Моделирование течения в осевом трансзвуковом компрессоре NASA Rotor 37

Сегодня мы рассмотрим с вами задачу расчета течения в проточной части трансзвукового компрессора NASA Rotor 37, разработанного 40 лет назад Рейдом (Reid) и Муром (Moore) (Исследовательский центр NASA Lewis).

Начну с «классического» отчета AGARD-AR-355, который был опубликован в 1998 году.  В данном отчете приведены сравнительные результаты моделирования течения в проточном тракте Rotor 37, выполненные в разные годы, в таких пакетах как, TASCflow, TRACE-S, HAH3D, TRANSCode и др.

Dae-Woong Kim с коллегами (2013) численно исследовали методы повышения эффективности ступени Rotor 37 с использованием пакета ANSYS CFX. В частности, рассматривался вариант с бандажным уплотнением.

В работе Chunill Hah из NASA Glenn Research Center описываются результаты исследования нестабильности течения в трансзвуковом компрессоре NASA Rotor 37 с использованием LES модели турбулентности, интегрированной в специализированный расчетный H3D. Это одна из первых работ подобного рода на тот момент (2007).

Marcelo R. Simões из Petrobras совместно c коллегами исследовал применимость различных моделей турбулентости (k-ε, k-ω и SST) для моделирования течения в проточном тракте NASA 37 с использованием пакета ANSYS CFX (2009). Результаты моделирования сравнивались с доступными экспериментальными данными.

Работа Mohamed Khalil (2009) интересна по двум причинам. Во-первых, это хороший пример научного интернационализма. Во-вторых, автору удалось получить весьма адекватные результаты с использованием высокорейнольдсовой k-ε модели турбулентности.

Последняя работа не имеет прямого отношения к Rotor 37. Однако в ней представлены достаточно интересные результаты по опыту применения TBR методов ANSYS CFX для исследования течения в ступени гибридного трансзвукового компрессора Rotor 35 / Stator 37. Это так же одна из первых открытых работ, в которой численные результаты для методов TBR сравниваются с данными экспериментов (Honeywell, 2013).

Перейдем непосредственно к постановке задачи в ANSYS CFX.

Читать далее

Мастер-класс: CFD расчет химического реактора #2.

reactorПродолжаем заниматься расчетами химических реакторов в ANSYS CFX. Прошлый наш разговор мы закончили описанием инструментов  ANSYS CFX для задания элементарных реакций. Напомню, что для вызова панели [Reaction] используется иконка reaction1, которая находится в верхнем контекстном меню.  Для определения реакции (Insert Reaction и далее вбиваете имя реакции) вы последовательно проходите все закладки этой панели (слева-направо): Basic Settings→ Reactants→ Products→ Reaction Rates.

Чтобы упростить вам жизнь, я заранее подготовил CCL-файл с библиотекой всех реакций. Для его активации вы должны выполнить команду File→ Import→ CCL… Файл с реакциями вы можете скачать по этой ссылке

.

В закладке Reactants мы указываем исходные реагенты, в закладке Products — конечные реагенты (продукты реакции). А в закладке Reaction Rates мы определяем кинетику соответствующей реакции. Все реагенты, которые участвуют у нас в реакциях (а это начальные, промежуточные и конечные продукты), мы должны заранее определить с помощью инструмента materialMaterial . После этого все действующие реагенты нам станут доступны через список Materials List.

С помощью инструмента Material мы определяем теплофизические свойства реагентов (как и в обычной газодинамической задаче). Это достаточно трудоемкий процесс, так как нам необходимо создать 16 новых «материалов»: Cl2, Cl, CH3Cl, CH2Cl, HCl, CH2Cl2, CHCl2, CHCl2CH2Cl, CCl3, CCl3CCl3, CHCl2CHCl2, CHCl3, CCl3CH2Cl, CCl3CHCl2, CCl4, N2). Пример задания свойств хлора показан на рисунке ниже.

clГотовую библиотеку материалов для проекта, сохраненную в формате CCL, вы можете скачать здесь

.

«Подключаете» к проекту вы ее также, как и библиотеку реакций.

На сегодня это все. Продолжение следует…

С уважением, Денис Хитрых,
2016-11-21_16-58-13

Мастер-класс: CFD расчет химического реактора

reactorСегодня мы с вами смоделируем задачу, связанную с расчетом химического реактора для производства хлороформа. В промышленности хлороформ обычно производят хлорированием метана или хлорметана.

Упрощенный (редуцированный) химический механизм превращения хлорметана в хлороформ включает 16 реагентов (исходных и конечных) и 21 реакцию, которые показаны в таблице ниже. В этой же таблице в двух крайних правых столбцах представлены значения для энергии активации E и предэкспоненциального фактора A, необходимые для задания температурной зависимости констант скоростей элементарных реакций в препроцессоре ANSYS CFX (или в другом газодинамическом пакете) при описании цепного механизма реакций.

reaction-mechanism_21_reaction

Более детально химический процесс образования хлороформа описывается 152 реакциями, в которых участвуют 38 реагентов (химических соединений). Описание этого механизма вы можете найти в работе Jimmy J. Shah  и Rodney O. Fox из Iowa State University: «Computational Fluid Dynamics Simulation of Chemical Reactors…» (1999).

Прежде чем перейти к постановке задачи в препроцессоре ANSYS CFX, вспомним несколько базовых понятий и законов химической кинетики, которые помогут вам лучше понять все наши дальнейшие действия.

  1. Что изучает химическая кинетика? Химическая кинетика изучает закономерности развития химических реакций.
  2. Почему описание даже относительно простого  химического процесса, например, горения водорода включает почти 40 элементарных реакций? Формально горение водорода выражается одной глобальной реакцией: 2H2 + O2 = 2H2O. Т. е. можно предположить, что в результате одного столкновения этих трех молекул (двух молекул водорода и одной молекулы кислорода) образуется две молекулы воды. С позиции теории вероятности такое событие является маловероятным (точнее невозможным). Поэтому реакция горения водорода протекает поэтапно (в несколько стадий) через промежуточное образование атомов водорода, кислорода и радикалов.  Реакции такого типа называются цепными или суммарными. Цепные реакции являются последовательностью большого числа элементарных реакций, выявлением и изучением которых занимаются химики и физики.
  3. Стехиометрическое уравнение (или уравнение реакции). Стехиометрическое уравнение представляет собой краткое выражение материального баланса реакции. Например, уравнение 2H2 + 1O2 = 2H2O означает, что всякий раз, как в процессе реакции затрачиваются две молекулы водорода, одновременно расходуется ровно одна молекула кислорода и образуются две молекулы воды. Коэффициенты перед реагентами называются стехиометрическими коэффициентами. Если реакция состоит из ряда стадий, то получается система из n стехиометрических уравнений.
  4. Закон Аррениуса. Для химических реакций характерна сильная нелинейная зависимость констант скорости k от температуры. Эта температурная зависимость описывается достаточно простой формулой — законом Аррениуса: k = Aexp(-Ea/RT).  Здесь Ea — это энергия активации (она имеет размерность [Дж/моль] и A — предэкспоненциальный фактор (или частотный фактор). Размерность A совпадает с размерностью k. Обратите внимание, что в ANSYS CFX  предэкспоненциальный фактор имеет размерность [time^-1 (mol m^-3)^(1-n)], где n — суммарный порядок реакции.
  5. Быстрая или медленная химия. В теории горения есть критерий подобия — число Дамкелера Dm, который определяет отношение скорости течения химической реакции к скорости физического процесса. Если Dm→0, то время протекания химической реакции намного больше характерного времени физического процесса. Т. е. можно не учитывать химические реакции и считать смесь газов химически инертной (как-бы «замороженной»). Другими словами, реакция развивается намного медленнее (среда не успевает измениться) по сравнению с изменениями гидродинамических параметров. Второй предельный случай противоположен первому (Dm→∞): в каждой точке потока очень быстро устанавливаются такие концентрации реагентов, которые соответствуют равновесному составу. Оценив значение числа Дамкелера, можно в первом приближении выбрать соответствующую модель горения: для «быстрой» химии — это модель EDM, для «медленной» химии — это модель FRC.

Читать далее

История исследования явления кавитации. Часть 2

Вначале пытались подойти к проблеме кавитации с точки зрения гидродинамики и принимали во внимание только внешние обстоятельства – скорость потока воды, давление в потоке и зависимость того и другого от времени. Позднее поняли, что необходимо также учитывать и физические условия в жидкости – температуру, плотность, поверхностное натяжение, вязкость. Эти факторы, каждый по-своему, влияют на процесс образования паровых пузырей, на их устойчивость и интенсивность воздействия с твёрдой поверхностью.

Одни из первых опытов с растяжением жидкости провели Бертелло (1850 г.), Рейнольдс (1885 г.), Вортингтон (1892 г.), Диксон (1909 г.) и Мейер (1911 г.). Бертелло и Диксон для этих целей использовали прямую стальную капиллярную трубку. Им удалось растянуть воду до 50 и 200 атм., соответственно. Вортингтон «растянул» этиловый спирт давлением в 17 атм. Рейнольдс вращал U-образную трубку с жидкостью и вызывал растяжение действием центробежных сил.

В 1932 году Ньютон Гейнес разработал акустический метод создания кавитационных пузырей c использованием магнитострикционного генератора. Метод оказался удачным и используется в лабораторных исследованиях до настоящего времени. Опыты Гейнеса показали, что после нескольких минут работы генератора торцовая поверхность никелевого стержня оказывалась повреждённой, а характер повреждений в точности напоминал обычные язвовидные кавитационные повреждения.

Особо важный вклад в понимание кавитации внес британский физик и Нобелевский лауреат Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей), который занимался теоретическим изучением явления кавитации в период с 1908 по 1924 г. г.

В 1917 году Рэлей опубликовал статью, в которой на основе энергетического подхода рассмотрел случай захлопывания пустой полости в безграничном объеме жидкости под действием постоянного давления. Считая полость сферически симметричной и, исходя из условия, что кинетическая энергия движущейся жидкости равна работе, действующих на полость сил давления
equ01Рэлей определил скорость движения стенки полости в функции ее радиуса
equ02где ρ – плотность жидкости, R – радиус полости; P0 – внешнее давление, приложенное к полости.

Далее, рассматривая уравнение движения сферически симметричного потока
equ03и, используя граничное условие, что на стенке полости r = R, Рэлей получил выражение для максимального давления, возникающего при схлопывании пустой полости:
equ04Для  P0 = 10 атм. и  Rmax/R давление воды вне захлопывающейся сферы по расчетам Рэлея равно 5500 атм. Отметим, что работа Рэлея заложила теоретические основы изучения кавитации на многие годы вперед.

Читать далее

Создание сетки для крыла с механизацией в ANSYS ICEM CFD

В этом примере будет рассмотрена методика построения структурированной расчётной сетки для профиля с предкрылком в сеточном препроцессоре ANSYS ICEM CFD. Предполагается, что пользователь в общих чертах знаком с интерфейсом ANSYS ICEM CFD.

wing

Полное описание всех шагов приводится в файле «ICEM CFD_wing mesh_1.pdf», который вы можете скачать по ссылке ниже.

Кроме этого, для удобства мы выложили геометрическую модель крыла. Она сохранена в формате ICEM CFD (файл с расширением *.tin).

История исследования явления кавитации

На явление кавитации и ее последствия инженеры и ученые обратили внимание ещё в конце девятнадцатого века, когда существенно выросли скорости и мощности создаваемых машин и кавитация стала существенным препятствием на некоторых направлениях развития техники, прежде всего в судостроении. Однако до сих пор можно сказать, что это явление изучено все еще недостаточно.

Впервые с явлением кавитации инженеры-кораблестроители столкнулись вовремя испытаний британского эскадренного миноносца «Дэринг». Во время скоростных испытаний эсминец развил максимальную скорость 24 узла вместо 27 узлов, предусмотренных проектом. И только увеличение площади винта на 45% позволило конструкторам выйти на проектную скорость. Поначалу предполагали, что обнаруженная проблема связана с повышенным сопротивлением корпуса судна и с неисправностями в главных двигателях. Однако британский инженер Роберт Фруд (младший сын Уильяма Фруда – основоположника корабельной гидродинамики) выдвинул другую гипотезу, теоретическую предсказанную Эйлером еще в 1754 году. Проанализировав результаты испытаний миноносца, он пришел к заключению, что потеря скорости вызвана неизвестным до этого явлением, которому он дал название «кавитация» (от латинского «cavus» – пустой, полый).  В этом же году неудача постигла и другое судно – «Турбинию», спроектированное британским инженером Чарлзом Парсонсом. «Турбиния» была самым скоростным судном своего времени и первым судном с паротурбинной установкой мощностью 1000 л. с.

Малая кавитационная труба парсонса (1985 г.)

Малая кавитационная труба Парсонса (1985 г.)

Во время первых ходовых испытаний «Турбиния» развила скорость 19,25 узла, а затем судно внезапно потеряло ход. Как выяснилось при последующем подводном осмотре, у судна оказались повреждёнными винты – они были покрыты странного вида раковинами. Повторные испытания с новыми винтами показали те же результаты.

Неудача, постигшая Парсонcа при испытаниях «Турбинии», побудила его приступить к экспериментальным исследованиям. В 1895 году он построил первую в мире кавитационную трубу и получил первые фотографии кавитации на гребном винте. Диаметр модельного винта равнялся 50,8 мм, шаг 71, 2 мм. Кавитация отчетливо наблюдалась при скорости вращения 1500 об/мин. Парсонс обнаружил четкую связь между кавитацией и наблюдаемыми повреждениями на винте, и указал на большую роль парообразования в процессе кавитации. Спустя два года, решив все проблемы, связанные с кавитацией, Парсонсу удалось довести скорость судна до 32,25 узлов.

В 1910 году Парсон построил вторую гидродинамическую трубу, позволяющую испытывать винты большего диаметра (до 305 мм). Это событие можно считать отправной точкой для всех последующих экспериментальных исследований явления кавитации. Однако примерно до 40-х годов двадцатого века развитие исследований кавитации гребных винтов и насосов шло очень медленно в связи с трудностью создания экспериментальных лабораторных установок и стендов, способных обеспечить большие скорости движения жидкости. Кроме того, следует учитывать и малые размеры типичных кавитационных пузырьков и кавитационных кластеров: даже при современном уровне техники прямые измерения параметров этих пузырьков практически невозможны. Непосредственному измерению доступны лишь интегральные параметры квазистационарных зон кавитации.

Большая кавитационная труба Парсонса, построенная в Уоллсенде (Англия) в 1910 году.

Большая кавитационная труба Парсонса, построенная в Уоллсенде (Англия) в 1910 году.

Читать далее

Оригинальные конструкции локомотивов, вагонов и пр.

Сегодня я познакомлю вас с результатами моих изысканий на тему самых оригинальных конструкторских идей, связанных с рельсами и шпалами. В современном мире очень популярны разнообразные рейтинги, топ-листы и пр. Поэтому, чтобы не отставать от моды, я также решил составить свой персональный топ-лист самых сумасшедших и дерзких ноу-хау в железнодорожном транспорте. Начнем мы, пожалуй, с аэровагонов и автомотрис.

От винта! 
Где-то на рубеже двадцатых годов прошлого века конструкторы поездов стали задумываться о радикальном увеличении скорости поездов. Предлагались самые разнообразные методы и конструктивные решения для улучшения основных характеристик железнодорожного транспорта: грузоподъемности и скорости. В 1917 году молодой русский инженер-самоучка Валериан Абаковский предложил проект аэровагона с воздушным винтом авиационного типа (рисунок 1). «Рельсолёт» Абаковского был способен разгоняться до фантастической по тем временам скорости — 140 км/ч. К сожалению, проект не получил дальнейшего развития, т. к. автор изобретения трагически погиб в июле 1921 года в железнодорожной катастрофе.

Рис. 1. Рельсолёт инженера Абаковского.

Рис. 1. Рельсолёт инженера Абаковского.

Приблизительно в это же время немецкий инженер и ученый Франц Крукенберг работал над собственным проектом самоходного вагона (автомотрисы). Из-за характерного внешнего вида, его проект получил название Scheinenzeppelin или «Рельсовый цеппелин». Цеппелин Крукенберга имел каркасную конструкцию с внешней алюминиевой обшивкой (рисунок 2). В первоначальном варианте конструкции использовался 4-х лопастной винт, затем он был заменен на 2-х лопастной. Для уменьшения сопротивления корпусу автомотрисы придали характерные аэродинамические обводы в носовой и хвостовой частях. А для создания достаточной прижимающей силы на высокой скорости ось воздушного винта располагалась под углом 7 градусов к горизонтали. В качестве силовой установки во время испытаний использовался 12-ти цилиндровый двигатель BMW VI мощностью более 600 л. с.

21 июня 1931 года на линии Берлин-Гамбург Цеппелин установил новый рекорд скорости, который был обновлен лишь спустя 23 года: аэровагон Крукенберга разогнался до 230 км/ч.

Рис. 2. Аэровагон Франца Крукенберга.

Рис. 2. Аэровагон Франца Крукенберга.

Идею использования в качестве движителя открытого воздушного винта поддержали шотландцы. Правда, если быть совсем точным, это была не классическая двухколейная дорога , а аэромонорельсовая дорога – Railplane (рисунок 3). Автором этого проекта стал инженер-энтузиаст Джордж Бенни. 8 июля 1930 года неподалёку от Глазго состоялось официальное открытие первой и единственной в мире экспериментальной аэромонорельсовой дороги. Расчетная скорость «летающего поезда» достигала 200 км/ч.

Читать далее