автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Информационно - вычислительные методы в задачахматематического моделирования аэротермодинамическихпроцессов в энерготехпологическом оборудовании

^ Тверской государственный университет

л 0

и На правах рукописи

Горячев Валерий Дмитриевич

Информационно - вычислительные методы в задачах математического моделирования аэротермодинамических процессов в энерготехнологнческом оборудовании

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тверь 1997

•Работа выполнена на кафедре высшей математики Тверского государственного технического университета Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ,

д.ф.-м.н., проф. В.А.Кирсанов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф. В.А.Гасилов доктор технических наук, проф. Н.А.Семенов доктор технических наук, Г.Я.Герасимов

Ведущая организация - Институт высокопроизводительных

вычислительных систем РАН

Защита состоится " /У " 1997 г. в часов на

заседании специализированного совета Д. 063.97.01 при ТвГУ по адресу: 170013, Тверь, ул. Желябова, 33

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тверского государственного университета

Автореферат разослан " дз "_/£_1997 года.

Ученый секретарь специализированного совета Д. 063.97.01 кандидат физ.-мат. наук, доцент В.А.Хижняк

ОБЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Математическое моделирование аэротермодинамических процессов и численный эксперимент являются в настоящее время основным способом исследования в энергетике и химическом аппаратостроении, особенно при изучении технологических процессов в двухфазной среде, в аппаратах с активными гидродинамическими режимами, в центробежных полях закрученных течений. Создание оптимального по энергозатратам оборудования для проведения процессов с горением распыленного топлива, сушки, сепарации дисперсной фазы непосредственно связано с проблемой разработки теории турбулентных дисперсных потоков и создания на ее основе прикладного программного обеспечения для моделирования сложных технологических процессов в устройствах и аппаратах энергетики и химии. Оно необходимо, чтобы инженеры-проектировщики могли быстро и рационально провести анализ аэротермодинамических процессов в реальных аппаратах или исследовать процессы, физическое моделирование которых затруднительно или невозможно.

Прогресс в развитии вычислительной математики и новых информационных технологий дают в настоящеее время возможность создания информационно-вычислительных систем (ИБС), которые понимаются как множество взаимосвязанных программ, обеспечивающих автоматизированную, технологически единую и замкнутую систему решения и информационного обеспечения задач определенного класса в содержательных терминах проблемной области. Актуальным здесь является решение объединенных проблем: построения математических моделей различной степени сложности и разработки надежных программных средств для создания информационной среды исследований, с подготовкой данных и обработкой результатов с возможностью доступа к данным в сетях и использованием средст ттер- и мультимедиа.

Цель и задачи дования. Целыо диссертационной работы является создание информационно-вычислительной системы, в которой, с использованием методов вычислительной гидродинамики и тепломассобмена, можно проводить компьютерное моделирование различных технологических процессов в однофазных и двухфазных турбулентных потоках в энерготехнологических аппаратах реальной геометрии.

Основными задачами исследования являются:

• разработка структуры ИБС и математических моделей для описания процессов в аппаратах с активным гидродинамическим режимом (АГР) и вихревым движением среды, в химически реагирующих турбулентных дисперсных потоках, основанных на эйлерово-лагранжевом и эйлеровом описании взаимодействия несущей и дисперсной фаз;

• создание информационной среды для поддержки исследований: графических пре- и постпроцессоров, СУБД для управления научными проектами и разнородными документами с доступом к ним в сетях;

• исследование закономерностей, качественный и количественный а [пи; из двух- и трехмерных турбулентных течений, проведение расчетов аэродинамических характеристик, тепловых и физико-химических процессов в энерготехнологических аппаратах: в циклонах и вихревых камерах, горелочных устройствах, топках и т.п. с целью прогноза режима их работы и определения параметров.

Научная новизна. Разработанные средства математического моделирования и созданный программный инструментарий позволяют эффективно проводить фундаментальные исследования в области вычислительной гидродинамики и теплообмена.

В диссертационной работе:

• с использованием лагранжева ^эйлерова подходов построены и алгоритмизованы замкнутые математические модели различной степени сложности для описания динамики переноса, теплообмена и горения частиц в турбулентных потоках;

• разработаны методология построения и структура, создана ИБС для проведения научных исследований методами вычислительной гидродинамики и теплообмена;

• созданы солверы систем для расчета физико-химических процессов в инертных и реагирующих потоках газа и частиц;

• получены новые результаты по определению закономерностей аэродинамики и теплопереноса в энерготехнологических аппаратах с вихревыми потоками: циклонах, вихревых камерах, аппаратах со встречными закрученными потоками (АВЗП), в термореакционных аппаратах с ячейками AFP;

• выполнено численное моделирование аэродинамики топочных камер различных конструкций и процесса горения в них распыленного топлива;

• разработаны алгоритмы и создан пакет программ для генерации расчетных сеток, графической визуализации и обработки результатов

расчетов, создана СУБД для поддержки научных исследований в корпоративной сети с гипертекстовыми документами и с включением мультимедийных объектов.

Практическая ценность работы состоит в создании математических моделей различной степени сложности и информативности и в разработке на их основе программных комплексов для расчета совокупности физико-химических процессов в инертных и химически реагирующих турбулентных дисперсных потоках. Разработанная ИБС SELIGER может использоваться при решении задач общего назначения в вычислительной гидродинамике, для моделирования аэродинамики и процессов горения в топках котлов в двумерной и трехмерной постановке, при разработке схем транспортирования, сепарации и термообработки дисперсных материалов в энергетике, химии, на транспорте и в авиации. Пакеты постпроцессорной графической обработки данных WG и LEONARDO, генератор сеток ORIGGIN, гипертекстовая и пшермедийпая СУБД DATASEL могут быть использованы для поддержки научных изысканий в различных областях знания, везде, где применяются методы вычислительной гидродинамики, тепло- и массообмена.

ИБС, модели и отдельные программы системы используются в различных организациях: ЭНИН, ВНИИАМ, ЦАГИ, ЭНИП, КБ "Энергомаш" (г.Москва), БТУ (Венгрия), КТУ (Югославия), ЦКТИ, СПбГТУ (г. С.-Петербург), КБ "Южмаш", ДМИ (Днепропетровск) и др. Программа WG была включена в список поддерживающих средств системы PHOENICS фирмы CHAM (США, Великобритания).

Работа выполнялась при поддержке РФФИ, Госкомитета РФ ВО по фантам фундаментальных исследований в энергетике, в авиационной и ракетно-космической технике (94-07-01227, 96-0789161, 13/Гр-9б, 94-7.1-42).

Достоверность работы. Разработанные модели тестировались путем сравнения расчетов с экспериментальными данными, полученными независимыми исследователями, диссертантом, соисполнителями работ по проектам моделирования эперготехнологических аппаратов. Эксперименты проводились с использованием пневмометрических зондов, оборудования лазерно-доплеровской измерительной системы ЛДИС, АФАЧ и электродиффузионных методов на стендах ТГТУ и ИТ СО РАН (С.В.Алексенко, Л.В.Сериков). Программное обеспечение проверялось на тестовых задачах перед его непосредственным использованием при решении задач горения двухфазного топлива, при моделировании аэродинамики промышленных сооружений и т.п.

Автор выносит па защиту:

• Математические модели динамики турбулентного переноса, тепломассопереноса и фазовых переходов (горения) в инертных и реагирующих дисперсных турбулентных потоках.

• Методологию построения и структуру ИВС для проведения научных исследований.

• Программные комплексы для расчета совокупности физико-химических процессов в инертных и реагирующих турбулентных газодисперсных потоках.

• Результаты расчетов турбулентных изотермических и реагирующих одно- и двухфазных течений в различных технологических устройствах с закруткой и АГР, результаты их оптимизации.

• Алгоритмы и программы для генерации расчетных сеток, графической визуализации и обработки результатов расчетов.

• СУБД для поддержки научных исследований в корпоративной сети с включением гипермедийных ссылок и мультимедийных объектов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на I, II и III Минских международных форумах по тепломассобмену (Минск,1988,1992,1996) и всесоюзных конференциях: "Энергетическое моделирование-90"; "Проблемы турбулентных течений" (Жданов,1984,1988); "Проблемы аэродинамики газовоздушных трактов котельных агрегатов" (Барнаул, 1989); "Использование методов математического моделирования в котельной технике" (Красноярск, 1996); II Всесоюзной копф. по парогенераторам (Новосибирск, 1990); XIV, XI, XVI конференциях "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1986,1989,1993); Первой Российской национальной копф. по теплообмену (Москва, 1994); XI Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1996). Сделаны доклады на международных конференциях: Int. Symp. Eng. Problems of Turbulence (Dubrovnic,1990); 8th Int. Conf. on Thermal Eng. and Thermogrammetry (Budapest, 1993); Int. Conf. "Methods and means for investigations in aeronautics" (Москва, 1993); "Информационные системы в науке-95" (Москва, 1995); "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь, 1995); IV, V Int. Conf. CAD/CAM and MULTIMEDIA (Hungary, 1994,1996); Int. Workshop and Symp. "Advances in databases and information systems -ADBIS'95', ADBIS'97'" (Москва,1995; С.-ПетербургД997); I, II Int. Symposium on Computational Wind Engineering (Tokio, 1992; Colorado, 1996); First Int. Symposium on Finite Volumes for Complex Applications, Problems and Perspectives (Ruan,1996); Second Int.

Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer (Delft, 1997); Int. Conf. SCART'97 (BerlinД997); 15th IMACS World Congress on Scientific Computation, Modelling and Applied Mathematics (Berlin, 1997).

С 1996 года некоторые результаты работы доступны по сети Internet (http://www.tversu.ac.ru/Region/Science/RFBR/SeUger).

Публикации. Тема диссертации представлена в 47 публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы с 247 наименованиями. Основной объем работы: 280 страниц, 109 рисунков, 5 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность и значимость работы, дана общая характеристика исследуемых проблем, сформулированы цели работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние теории и методов расчета аэродинамики энерготехнологических устройств и моделирования процессов в турбулентных однофазных и двухфазных течениях. Анализ научных публикаций показывает увеличение востребованности на методы моделирования рециркуляционных трехмерных течений со сложной пространственной структурой и с использованием теории турбулентных двухфазных течений, что неудивительно, так как для большей части технологических процессов в энергетике и химии их интенсификация происходит за счет диспергирования гетерогенной фазы и создания активных гидродинамических режимов в энерготехнологичсских аппаратах с возможностью управления гидродинамикой вихревых течений.

В вычислительной гидродинамике к настоящему времени сложились два подхода к описанию течений несущей сплошной фазы и расчету переноса дисперсной фазы. Эйлерово описание несущей среды и лагранжево описание транспортируемой дисперсной фазы метода оказалось удобным для моделирования сильно разреженных дисперсных потоков и позволяет выявить структуру течений детально. Однако этот подход изобилует трудностями, возникающими при описании большого количества взаимосвязанных физико-химических процессов, проявляющихся в межфазном взаимодействии, например, при описании химически реагирующих двухфазных течений. Прямое стохастическое моделирование траекторий частиц с последующим осреднением результатов по ансамблю реализаций для реальных течений требует использования суперкомпьютерных технологий для практического моделирования.

В последнее время интенсивно развивается альтернативный -эйлеров подход для построения теории двухфазных турбулентных течений, основанный на теории взаимопроникающих континуумов. Привлекательным в нем является принципиальная возможность как описания сред с общих позиций, так и использования единых численных методов для моделирования турбулентных однофазных течений и дисперсных систем. Работы данного направления отражены в публикациях А.А.Шрайбера, S.E.Elgohbashi, O.Simonin, AAMostafa. Для описания переноса характеристик турбулентных дисперсных потоков перспективен метод функции плотности вероятности (ФПВ), разрабатываемый в работах отечественных (Ю.А.Буевич, А.Б.Ватажин, И.В.Деревич, Л.И.Зайчик, В.А.Першуков) и зарубежных (M.W.Reeks) исследователей.

В главе приведен критический анализ возможностей нескольких вычислительных систем (ВС) для проведения моделирования в вычислительной гидродинамике. Обсуждены их достоинства и недостатки, сформулированы основные задачи использования известных математических моделей для создания солверов. Отдельно рассмотрены и обсуждены задачи информационного наполнения и интеракгивности ИВС.

Вторая глава посвящена построению математических моделей различной степени сложности для описания турбулентных, однофазных и дисперсных, изотермических и химически реагирущих потоков, положенных в основу созданных солверов ИВС.

Уравнения движения и переноса для газовой фазы

В основе математического описания турбулентных течений лежат осредненные по Рсйнольдсу уравнения Навье-Стокса. Уравнения неразрывности, переноса импульса и энергии имеют вид

P,r + [Р Uj) . = 0,(1) (р U,) t + (р UÎUJ) . - (/l0Uij + r(;) . = S,- ,(2)

-Х(АГу) =Sr , (3)

где p, nQ - плотность и молекулярная вязкость потока, к, ср -эффективный коэффициенты теплопроводности и коэффициент теплоемкости среды, т = -pUjUj - тензор турбулентных напряжений

Рейнольдса, градиент давления -Р,- входит в источниковый член S,-.

Все дополнительные транспортные уравнения могут быть представлены в обобщенной форме, повторяющей форму уравнения переноса импульса

(/' + (p Uj<P)_. - {np<Ptj)^ = S^ , (4)

где коэффициент обмена Гф и источниковый член Sep определены для каждой зависимой переменной Ф, представляющей различные величины: 1, U,,к, с, г,у, Т,&,...

Для замыкания системы уравнений (1-2) использовалась стандартная двухпараметрическая к - с модель турбулентности.

Турбулентная вязкость (основная составляющая эффективной вязкости потока р = + рт) определяется через кинетическую

энергию турбулентности к = и,и/2 и скорость диссипации энергии турбулентности е - ри?. /2 по формуле

к2

рт = pvT = р С и —.

где г¡j - 2fiTSjj - — р к S,j - тензор турбулентных напряжений,

Перенос к и с описывается двумя уравнениями типа (4) с источниковыми членами:

с

8к=в-ре, 3£ =си-в-с2ср— , (5)

2 3

S'J > ' теизоР скоростей деформаций, в = ту и,^ -

скорость генерации турбулентности, С„ = 0.09, Си = 1.44, С2е = 1.92 , Ги1 = р, Г к = р / ак, Гс = р / ас, ак = 1.0, ас = 1.3 - коэффициенты и

эмпирические константы модели турбулентного переноса.

Для учета центробежных сил, влияющих на порождение турбулентности и возникающих при движении частиц по криволинейным траекториям, используется модифицированная версия к - с модели. Модификация заключается во введении коррекции с2е в

£ г2

выражении для - си ~ с2е(1 - СдЯ'Ор—, где Сг; = 0.2, Ь -

к к

бинормаль к линии тока, Яс радиус кривизны линии тока,

к\2 N

Ri = 2\ — \ — (b.rotU). Для сильно закрученных осесимметричных

е) Rc

течений в цилиндрической системе координат число Ричардсона

21У /г(|/1/7 + ]Л/ /г)

определяется выражением Я/ =-—-.

иг2 +(И/Г-И//г)

Уравнения для дисперсной фазы

На уровне лагранжева описания движение частиц дисперсной фазы и процессы обмена между частицами и несущей газовой средой могут быть описаны с различной степенью детализации, в частности, удобна модель Р81-Се11, дающая возможность проследить историю динамики ансамбля частиц через данные для отдельных частиц, с локальным описанием их суммарного действия на обмен с несущей средой в выделенных конечных объемах. Предполагается, что увлечение дисперсной фазы определяется взаимодействием частиц со скоростным полем газового потока, без учета сил Бассе и плавучести, и без учета межчастичных столкновений.

Динамика движения дисперсной фазы рассматривается как совокупность решений для п - ой фракции частиц с к точками старта. Уравнения движения частиц имеют вид

хктп = Укп, = Зл Гсмо4Ц(и ~Ук") + , (6)

где Хкпукп - координаты и скорости частиц, , - масса и диаметр

частиц фракции п, - внешние (или определяемые системой координат) силы, /<. - коэффициент аэродинамического сопротивления. Для цилиндрической системы координат соответственно имеем

Обратное влияние дисперсной фазы на несущий поток учитывается добавкой в источниковом члене: Бф + вводимой в

уравнения (4). При прохождении контрольных объемов расчетной сетки частицами кп-го сорта и при предположении того, что вдоль траектории расход частиц этого сорта не изменяется, соответствующий источниковый член в уравнениях переноса импульса можно представить как сумму парциальных вкладов от всех частиц,

пересекающих данную контрольную ячейку Б*}, = ^Г .

кп

Источниковые члены для частиц учитывают обмен импульсом между частицами и сплошной фазой через вязкостное трение, аэродинамическое сопротивление, влияние гравитационной силы и сил инерции при движении частиц по криволинейным траекториям

= ЗлИо№кп ¡сфс\и - Vkn\dr + <л |<|аНс/г, (7)

Г 1

где - массовый расход частиц, стартующих в к- ой точке, соответственно доля общего расхода дисперсной фазы при старте с контрольного объема этой точки и фракционная доля частиц, С$ -объемная концентрация частиц в контрольном объеме. Интегрирование в (8) производится вдоль траекторий частиц в контрольном объеме с фиксированием их времени пребывания в ячейке. Прямой учет влияния турбулентных пульсаций на динамику движения частиц возможен при введении иульсационной составляющей скорости потока. Для описания тепло- и массобмена частиц в рамках РБТ-СсН модели можно составить дополнительные подобные балансовые уравнения.

Уравнения (6)-(8) удобны для моделирования сепарациопных процессов и для моделирования обработки тонкодисперсных материалов в низкотемпературной плазме, и использовались в первую очередь при решении именно такого класса задач. Для целей макромасштабного моделирования процессов термообработки и горения двух- и многофазных сред более перспективен эйлеров метод описания динамики этих систем, в рамках теории взаимопроникающих сред. Несомненным достоинством подобного подхода к моделированию является описание процессов дифференциальными уравнениями одного типа. Приемственность моделей позволяет расчитывать на достаточно универсальное описание целого ряда сложных потоков, например, возможен переход от модели разреженного дисперсного потока, используемой в настоящее время в действующих программах, к моделям течений с учетом механических столкновений (в близкой перспективе).

Математическая модель для описания химически реагирующего

газодисперсного турбулентного потока

Осредненные (по Фавру) уравнения движения и тепломассо-перепоса газодисперсной химически реагирующей среды имеют следующий вид

газовая фаза

(р и,\т + (р и,иД. = -Р,- + м0(ии + и1. -1 - р^и,) -

- + ди(и^^ррФ} + Р^ + , (10)

ти

(рСа\т +(рСаи])г(рОа Са1]-р(и]са}) .+га(бэ)р+(3а}р, (11)

(р н) г + (р иун). = [яг, - + оанаса}

,1

СРРРР *(Т - 9р) , СР V ГИ „ , . , / \Р

(12)

^Р У ' ^ / | "р

дисперсная фаза

{ррф)^{ррФУ1)^-{ээ)р, (13)

(РрФ VI + (ррФ . = ~(РрФ + ^ШуМ -

(14)

(р [Р ф . = -(срРрРФ(У;Э)) . + ■

СрРРР

(15)

где и,,и,,V/,м-,,7",<9,,9 - осредненные и пульсационные скорости и температуры газа и частиц; - внешние силы, действующие па

газ и частицы; ги< г, - время динамической и тепловой релаксации частиц, Н,Нр - энтальпия газовой и дисперсной фазы; Са, Ф -массовая и объемная концентрации газовых компонентов смеси и дисперсной фазы; срр - теплоемкость дисперсной фазы; Оа -коэффициент молекулярной диффузии газовой компоненты в смеси.

Функции вовлечения частиц в пульсационное поле сплошной фазы и в поле температуры несущего потока определялись соотношениями: 1Ц = 1- &р(-Т{? / ти) , ди=1*/ти-Ъ , Ъ =1-ехр(-Тр/т() . Время взаимодействия частиц с энергоемкими пульсациями газа Тр, временной масштаб пульсаций скорости Ти и времена динамической и тепловой релаксации частиц ти и т, рассчитывались по формулам:

а

^_ г, = , ^ =2 + 0.6 Иер05 Рг0-333,

и~18Мо(1 + 0.15ЯеОа687)' ' 6ЛМи» Тр = -г—Ти---, 1 = ГиЖк, Ти = а — , а = 1£СмБст. (16)

Замыкание системы уравнений (9) - (15) выполнялось на основе определения турбулентных напряжений (и/) и (ира) в газовой

фазе с использованием гипотез Буссинеска, законов Фурье и Фика:

Аналогичный подход использовался для соответствующих величин достаточно разреженной дисперсной фазы: (уу^, при опреде-

лении средних скоростей гетерогенных эзр и гомогенных Эар реакций и корреляций <У/-аэ>р, (АЬрдэз)р ). В частности, турбулентные напряжения и турбулентная вязкость для частиц представлялись как

= |/г% - х>р(уи + УК. -11/„(д), Ур = /¡,+ г„/ср / 3. (18)

Перенос энергии турбулентности частиц и газа моделировался на базе модифицированной для дисперсных потоков к - е модели

(Рф[кр. Г +1/;/СР/) = -рРф{^¡Ц^ +(ррфлркр)^ +

/2 + кр(эз)р ,

+ 2рРф

(19)

где Лр =~ти(кр +дик)-

р{к,т+ и^) = к] + С - ре -1Ц. р.р -Ак-Вк, (20)

ЧО" к У : 3 Р

<тк ; ^ з р

где Лк = 2рРф (1 -Ги)к- ррди(и1и:)(и] - Ч1)ФА , ти

Р л. I \ - и ../ ,1яД

Вк = (и] - V, ){и,ге)р + (|^ _ и. j+ к{веу

Уравнение для скорости диссипации энергии турбулентности е записывалось в виде

р (гг г + и^) = е^ +Се1^0-сЕ2р^-АЕ-2(1 - 7,Мав>" , (21)

и 2РР£ где Ас = —

9*=Те/ти~и, Те=(15у0/с)1/2.

1Е = 7 - ехр(-Т£ /ти),

Ф.т +

Дня течений, где выполняется условие ти / Ти «1, перенос частиц можно описать в рамках односкоростного диффузионно-инерционного приближения. Уравнение для концентрации частиц имеет вид

и1 + ^{р? - , - и1,г - и1и1.1)]ф} = {°9ф.>\< ' (22)

при ти 0 оно переходит в уравнение диффузии безынерционной примеси.

Описание кинетики гомогенных химических реакций основано на модели Магнуссена, учитывающей процесс турбулентного смешения. Гетерогенные химические реакции описываются на основе модели Аррсниуса. Для описания горения используется модель жесткого золового каркаса, в которой размер частиц предполагается постоянным, а плотность изменяемой в результате конверсии углерода. Изменение массы частиц при горении определяется термической деструкцией и гетерогенными химическими реакциями. Для, определения скорости термической деструкции используется одноступенчатая модель пиролиза

= ^Ч 6РФ / с1р ехр(-Еу0 / П0), (23)

где V- массовое содержание летучих в угле; константы

пиролиза; с!р - осредненный диаметр частиц представительной фракции. В качестве продуктов деструкции берутся С02, Н20 и СпНт.

Скорость гетерогенных химических реакций на поверхности горения частиц определяется как суммарная по всем реакциям

®с = 2>су ^ , (24)

У /

где Ьу - стехиометрический коэффициент, к? - эффективная скорость

реакции, Су- массовая доля газовых компонентов, функция,

определяющая механизм адсорбции/десорбции (закон Ленгмюра).

Радиационный перенос в камерах сгорания описывался в приближении серого тела на основе модифицированного для двухфазного потока моментного метода Де-Марко-Локвуда. При расчетах горения распыленного угля в камерных топках использовался потоковый

метод, согласно которому радиационный перенос описывался тремя

ц-х,у,г , при предположении постоянной интенсивности излучения внутри равных телесных углов с вершиной в центре расчетной ячейки

константы и характеристики индикатриссы, характеризующие перенос излучением, т и 1.203. Радиационный источниковый член в уравнении энергии определялся как 2та(ЗЕ - Fx - Fy - Fz). Радиационные

свойства дисперсной фазы задавались с использованием теории Ми для расчета индикатриссы рассеяния и приближением J-Эддинггона.

Граничные условия

Задание граничных условий определялось спецификой каждой конкретной задачи. Распределение переменных на входе определялось постановкой задачи, на выходе из расчетных областей использовались граничные условия: Ф= 0.

Граничные условия на стенках задавались с использованием метода пристеночных функций, т.е. значения переменных задавались не на самой стенке, а в первой от неё расчетной точке. Необходимым условием являлось нахождение этой точки в области логарифмического слоя, т.е. при 30<у+<100. В этой области

—— = —!п(у+) + А, и. = Jtw /р, у+=—. При решении задач со и* се v0

сложной геометрией границ для определения к, с использовались модифицированные на низкорейнольдсовы зоны формулы: у+ < 11.265: к = 0.0355и.2у+2, 11.265 < у+ < 60: к = и2(-0.0246у+ + 4.777), 60 < у+ < 150: к = 3.3014и2,

у+ < 11.265: е = (0.0896 + 0.0010у+2 )и* / v0, у+ > 11.265: с = (ку+)~1и.4 / v0, где rw- полное турбулентное трение на стенке, Uw - скорость движения стенки, A,cv- постоянные Ван-Дриста и Кармана.

уравнениями переноса потоков

(25)

При лагранжевом описании движения дисперсной фазы предполагались различные сценарии для имитации процесса соударения частиц со стенкой: удар со скольжением, упругим и неупругим взаимодействием, прилипанием. Решение уравнения переноса частиц в области стенок для канонических течений было использовано для получения пристеночных функций. Поток частиц у стенки определялся значением их концентрации в области логарифмического слоя, в частности, по формуле:

. . (0.115B'3/4rf/B + 2.5 - 10~4 г2'5 ) и. ..

Jw = фт{-1 о о*-±---и у - TuFу} , (26)

(1 +10 т2 )тах[0.61; min(1.32 - 0.27 In r+; 1)] у у

где Ф! - концентрация частиц в логарифмическом слое, В = ScB / т\/2.

Запись уравнений в обобщенной криволинейной системе координат

Для решения задач со сложной формой границ использовалась обобщенная криволинейная система координат £={£} = {£,в

которой уравнения сохранения массы, импульса и транспортные уравнения для скалярных величин имеют следующий вид

lp_T + (pS<k)U^k = О, 1(ри,) т + (pS(k>UiUk + Sjk>P - Tk,) k =о,

+ (27)

где S^-^/J, = Fk=-^-JSjk>S<i>cp,,.

- обобщенный тензор рейнольдсовых напряжегаш и диффузионный поток скалярной величины Ч3, J = у.| - якобиан преобразовашш.

Численный метод решения систем уравнений

Для решения систем уравнений вида (4) использовались методы конечного объема: алгоритм согласования полей скоростей и давлений SIMPLE и его усовершенствование SIMPLEC. Для численного решения уравнений использовались: метод неполной матричной факторизации, метод Гаусса-Зейделя, метод линейного сканирования и неявный метод переменных направлений. В SFINKS стационарное решение находится по методу установления с применением искусственной сжимаемости. Для расчета конвективных слагаемых использовалась схема QUICK и противопоточная дифференциальная схема, обобщающая её. Для интегрирования уравнений движения частиц применялись методы Блесса, Рунге-Кутта и точные решения, полученные для контрольного объема расчетной ячейки.

В третьей главе описывается состав ИВС, дается блочная структура вычислительных комплексов и алгоритмы программ информационной среды для поддержки проведения вычислений.

Для решения широкого круга проблем разработана ИВС SELIGER - System of Embedded-Linked Information and Graphics for Engineers and Researches. Она состоит из генератора сеток, программ вычислительного ядра, с помощью которых возможно моделирование гидродинамических и теплообмен-ных процессов, графического постпроцессора и СУБД.

В вычислительное ядро входят программы для численного решения описанных выше систем дифференциальных уравнений. Программа FLAME предназначена для расчета гидродинамики, тепломассообмена и процесса горения в двухфазных средах, в ней реализован эйлеров подход для описания динамики турбулентных двухфазных течений. Программы TURBON, DUST, TURWIND, CELL и др. предназначены для расчетов турбулентных течении с прослеживанием траекторий отдельных частиц. В дополнение к разработанному набору программ в ИВС введен солвер SFINKS (Subsonic Flows IN Key Situations), основной для решения задач аэродинамики и конвективного теплообмена для двумерных и трехмерных, вязких и невязких дозвуковых стационарных течений в областях со сложной геометрией. Прототип этого солвера разработан Е.М.Смирновым (SINF1.0, 1992). При использовании SFINKS расширяется круг решаемых задач, в частности, он применяется при моделировании течений в энергомашинах с учетом эффектов вращения и массовых сил. В адаптированной в ИВС версии солвера используются одноблочные криволинейные сетки, отслеживающие геометрию ограничивающих поверхностей. Расчеты ведутся на основе решения полных уравнений Эйлера или Навье-Стокса и транспортных уравнений в обобщенной форме (25).

Программы FLAME и SFINKS реализованы на языках С++ и Fortran и могут быть запущены на ЭВМ различных классов и производительности и разными OS. Для ПЭВМ разработаны версии

<S £ ¿L [ÇjER. Сервер

9 SFINKS

Q FLAME, aTURBON Qoo о QRimiK « ШЖ.1ЯШ I

Скрипты CGI

Файлы html \ JAVA-сариты \ загрузка \ исполнимы* ■ 1 модулей доступ к'&а?е данных офазуфья расчеты

Inkma/lairmH тоу IP

Трапспоргпая сеть

WWW-броузер

JAVA-скрипты JAVA-anrw9fbi

программы вичуялиазции дзнных и формы для обеспечения улилешюю д< «гуля

Рис. 1. Структура ИВС SELIGER

этих программ с унифицированным интерфейсом для MS Windows 3.1/95/NT.

Построение границ области моделирования и генерация сетки для областей сложной формы производится в программе ORIGGIN (Operative and Rational Interactive Grid Generation INstrument). Система меню и диалоговых окон в ORIGGIN позволяет достаточно быстро создать геометрическую модель объекта и провести генерацию двумерной или трехмерной расчетной сетки с заданными свойствами. Для создания сеток используются алгебраические методы и методы генерации, основанные на решении дифференциальных уравнений эллиптического типа. Для задания неравномерных, согласованных с границами сеток в декартовой и цилиндрической системах координат во FLAME применяется интерактивная программа GRID.

Рис. 2. Окна LEONARDO и апплеты его расширения LEONET для Intranet/Internet

Для визуализации результатов в системе SELIGER создана программа LEONARDO. Используя её функции (рис. 2) можно быстро построить различные виды и графики, иллюстрирующие полученные численные результаты: эпюры, изолинии и изоповерхности, векторные поля, треки отмеченных частиц и т.п., обработать первичные данные с использованием операций из векторного анализа, подготовить анимационный сюжет для ПК или для видео в WWW Internet, используя встроенную конвертацию обработанных данных в файлы, обрабатываемые в пакете TrueSpace Caligari и в файлы геометрических объектов для программ VRML. Графические функции сетевой версии LEONET доступны по сетям Intranet/Internet.

Управление данными, получаемыми в проекте и затребованными из информационных банков для проведения исследований, производится посредством специализированной СУБД DATASEL. При её разработке (на базе Gupta SQLWindows) использовалась концепция встраиваемых и редактируемых документов с гипермедийными ссылками и мультимедийными включениями, позволяющими полностью отразить суть разрабатываемого научного проекта, включая связи с внешними банками даннных через корпоративные сети, Intranet и WWW Internet. DATASEL предназначена для управления, обработки и хранения научной информации, привлекаемой и получаемой при разработке научных проектов в ИБС: исходных данных для моделирования, расчетных сеток, файлов данных и результатов расчетов в текстовом и двоичном формате, рисунков и разнородных документов, содержащих иллюстрации и файлы с гипермедийными ссылками и объектами мультимедиа. Взаимосвязь документов, например, статей по теме исследований или Рис. 3. СУБД DATASEL

показательных расчетов (benchmark), обеспечивает интерфейс, который позволяет провести быстрый поиск, просмотр и редактирование файлов в отдельных окнах с использованием механизма OLE 2.0. При обработке иллюстраций возможности шире, пользователь может вставить в любой документ объект из приложения, полученного с использованием OLE технологии. В интерфейс СУБД входит анкета поиска, которая обеспечивает гибкий и быстрый поиск необходимой информации по множеству критериев, задаваемых пользователем. Для определения взаимосвязи между документами используется иерархическая структура связей, реализованная с помощью триггеров и ключей. Вид окон СУБД с видеоиллюстрациями (AVI, MPG-файлами) по результатам моделирования нестационарного течения во вращающемся канале, проведенного в системе SELIGER, показан на рис. 3. Программы информационной поддержки ИБС работают в OS MS Windows 95/NT.

Рис. 4. Вихпевые камевы и циклоны

Четвертая глава посвящена результатам тестирования разработанных моделей и математического моделирования одно- и двухфазных турбулентных течений в аппаратах с закруткой потока.

Вид аппаратов приведен на рис. 4, где показаны: инерционный вихревой сепаратор ИБС (1), противоточный циклон (2), АВЗП (3) и

вихревые камеры (4,5).

ИБС являются эффективными устройствами для сепарации пылей и аэрозолей. Одним из объектов моделирования был элемент панели для очистки циклового воздуха КВОУ ГТУ. Такие фильтры используются для защиты ГТД на кораблях, вертолетах, танках. Сепарационная эффективность ИБС исследовалась на основе лагранжевого подхода. Численный эксперимент по определению влияния геометрии и режима прокачивания воздуха на эффективность улавливания ц кварцевой и сланцевой пыли проводился по композиционному униформ-ротатабельному плану второго порядка Бокса-Хантера. Полученные зависимости для частиц разных классов крупности имели вид полиномиальных регрессий второго порядка и были использованы для определения оптимальных конструктивных и режимных параметров, которые в итоге были рекомендованы для базисного образца ИБС.

Для анализа процесса сепарации полидисперсной смеси капель пара в ИВС использовалось эйлерово описание эволюции её фракционного состава, изменение которого на выходе из ИВС определяло эффективность сепарации. С использованием условия применимости диффузионно-инерционной модели 1и / Ти х 1 исходный спектр частиц разбивался на две части. Описание процесса сепарации мелкодисперсных частиц проводилось на основе эйлеровой модели. Для расчета динамики частиц более крупных размеров использовался лагранжев подход с учетом сил турбофореза. Пример расчета полей концентрации сепарируемых капель в объеме ИВС показан на рис. 5. Было установлено, что использование в качестве центрального тела с коническим оголовком приводит к

Рис. 5. Сепарация капель пара в ИВС а - с!р =1 мкм,Ь- бр =3 мкм

повышению эффективности сепарации. Отмечено, что лагранасево описание сепарации фракции капель с с!р >1 приводит к завышению, а при ёр <7 - к занижению ц, что объясняется большей степенью вовлечения частиц в пульсационное движение в зонах с большими градиентами энергии турбулентности. Модель применена для оптимизации скорости подачи пара в ИБС ЕБР и МЭИ.

Рис. 6. Сепарация тонкодисперсных пылей в АВЗП

Особенности противоточной схемы изучалась па примере циклона ЦКТИ-БПР-512. Для этого циклона исследовалось влияние режима формирования мелкомасштабной турбулентности на скоростные поля в зоне сепарации и вторичный унос пыли за счет газового обмена циклона с пылеприемным бункером. Было выявлено влияние крутки потока на распределение радиального стока и сепарацию мелких частиц, на которых действие центробежных сил и си увлечения потоком уравновешиваются. В обоих случаях были определены зоны, где интенсивность турбулентных пульсаций была повышенной. В них происходит "утечка" частиц, которые могли бы быть уловлены в отсутствие пульсаций.

Особое внимание в работе уделено аппаратам со встречными закрученными течениями, гидродинамическая схема которых определена их названием. Объяснение повышенной эффективности улавливания в АВЗП многие исследователи пытались делать на уровне

эмпирических гипотез и алгебраических соотношений. Однако, действительная картина прояснилась только после проведения расчетов с использованием уравнений турбулентного переноса.

Характерный пример расчета аэродинамики течения в АВЗП приведен на рис. 6. Структура встречного течения двух потоков газа здесь такова, что его крутка остается достаточно высокой по всей области сепарации, а радиальный сток в нижней части аппарата подавляется, причем в области, где частицы выходят на равновесные траектории, формируется область пониженной интенсивности пульсаций газа (зона а, где к+ = 4к / ив = 0.06). Сочетание этих факторов приводит к образованию устойчивых вихревых колец, в которых накапливаются частицы диаметром меньше критического, т.е. те, которые не могут быть уловлены за счет центробежных сил у стенок аппарата при подаче через верхнее закручивающее устройство.

Пример установления эффективного режима улавливания в опытном аппарате с О = 204 мм при изменении крутки газа а ч

мв + мн

КУЯ

(М = 2л \^рМШ2бг , Кх = 2л ^ри2гс1г) и степени подачи

АйЗП ■ 150

'0 'О

газа через нижнее закручивающее устройство ен =Он / О дан на рис. 7.

в Видно, что коэффициент гидравлического сопротивления £ принимает минимальные значения в зоне высокой степени улавливания пыли. Примечательный факт - резкое уменьшение эффективности при превышении некоторого критического значения ен > 0.6, когда нижняя закрученная струя замыкается на стенки и пыль выносится с верхним потоком. В расчетах было выявлено, что однозначных оптимальных значений параметров для АВЗП различного диаметра и производительности дать нельзя, что подтвердили и натурные испытания опытных аппаратов. Для разработки рекомендаций по оптимальной конструкции аппарата был проведен цикл расчетов и натурных испытаний с привлечением методов их активного планирования. Варьировались размеры и форма устройств, способ подачи встречных потоков, режимы закрутки и т.п. в диапазоне по расходу газа от 0.1 до 20 кг/с. Были выявлены режимы, позволяющие при тонкой настройке АВЗП улавливание древесной, торфяной, силикатной и других промышленных пылей разной плотности в

Рис. 7. Эффективность сепарации в АВЗП О - эксперимент

- а -

значительной степени выше, чем традиционными циклонами. Оптимизированные ЛВЗП были внедрены на ряде предприятий.

Использование рециркуляционных структур, возникающих в технологических вихревых камерах, в частности, для использования вихревого удержания в них аэрозолей и микрочастиц, стимулировали исследования по моделированию аэродинамики двух их конструкций, разработанных в ИТ СО РАН. Для камеры, показанной на рис. 8, был сделан ряд расчетов с использованием лагранжевой модели для дисперсной фазы. Был выявлен механизм трансформации вихревой каверны в приосевои ооласти камеры, отражающий изменение скоростного поля под влиянием крутки периферийного, транзитного, сильно закрученного потока газа. Подобные исследования были проведены и для конструкции камеры 5 (рис. 4). Результаты математического моделирования сравнивались с экспериментальными данными лазерпо-допплеровской анемометрии. Механизм сепарации, приводящий к образованию в АВЗГТ устойчивых вихревых колец, выделяет их особую группу циклонных устройств, позволяющих контролировать процесс удержания пылей и порошков при технологической обработке. Одним из применений этого эффекта была конструкция комбинированной сушилки для сушки тонкодисперсных порошков, используемых в электронике, где АВЗП совмещал функции досушивающего устройства и сепаратора. Конструкция сушилки была защищена авторским свидетельством и внедрена на двух предприятиях министерства приборостроения. Другим применением разработанных математических моделей были поисковые исследования для определения условий удержания микротвэлов в ГФЯР на основе управления сепарационными режимами в энергоблоке, проведенные совместно с ИТ СО РАН.

В пятой главе обсуждаются результаты моделирования конвективного теплообмена в аппаратах с АГР и результаты тестирования вычислительного ядра ИБС, полученные при решении задач внешней и внутренней аэродинамики промышленных зданий.

Рис. 8. Формирование вихревой каверны 1-5: 5 = 0,14, 0.42, 0.94, 1.64, 5.6; 6: каверна, заполненная аэрозолем; 7: распределение компоненты скорости и

Течение в канале аппарата для термообработки и вулканизации рулонных материалов моделировалось для получения информации о

влиянии геометрии аппарата и режима прокачивания теплоносителя на его теплообмен с тканями.

Задача решалась в двумерной постановке методами конечного объема (рис. 9). для ячейки АГР: повторяемого модуля с профилированной верхней стенкой, участком поверхности ткани и активатором, заменяемым в некоторых вариантах тепло-электронагревающим элементом. Уравнения (1-4) решались на сопряженной с границами сетке. При постановке задачи делалось предположение о постоянстве скорости изменения характерной температуры в канале с развитым периодическим температурным режимом при Tw = const. В правой части уравнения для Ux при этом появляется дополнительный градиент давления р , а

в уравнении для безразмерной температуры 9 = (г-Tw)/(г* -г") член

а^[2к&х-их&]л + к9\л2+\х ], где Цх) = (г* - /{т* - Tw} -

периодическая функция с периодом равным длине ячейки. Для решения задачи конвективного теплообмена при изменяемой температуре ткани в ячейке с вставками - тэнами расчет течения производился для пяти первых ячеек, а анализ результатов расчета теплообмена выполнялся на последней ячейке.

В результате проведенных расчетов была выявлена связь между режимами течения, геометрией ячеек АГР и процессом теплообмена с поверхностью термообрабатываемых рулонных материалов. Было установлено, что с привлечением аналогии Рейнольдса-Кармана и с использованием формулы Nu = St Re Рг можно получить достаточно хорошие оценки для коэффициента теплообмена через значения коэффицента трения на поверхности ткани. Из сравнения графиков А/и = f(Re) на рис. 9 наглядно видно, что неудачный выбор

_________- r.. <<-v?•'^'Гч-

2000

5000

10000

Рис. 9. Влияние геометрии ячейки АГР на интенсивность теплообмена

местоположения активатора и формы канала (например, как в варианте 2 по сравнению с 1) может резко уменьшить коэффициент теплообмена. Численный эксперимент позволил выявить оптимальные режимы и установить технологичную конструкцию ячеек АГР. После оптимизации интенсивность теплообмена в аппарате удалось увеличить приблизительно в полтора раза при незначительном росте энергетических потерь на прокачивание теплоносителя.

Рис. 10. Треки захваченных потоком частиц и изоповерхностн постоянной завихренности j curl U(x,y,z) j = const при обтекании куба, установленного на

плоскости

Серия расчетов была проведена при моделировании эффектов турбулентного переноса при внешнем обтекании трехмерных объектов у земной поверхности. Эта работа проводилась в рамках разработки программ моделирования процессов переноса пассивных и активных примесей в приземном слое воздуха около промышленных объектов. Было проведено сравнение расчетных данных по полям скоростей и турбулентных характеристик течений, полученных при различных углах набегания потока на одиночное здание, установленное на плоскости, с результатами экспериментальных исследований и расчетов различных авторов. Помимо прикладного направления, исследования носили методический характер и были использованы для тестирования, вошедшего в ИБС вычислительного ядра, позволяющего решать обобщенное уравнения переноса (25) в общей криволинейной системе координат. Пример визуализации результатов расчета одной из важнейшей характеристик течения - завихренности в одном из вариантов обтекания объекта в форме куба показан на рис. 10.

Шестая глава посвящена математическому моделированию двухфазных турбулентных течений в топках котлов и камерах горения.

Методика численного расчета аэродинамики топок отлаживалась на двумерных моделях топок с трансляционной симметрией вдоль одной из координат и на осесимметричных топочных камерах. Постановочные расчеты проводились для прямоугольной топочной камеры и фонтанно-вихревой топки, их водяные модели экспериментально исследовались электродиффузионным методом. Сравнение результатов показало, что в целом расчет и эксперимент хорошо согласуются, что иллюстрируется рис. 11, где показаны эпюры вертикальной составляющей скорости и интенсивности пульсаций потока в о этом направлении. Отмечено, что примыкание струи к правой стенке (из-за эффекта Коацда) в расчете происходит ниже места, наблюдаемого в опыте, и формирование рециркуляционных зон зависит от размерности используемой расчетной Рис. 11. Модель сетки. Изучалось влияние перераспределения фонтанно-вихревой расхода и интерференции струй на топологию топки течения газа в топке. Было установлено, каким

образом в модели топки формируются зоны шлакования на стенках.

Полученный опыт был использован при моделировании топки котла П-57 в рамках двумерной схематизации. Описание переноса дисперсной фазы проводилось на уровне диффузионно-инерционной модели. В расчетах было получено распределение характеристик несущей и дисперсной фазы при штатных и нештатных режимах расхода топливо-воздушной смеси из горелочных устройств. Было отмечено, что изменение гипотезы о полном отражении частиц от стенок на полное поглощение (шлакование) ведет к радикальной перестройке полей концентрации частиц, в частности, были выявлены зоны миграционного переноса и выпадения частиц в областях с небольшими значениями турбулентной энергии (рис. 12). Введенный в модель инерционный механизм миграции частиц позволил выполнить корректный расчет процессов переноса частиц угля и отследить закономерности в распределении концентрационных полей двухфазных потоков, что было использовано при пробных расчетах с учетом горения.

Разработанные модели использовались при математическом моделировании вихревой топки парового котла П-67 с Оя = 2650 т/ч,

предназначенного для сжигания сильно шлакующихся канско-ачинских углей.

Задача предотвращения интенсивного шлакования поверхностей нагрева задала компоновку в топке котла тангенциального расположения 32 горелок в 4 яруса, вынос их из углов на стенки топки и введение восьми сопел рециркуляции для раскрутки потока газов. Требования учета реальной трехмерной геометрии топки больших Ц?| размеров (23x23x87 м), с высоким разрешении расчетной сетки в области горелок и возможностью подробного расчета горения полифракций угля, сформировали постановку задачи моделирования топки котла П-67.

Задача решалась в два этапа: расчет холодной аэродинамики основного участка тонки (1/4 обьема прямоугольной формы с учетом поворотной симметрии, с учетом и без учета четырехскатной геометрии холодной воронки) и расчет динамики и горения угля в топке реальной геометрии (1/2 объема топки Т-образной компоновки с поворотной симметрией и наличием двухскатной холодной воронки) на основе диффузионного и ИД описания динамики дисперсной фазы.

Для расчетов изотермической аэродинамики топочной камеры реальной геометрии были выбраны варианты с различным безразмерным диаметром условной окружности О = 0,1; 0,25, по касательной к которой направлены оси струй газа из сопсл горелок; с включением и исключением из расчета влияния сопел рециркуляции. Сравнение расчетов с данными экспериментального исследования модели камеры П-67 электродиффузионным методом показало удовлетворительное их соответствие (рис. 13 а,б,с). Некоторые расхождения могут быть объяснены тем, что для правильного описания течения в зоне сильно интерферирующих между собой струй газа от горелок требуется повышенное сеточное разрешение в этой области. При крупных ячейках сетки расчетная скорость в устье горелок уменьшается, что понижает дальнобойность струй и смещает точки максимума тангенциальной составляющей скорости.

Рис. 12. Поля скорости (1) и аэро- концентрации частиц угля (1-100, 210 мкм) в топке котла П-57

Расчеты, выполненные на холодной модели топки, позволили сделать вывод, что некоторую компенсацию этого явления можно сделать, изменив в модели диаметр окружности нацеливания струй. Крутка потока направленными под углом 10° вниз струями от горелок порождает структуру несущего потока со сложной аэродинамикой, некоторое представление о которой дает визуализация закрученных линий тока газа и распределение расходной компоненты скорости газа на рис. 13.

иУ / иутах

и. и,

А с

V

Ь

V

Л а

V

Рис. 13. Результаты расчетов топки котла П-67

При постановке полной задачи моделирования горения угля применялись инерционно-диффузионная и диффузионная модели. Предполагалось, что выделение и сгорание летучих на входе в топочную камеру происходит мгновенно, и в рабочем объеме имеет место только горение коксового остатка. Использовалась модель внешней золы, т.е. были введены две системы частиц: углеродные и золовые, влияние золы на горение углерода не учитывалось. Частицы топлива вводились фракциями, весовая доля которых изменялась при выгорании частиц. Для золы функция распределения не изменялась. Считалось, что окись углерода (продукт высокотемпературного горения коксовой частицы) мгновенно догорает до С02. Диаметр частиц определялся согласно модели нереагирующего ядра. Перенос

компонент газа задавался уравнением для консервативной функции смеси. Для газа и частиц использовалось однотемпературное приближение, которое учитывало тепловую инерционность частиц в поле турбулентных пульсаций температуры газа. Тепловыделение смеси определялось дивергенцией радиационного потока, перенос излучения рассчитывался на базе шестипотокового метода.

Проведенные расчеты позволили определить температурные и концентрационные поля компонент реагирующей смеси при горении угля в топке. Распределение температуры, приведенное на рис. 14 для одного из вариантов, является характерным для всей серии расчетов. Было отмечено что диффузионная модель приводит к занижению уровня расчетных температур и завышению уровня концентрации угольных частиц из-за пеучета инерционности частиц и, как следствие, к занижению времени пребывания частиц в топке, в особенности -крупных.

Расчеты на основе диффузионно-штерцион-ной модели дают более точное предсказание двухфазного потока и горения газов и частиц в гонке. Её использование перспективно при математическом моделировании крупномасштабных теплоагрегатов с небольшим пространственным разрешением расчетных сеток.

Горение распыленного топлива в камерах цилиндрической формы исследовалось при моделирования конверсии угля в перспективной конструкции реактора-газификатора и в прямоточной камере горения. Расчеты проводились на основе полной двухскоростной модели вихревого факела, заложенной в вычислительное ядро FLAME для камер цилшщро-конической формы, и проводились при различных режимах и способах подачи топлива и окислителя в камеру сгорания.

Основные результаты и выводы диссертации

• разработана информационно-вычислительная система, позволяющая проводить научные исследования эффективными математическими методами с информационной поддержкой, базируемой на современных информационных технологиях;

• с использованием лагранжева и эйлерова подходов обоснованы и алгоритмизованы замкнутые математические модели различной степени сложности для описания динамики переноса, теплообмена и горения частиц в турбулентных потоках;

• создано вычислительное ядро ИБС для расчета физико-химических процессов в инертных и реагирующих потоках газа и частиц для аппаратов разнообразной геометрической формы;

• с использованием возможностей ИБС получены новые научные результаты в исследованиях закономерностей динамики и тепло-переноса в реальных энерготехнологических аппаратах с вихревыми потоками: циклонах, вихревых камерах, АВЗП, в термореакционых аппаратах с активным гидродинамическим режимом; изучены связи в соотношениях параметров для ряда промышленных аппаратов и устройств; выявлены механизмы управления процессами сепарации тонкодисперсных частиц и теплообмена в этих аппаратах.

• на основе локально-неоднородной двухжидкостной модели и диффузионно-инерционной модели турбулентных газодисперсных течений проведены численные исследования аэродинамики реальных камер горения и топок различных конструкций; исследовано влияние аэродинамических режимов на процесс горения распыленного угля;

• разработаны алгоритмы и создана программа для геометрического моделирования и генерации расчетных плоских и трехмерных криволинейных сеток для областей сложной формы с возможностью интерактивного управления качеством их построения;

• разработаны алгоритмы и создана интерактивная программа трехмерной графической визуализации и обработки результатов расчетов с возможностью создания выразительных научных иллюстраций и анимационных сюжетов для целей анализа результатов численных и физических экспериментов в механике сплошных сред;

• создана реляционная СУБД для поддержки научных исследований в локальной и корпоративной сети с возможностью работы с гипермедийными документами, с включением мультимедийных объектов в эти документы, управлением и возможностью доступа к данным по корпоративным сетям и сетям 1п1:гапе1/1Щете1;

• на основе разработанных пакетов программ решен ряд практических задач повышения эффективности технологических процессов, программы ИБС используются для целей автоматизации научных исследований в ряде научно-исследовательских лабораторий и институтов.

Основное содержание диссертации отражено в печатных работах:

1. Горячев В.Д. Исследование факторов, влияющих на распределение тангенциальной скорости в закрученном потоке с вдувом // Вопросы механики. Вып.З. - Калинин: КГУ, 1975. - С. 85-89.

2. Горячев В.Д. Численное решение задачи о закрученном потоке газа в трубе с вдувом на начальном участке // ИФЖ. -1976. - № 5. - С. 930-931. Деп. в ВИНИТИ per. № 1218-75. - 8 с.

3. Горячев В.Д. Моделирование работы инерционного вихревого сепаратора на ЭЦВМ // Изв. вузов СССР. Энергетика. - 1980. - № 2. - С. 49-55.

4. Исследование сепаратора для очистки рабочих тел ГТУ и ГУВД / Алексеев A.B., Горячев В.Д., Минайленко A.B., Яхнес В.А. // Теплоэнергетика. - 1980. - № 5. - С. 74-77.

5. Горячев В.Д. Моделирование пылеосадительного и сушильного оборудования для тонкодисперсных материалов // Аппараты с активными гидродинамическими режимами для ТП и произв. хим. волокон. - М.: МТИ, 1983. - С. 44.

6. Горячев В.Д., Корнев Г.П., Чернышев В.В. Сравнительное моделирование на ЭВМ аэродинамики аппаратов со встречными закрученными потоками и циклонов на основе двухпараметри-ческой модели турбулентности // Изв. вузов СССР. Энергетика. -1984. - № 3. - С. 67-72.

7. Гидродинамика и тепломассообмен комбинированной сушилки / Гвоздев В.Д., Горячев В.Д., Лебедев В.В., Соловьев И.Г. // Разработка теории и конструктивного оформления машин и аппаратов интенсивного воздействия с участием зернистых материалов. - Иваново: ИХТИ, 1984. - С. 99-100.

8. Исследование теплообмена и гидродинамики в аппарате с АГР для термообработки рулонных материалов / Гвоздев В.Д., Горячев В.Д., Буряков В. И., Соловьев И. Г. // Повышение эффективности теплообменных и гидродинамических процессов в производстве химических волокон. - М.: МТИ, 1985. - С. 50.

9- A.c. № 1193409, SU 1193409 A. Сушилка для полидисперсных материалов / Гвоздев В.Д., Горячев В.Д., Лебедев В.В., Соловьев И.Г., Цыренщиков H.H., Антонюк Е.А. - 1985.

Ю.Горячев В.Д. Моделирование и оптимизация сепарации в АВЗП // Современные вопросы механики и технологии машиностроения. -М.: ВИНИТИ, 1986. - Ч. 2. - С. 21.

П.Горячев В.Д. Численное моделирование гидродинамики турбулентных двухфазных течений в вихревых камерах // Проблемы динамических процессов в гетерогенных средах. - Калинин: КГУ, 1987. - С. 158-166.

12. Горячев В.Д., Корнев Г.П., Чернышев В.В. Исследование пылеуловителей с встречными закрученными потоками // Повышение эффективности теплоэнергетических установок. -Калинин: КГУ, 1987. - С. 18-22.

13.Теплообмен в канале аппарата типа АГР для термообработки рулонных материалов / Гвоздев В.Д., Горячев В.Д., Соловьев И.Г., Беляев A.B. // Тепломассообмен в химико-технологических устройствах: Тр. Минского международного форума по тепло- и массообмеиу. Минск: ИТМО АНБ, 1988. - Сек.П. - С. 27-30.

14. Численное моделирование турбулентного горения пылеуголыюго топлива в топочных камерах / Горячев В.Д., Ерошенко В.М., Зайчик Л.И., Першуков В.А., Рабовский В.Б. // Теплообмен в парогенераторах. - Новосибирск: ИТФ СО РАН, 1988. - С. 131-132.

15. Горячев В.Д. Моделирование закрученных турбулентных потоков в аппаратах циклонного типа // Процессы переноса в турбулентных течениях. - Минск: ИТМО АНБ, 1988. - С. 113-122.

16. Горячев В.Д. Исследование влияния основных режимов течения газа на удержание тонкодисперсных пылей в вихревых аппаратах и аппаратах ВЗП с использованием ЭВМ-модели // Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем: Тез. докл. XV Всес. конф., Одесса: ОГУ, 1989. - II том. - С. 98-99.

17. Численное и экспериментальное моделирование турбулентных течений в топочных камерах / Алексеенко C.B., Горячев В.Д., Гусев И.Н., Ерошенко В.М., Рабовский В.Б. // ИФЖ. -1990. Т. 59. - № 6. - С. 948-955.

18.Goryachev Y.D., Vinberg A.A., Pershukov V.A. Turbulent flows of polydispersive additive in separators and vortex chambers // Engineering Turbulence Modelling and Experiment. - Holland: Elsevier Science Publishing, 1990. - P. 877-885.

19.Аэродинамика вихревой каверны / Волчков Э.П., Горячев В.Д., Сериков JI.B., Терехов В.И. // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. - 1991. - № 3. - С. 158-163.

20. Математическое моделирование топочных процессов в камерных топках при сжигании пылеугольного топлива / Волков Э.П., Горячев В.Д., Гусев И.Н., Зайчик Л.И., Першуков В.А. // Сибирский физ,-техн. журнал. - 1991. - № 5. - С. 122-125.

21. Горячев В.Д., Першуков В.А. Численное моделирование аэродинамики топочной камеры котла П-57 // Сибирский физ,-техн. журнал. - 1991. - № 5. - С. 126-129.

22.Горячев В.Д., Першуков В.А. Диффузионно-миграционная модель сепарации мелкодисперсной примеси // ИФЖ. - 1992. Т. 63. - № 1. - С. 58-62.

23.Горячев В.Д., Каменев Д.Г., Соловьев И.Г. Использование метода конечных элементов при оптимизации режима радиационно-конвективного теплообмена в канале термореакционного аппарата // Радиационный и комбинированный теплообмен: Труды П-го Минского межд. форума "Тепломассообмен - ММФ-92". Т. И. Минск: ИТМО АНБ, 1992. - С. 107-110.

24. Горячев В.Д., Першуков В.А. Система моделирования и анализа аэродинамики и процесса горения угля с образованием окислов азота в турбулентных двухфазных потоках // Вопросы испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем: Тез. докл. XVI конф. стран СНГ. - Одесса: ОГУ, 1993. - С. 121.

25. Горячев В.Д., Саенко В.Н. Использование графических постпроцессоров WG и LEONARDO в вычислительной гидродинамике // Программные продукты и системы: Прил. к журналу "Проблемы теории и практики управления". - 1993,- №2. - С.30-35.

26.Goryachev V.D., Saenko V.N., Sigov V.U. WG & LEONARDO as Interactive Visualization Systems for Computer Fluid Mechanics // J. of Wind Eng. and Ind. Aerodynamics. -1993. № 46 & 47. - P. 853-856.

27. Goryachev V.D., Saenko V.N. Interactive Visualization System for 3D Graphics Post-Processing // Proc. of 8 th Int. Conf. on Thermal Eng. and Thermogrammetry. - Budapest, 1993. - P. 93-94.

28.ESTTAC - Eulerian Simulation of the Two-Phase Turbulent Aerodynamics and Combustion / Goryachev V.D., Kozelev M.V., Pershukov V.A., Saenko V.N., Vinberg A.A., Zaichik L.I. // Proc. of 4th Int. Conf. CAD/CAM & MULTIMEDIA-CAMP '94. - Budapest, 1994. - P. 26-32.

29.Thrcc-Dimensional Numerical and Experimental Simulation of Aerodynamics in Furnace Chambers of Advanced Steam Generators at

Isothermal Conditions / Alekseenko S.V., Goryachev V.D., Borisov S.V., Kozelev M.V. // Thermophysics and Aeromechanics. -1994. -V.l. - № 4. - P. 325-331.

30. Моделирование горения твердого топлива в турбулентных потоках / Зайчик Л.И., Першуков В.А., Горячев В.Д., Козелев М.В., Винберг А.А. // Труды перв. Российской нац. конф. по тепломассообмену. -Т. III. - М., 1994. - С. 124-129.

31. Горячев В.Д. Моделирование аэродинамических и тепловых процессов на основе систем SELIGER и ESTTAC // Программные продукты и системы: Прил. к журналу "Проблемы теории и практики управления". - 1995. - №1. - С. 17-24.

32. Горячев В. Д. Информационная система поддержки исследований в механике сплошных сред // Информационные системы в науке -95: Тр. конф., - М.: Фазис, 1995. - С. 35-36.

33.Горячев В.Д. Информационно-вычислительная система моделиро-ания процессов в сплошных средах // Мат. методы в химии и химической технологии: ММХ-95. 4.4. - Тверь, 1995. - С. 111-112.

34. Goryachev V.D., Smirnov Е.М. SELIGER - Information and Calculation System for Modelling and Investigations in Computer Fluid Dynamics // Advances in Databases and Information Systems: Proc. of the 2-d Int. Workshop ADBIS'95. Y.2. - M.: Фазис, 1995. - P. 15-17.

35.Goryachev V.D., Smirnov E.M. A system for Numerical Simulation in Computer Fluid Dynamics // CAD/CAM & MULTIMEDIA (CAMP '95): Proc. of the 5-th Int. Conf. - Budapest, 1995. - P. 28-33.

36.Горячев В.Д., Винберг A.A., Козелев M.B., Першуков В.А. Математическое моделирование горения пылеугольного топлива в камерах сгорания // Тепломассообмен в химически реагирующих системах: Труды 3-го ММФ по тенао- и массообмену. - Минск: ИТМО АНБ, 1996. - С. 56-59.

37. Горячев В.Д. Информационно-вычислительная система "SELIGER" для моделирования аэродинамики и тепло- массообменных процессов // Вычислительный эксперимент в задачах тепломассообмена и теплопередачи: Труды 3-го ММФ по тепло- и массообмену. -Минск: ИТМО АНБ, 1996. - С. 195-199.

38. Goryachev V.D., Pershukov V.A., Zaicliik L.I. Problems of modelling of dynamics and deposition of dust particles in two-phase turbulent flows // Finite Volumes for Complex Applications. Problems and Perspectives. Ed. F. Benkhaldoun, R. Vilsmeier. - Paris: Hermes, 1996. - P. 397-402.

39. Simulation of containment atmosphere ventilation flows / Goryachev V.D., Smirnov E.M., Zaychik L.I., Ris V.V., Nigmatullin B.I. //

Preprints of II Int. Symp. Computer Wind Engineering - CWE'96. -Colorado. USA, 1996. -»12 p.

40.Горячев В.Д. Информационно-вычислительное обеспечение исследований аэродинамики технологических устройств и тепломассо-обменных процессов // Использование методов мат. моделирования в котельной технике. - Красноярск: СибВТИ, 1996. - С. 95-98.

41. Горячев В.Д., Козелев М.В., Зайчик Л.И. Трехмерное моделирование сжигания твердого топлива в энергетических котлах // Химическая физика процессов горения и взрыва: XI Симп. по горению и взрыву. Том II. - Черноголовка: РАН, 1996. - С. 174-176.

42. Горячев В.Д., Изотов С.И. СУБД гипермедийной системы математического моделирования в вычислительной гидродинамике SELIGER /'/ Математические методы нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах: Тез. докл. МНК. - Тверь: ТГТУ, 1996. - С. 156.

43.Горячев В.Д. Гипермедийная ИБС SELIGER для проведения исследований в механике сплошных сред // Математические методы нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах: Тез. докл. МНК. -Тверь: ТГТУ, 1996. - С. 100-101.

44.Goryachev V.D., Zaychik L.I. A Diffusion-Inertia Model for Simulation of Two-Phase Turbulent Reacting Flows // Turbulence, Heat and Mass Transfer. Ed. by K.Hanjalic and T. Peetcrs. - Delft: Delft University Press. Netherlands, 1997. - P. 791-800.

45.Goryachev V.D. CFD Art Effect Visualization Technique // Proc. of Int. Conf. SCART'97. July 21-25. 1997. - Berlin, 1997. P. 51-53.

46.Goryachev V.D., Smirnov E.M. A Computer and Information System for Computer Fluid Dynamics: SELIGER // Computational Physics, Biology and Chemistry: Proc. of the 15th IMACS World Congress on Scientific Computation, Modelling and Applied Mathematics. August 2429. Vol. 3. - Berlin, 1997. - P. 47-53.

47.Goryachev V.D., Smirnov E.M. The Database of Hypermedia Computer and Information System SELIGER // Proc. of the First East-Europian Symposium on Advances in Databases and Information Systems -ADBIS'97. St.-Petersburg. September 2-5. Vol. 2. - S.Pb.:Nevsky Dialect, 1997. - P. 121-122. //k^-

' • V