием отрывов потока у решеток с углами установки лопаток относительно продольных ребер близких к р = 90°. Картина обтекания лопаток требует дальнейшего тщательного исследования;

- в передней части решетки, занимающей примерно два ряда решеток, течение потока отсутствует. Установление причин такого течения возможно при детальном исследовании разворота потока в канале перед решеткой;

- при уменьшении угла установки лопаток относительно продольных ребер до величины р - 45° коэффициент расхода решетки увеличивается на 6,2 % по сравнению с решеткой, имеющей угол установки лопаток относительно продольных ребер р = 90°;

- при уменьшении угла установки лопаток относительно продольных ребер до величины р = 45° осевая составляющая импульса уменьшается до величины 0,494 от импульса решетки, имеющей угол установки лопаток относительно продольных ребер р = 90°.

5) на основе математического моделирования и экспериментального исследования получены новые данные о структуре рассматриваемого турбулентного течения:

- получена зависимость изменения параметров в окружном направлении по координате (р для различных геометрических параметров секторной струи. Экспериментально определено значение координаты (р0, до величины которой параметры струи не изменяются;

- показано соответствие изменения параметров затопленной секторной струи известным в литературе закономерностям;

- выявлено влияние формы сопла на искривление секторной струи потоком при различных геометрических параметрах. Установлено, что продольный размер сопла <50 в значительной степени определяет характер искривления струи потоком, в то время как величина центрального угла сопла 00 практически не оказывает влияния на изменение траектории струи;

- исследована пространственная структура течения секторной струи в потоке, показана автомодельность течения по профилю скорости. Установлено, что безразмерный профиль скорости в задней части струи должен быть рассчитан с учетом скорости в зоне обратных токов;

- показано, что изменение боковой границы секторной струи, распространяющейся в потоке, имеет зависимость, близкую к линейной, с постоянной величиной угловой координаты (р\

6) проведено сопоставление полученных экспериментальных результатов по определению траектории струи с расчетными зависимостями других авторов для квадратной и кольцевой формы сопла. Показано их удовлетворительное соответствие. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Варсегов, Вадим Львович, 2010 год

1. Абрамович Г. Н. Теория свободной струи и ее приложения / Труды ЦАГИ, 1936, вып. 293.

2. Абрамович Г. Н. К теории свободной струи сжимаемого газа / Труды ЦАГИ, 1939, вып. 377.

3. Абрамович Г. Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов / Труды ЦАГИ, 1940, вып. 512.

4. Абрамович Г. Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. М.: Гос-энергоиздат, 1948.

5. Абрамович Г. Н. Турбулентная струя в движущейся среде / Известия АН СССР. ОТН, 1957, №6.

6. Абрамович Г. Н. Течение воздуха при наличии области обратных токов / Известия АН СССР. ОТН, 1957, № 12.

7. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. — М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960. 715 с.

8. Абрамович Г. Н., Яковлевский О. В., Смирнова И. П., Секундов А. Н., Крашенинников С. 10. Исследование начального участка турбулентных струй различных газов в спутном потоке воздуха / Известия АН СССР. Механика жидкостей и газов, 1966, №6. -с. 166-172.

9. Абрамович Г. Н., Крашенинников С. Ю., Секундов А. Н. Турбулентные течения при воздействии объемных сил и неавтомодельности. М.: Машиностроение, 1975.-96 с.

10. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1976. - 888 с.

11. Абрамович Г. Н. О распространении пульсаций давления в турбулентных течениях / Турбулентные струйные течения. Таллин: АН ЭССР, ИТЭФ, 1979.

12. Абрамович Г. Н. О деформации поперечного сечения прямоугольной турбулентной струи / Известия АН СССР. Механика жидкостей и газов, 1983, № 1. с.54 — 63.

13. Абрамович Г. Н., Гиршович Т. А., Крашенинников С. Ю., Секундов А. Н., Смирнова И. П. Теория турбулентных струй // Под ред. Г. Н. Абрамовича. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 716 с.

14. Абрамович Г. Н., Гиршович Т. А. О разрежении за плоской струей, распространяющейся в поперечном потоке / Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1984, №6.-с. 113-118.

15. Абрамович Г. Н., Гиршович Т. А., Гришин А. Н. Разрежение за плоской струей, развивающейся в ограниченном сносящем потоке / Инженерно-физический журнал, 1985, t.XLVIII (48), № 5. с. 709-714.

16. Адилбеков М. А., Темирбаев Д. Ж., Тонконогий А. В. Экспериментальное исследование закономерностей распространения осесимметричной струи воздуха в сносящем потоке / Энергетика. — Алма-Ата: КазПТИ, 1974, вып. 4.

17. Агулыков А., Джаугаштин К. Е., Ярин JL П. Исследование структуры трехмерных турбулентных струй / Известия АН СССР. Механика жидкости и газа, 1975, № 6.

18. Адилбеков М. А., Темирбаев Д. Ж., Тонконогий А. В. Экспериментальное исследование закономерностей распространения осесимметричной струи воздуха в сносящем потоке / Энергетика. Алма-Ата: 1974, вып.4.

19. Адилбеков М. А., Темирбаев Д. Ж. Исследование закономерностей распространения прямоугольной слабонеизотермической струи (п=2) в поперечном потоке / Энергетика. Алма-Ата: КазПТИ, 1976, вып. 7. - с. 109-117.

20. Адилбеков М. А., Темирбаев Д. Ж., Тонконогий А. В. Исследование распространения прямоугольной струи под углом к потоку / Рабочие процессы и усовершенствование теплотехнических устройств и электрических систем. Алма-Ата, 1977, № 9. - с. 55-62.

21. Адилбеков М. А., Темирбаев Д. Ж. Расчет расхода и траектории сносимой струи / Строительство и архитектура, 1978, № 6.

22. Адлер Д., Барон А. Расчет трехмерного течения круглой струи в поперечном потоке / Ракетная техника и космонавтика, 1979, т. 17, № 2. с. 53-60.

23. Акатнов Н. И. Распространение плоской ламинарной струи несжимаемой жидкости вдоль твердой стенки / Труды Ленинградского политехнического института. Энергомашиностроение. Техническая гидромеханика. — М.-Л., 1953, № 5. с. 2431.

24. Акатнов Н. И. Круглая турбулентная струя в поперечном потоке / Изв. АН СССР. Механика жидкостей и газов, 1969, № 6. с. 11-19.

25. Акатнов Н. И., Кузнецов А. П. Уравнение баланса энергии турбулентных пульсаций в теории свободного турбулентного пограничного слоя / Изв. АН СССР. Механика жидкостей и газов, 1970, № 6. с. 75-79.

26. Акатнов Н. И., Тульверт В. Ф. Использование уравнения баланса пульсационной энергии в теории пристеночных турбулентных течений / Изв. АН СССР. Механика жидкостей и газов, 1973, № 3. с. 25-33.

27. Андреопулос. Измерения поля течения внутри трубки, из которой истекает струя перпендикулярно поперечному потоку / Теоретические основы инженерных расчетов, 1982, т. 104, №4.-с. 160-168.

28. Анцупов А. В., Благосклонов В. И. О структуре струи, истекающей в затопленное пространство / Труды ЦАГИ, 1976, вып. 1781.

29. Ахмедов Р. Б. Дутьевые газогорелочные устройства. — М.: Недра, 1977. 272 с.

30. Ахтямов 3. В., Гилязов М. Ш. Исследование попадания выхлопных газов с различной начальной температурой в воздухозаборник реверсированного турбореактивного двигателя / Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 1980, №3.-с. 101-103.

31. Бай-Ши-И. Теория струй. М.: Издательство физико-математической литературы, 1960.-326 с.

32. Бай-Ши-И. Турбулентное течение жидкостей и газов. — М.: Издательство иностранной литературы, 1962. — 344 с.

33. Бакулев В. И., Голубев В. А., Макаров И. С. Расчет системы струй в сносящем потоке / Исследование двухфазных, магнитогидродинамических и закрученных турбулентных струй. Труды МАИ. М.: МАИ, 1972, вып. 248. - с. 112-127.

34. Баренблат Г. И. Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. JL:41