автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Обоснование и разработка потенциальных решений для гидродинамического расчета элементов судовых энергетических установок

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГУСЕВ Анатолий Иванович

УДК 621.039.534

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.08.05 — судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Диссертационная работа выполнена на кафедре теплофизических основ судовой энергетики Государственного морского технического университета.

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники России доктор технических наук, профессор СУНЦОВ Н. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ТИХОМИРОВ Б. А., кандидат технических наук, доцент ГУРЬЕВ Ю. В.

Ведущая организация указана ь решении совета.

Защита диссертации состоится 1993 г.

в час. в аудиториииа заседании специализированного со-

вета Д 053.23.02 при Государственном морском техническом университете.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГМТУ.

21 „

Автореферат разослан «/5 » им-п^р**- 1992 Г-

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент В. Ф. ДИДЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эффективность работы судовых энергетических установок (СЭУ) в числе прочих факторов зависит от потерь давления в различных элементах систем, входящих в их состав. Для газотурбинных установок (ПУ) это воздухопри-емные и газовыпускные тракты, для паротурбинных установок (ПТУ) - пароподводящие и перепускные патрубки, для ядерных энергетических установок (ЯЭУ) - патрубки трубопроводов всех контуров и многочисленных вспомогательных систем, тракты тепловыделяющих сборок. Улучшая гидравлические характеристики элементов систем можно достичь существенного повышения технико-экономических показателей СЭУ в целом.

В составе СЭУ имеются многочисленные диффузорные устройства СДУ), часто располагающие потенциальными резервами для своего совершенствования. При большой неравномерности потока перед фронтом теплообменного аппарата (ТА) в активном теплообмене участвует только часть его рабочей поверхности, а гидравлическое сопротивление возрастает. Рационально спрофилированные ДУ, устанавливаемые перед ТА, позволяют обеспечить равномерную раздачу потока по фронту теплообменной поверхности и, тем самым, улучшить показатели ее работы.

Таким образом, снижение гидравлического сопротивления патрубков и переходников систем СЭУ и создание ДУ ТА с 'заданным профилем скоростей на выходе является актуальной задачей, направленной на повышение эффективности СЭУ в целом.

Не менее актуальной задачей является рациональное профилирование коллекторных тепловыделяющих сборок высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (TBC ВТГР). Большой вклад в развитие теории и конструирования TBC ВТГР внесен работами, выполненными в ИАЭ АН СССР (Смирнов Л.П., Сегаль М.Д.), в ИЯЭ АН БССР (Сорокин В.Н., Колос В.П., Ахрамович А.П.), в ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, в ЛГТУ на кафедре ЯХ.

Этим актуальным задачам уделялось большое внимание и на ФКЭ ЛКИ. Так, в период 1984-1990 гг. были успешно защищены кандидатские диссертации Зеленовым С.Н., Афанасьевым A.B., Шмелевым С.Х., Деменком C.JI., Сивухой С.М., посвященные со-

Езршенствованшэ гидравлических характеристик элементов систем судовых энергетических установок.

Однако актуальность проблемы сохранилась и в настоящее время, что и послужило основанием для настоящей работы.

Цель работы.

Разработка математической модели для теоретического исследования безвихревых потоков в элементах СЭУ.

Теоретическое исследование плоских и осесимметричных потенциальных течений в каналах с волнообразными и монотонно изменяющимися границами.

Проведение экспериментов по визуализации изучаемых потоков с целью подтверждения их потенциальности.

Обоснование возможности изучения осесимметричных течет ний на плоских моделях.

Выработка предложений по рациональным обводам отдельных элементов СЭУ.

Научная новизна.

Предложен новый подход к решению уравнений плоского и осесимметричного потенциальных течений несжимаемой жидкости, особенностями которого являются применение метода разделения переменных к поперечной составляющей скорости и введение специальным образом выбранных безразмерных скоростей.

Новой является постановка задачи о специальной деформации границ осесимметричных каналов для экспериментального изучения течений в них на плоских моделях.

Научное и практическое значение работы.

С помощью предложенного метода получены и систематизированы частные решения для трех плоских потенциальных потоков и их осесимметричных аналогов. Указанные частные решения являются основой для получения различных потоков на основе принципа суперпозиции.

Принцип суперпозиции реализован применительно к потокам в каналах с волнообразными и монотонно изменяющимися границами.

Получены расчетные формулы для обводов диффузоров, кон-фузоров и различного рода переходников, входящих в системы СЭУ.

Путем визуализации потока на специальной установке под-тверяден безвихревой характер течения в исследованных каналах.

Предложен методический приём, позволяпщкй исследовать на плоских моделях течение в осесимметричных каналах 'путем соответствующей деформации :гх обводов. Доказана практическая инвариантность переходной функции к продольной форьга кап?_-а.

Предложен ряд конструктивна реяешй элементов систем СЭУ. Получено два авторских свидетельства и подигл три залп-ки на изобретения.

Апробация работы. Основные теоретические полонекк.ч и практические результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЖИ (Ленинград, 1938, 1990), 14-м Межотраслевом семинаре "Атомно-водороднал энергетика и тахиого~ гия" (МоскЕа, 1989), I Всесоюзном семинаре "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1969).

Реализация результатов работы. Материалы диссертации использованы ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова в поисковых исследованиях по темам А-ХХХУШ-П2, А-ХХХУШ-П4 (акт о внедрении от 09.04.1991).

Публикации. По материалам работы опубликованы 2 статьи, подано 5 заявок на изобретения, получено 2 авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 67 наименований. Диссертация содержит 88 стр. машинописного текста, 17 рисунков и 17 фотографий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш исследования, сформулирована цель диссертационной работы и ее задачи.

В первой главе представлен аналитический обзор работ по исследованию потоков идеальной жидкости, опубликованных в последнее время.

В результате сделаны следующие выводы: - хотя с момента опубликования Л.Эйлером систеш уравнений движения идеальной жидкости прошло более 200 лет, интерес к ее решению как для потенциального, так и для вихревого потоков не ослабевает и в настоящее время;

- большинство разработанных г последнее время методов решения уравнений движения идеальной ездкости рассчитано на использование современных ЭВМ;

- подавляющее большинство методов предназначено для ре-пения внешней задачи, т.е. задачи обтекания;

- применение отдельных методов рассчитано на счастливую случайность нахождения нужного решения, вероятность нахождения такого решения зависит от "гидродинамической интуиции" исследователя;

- при исследовании течения идеальной жидкости бывает полезным использование специальных систем координат, в частности естественной и параболоцдальной;

- помимо того, что потенциальные решения представляют самостоятельный интерес в задачах гидродинамического расчета элементов СЭУ, они могут быть использованы в качестве первого приближения в задачах о движении вязкой жидкости;

~ есть все основания полагать, что модель течения вде-альной жидкости может быть полезна для создания метода расчета распределения основных параметров течения в каналах с проницаемыми стенками: скорости отсоса и давления, знание которых необходимо при разработке различных технологических аппаратов.

Вторая глава посвящена разработке нового метода получения решений для плоского и осесимметричного потенциальных потоков несжимаемой жидкости.

Для исследования потенциального течения несжимаемой жидкости (капельные жидкости и газы с малыми дозвуковыми скоростями) в качестве исходных были,, как обычно, взяты уравнение неразрывности и условие отсутствия вихрей:

= 0 , (!)

Эн дг .г

Э ЪГъ дъуг_п ' ~Эн ЗГ '

где 11Гг и ЪГ^ - продольная и поперечная составляющие скорости, причем £ = I для плоского потока и % = 2-для осесимметричного потока.

Кскш является прием, следуя . которому, в соответствии с методом разделения переменных, представим по-

перечнутэ составллпг^уэ скорости форму.т: а та::ге введем безразмерные скорост.ч

й)

Используя обозначенил (4), перепишем уравнение (I) в виде -Ц^ф, (5)

где

. (б)

с/г

Подставляя в уравнение (5) значения VIъ в соответствии с формулами (3) и (4), будем иметь

Ж + = , (7)

где штрихом обозначена операция функционирования функции

Нг) пог- ~

Выражение (7) применительно к Ш"г представляет собой линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Его общее решение имеет вид

^н=-ехр(-[фс1г).Г|/+(ж-1)|][ехр([ф(^г]с1г+Р(г)

(8)

где Р(^) - произвольная функция 1 , так как в уравнение (7) входила частная производная от ИГг по .

Подставляя в формулу (8) значение Ф(н) по формуле (б), получаем

Переходя в формуле (8) от неопределенного интеграла к интегрированию в пределах от 0 до Ъ , следует положить РС"2.) заданному распределению 1дГг0(2) в плоскости 2 = 0. Примем ИГг = 0, так как любое другое значение можно

получить в дальнейшем методом наложения потоков. При = О

и Р(г)= 0, так что формула (9). принимает вид:

£

иг=- (2-1)-£-] [<ггс1г . (10)

о

Подставляя в уравнение (2) значения ЬУг и 1лГ2 по формулам (3) и (10), будем иметь

V- (*-!)-£] (1*1*=0 , (И)

о

лГ/ ¿V

где

Разделяем переменные в уравнении (II). Для этого надо разделить все члены этого уравнения на и {оГс/2 ; в

результате получим

/тр)

/ ~ * \\гА '

о

В равенстве (12) левая часть зависит только от % , а правая - только от ъ , следовательно, каждая из них равна одной и той же постоянной величине. Эта величина может иметь любой знак, поэтому обозначим ее , так что из равенст-

ва (12) получаем следующие два уравнения

= + аз)

, (14)

| г | г2

Решение обыкновенных дифференциальных уравнений (13) и (14) не представляет принципиальных трудностей и приведено в диссертации. После нахождения функций 1/ и ^ по формулам (3) и (10) находят составляющие скорости Ц'г. и ОхГг , а затем - потенциал скоростей <Р и функцию тока Ф . Результаты сведены в табл.1.

Таблица I

Характеристики потенциальных потоков

Номер п/п

Составляющие скорости

Потенциал скоростей

Функция тока

Плоские потоки

'и/г = Аг Ыг = -Аг

ы^-Ас оя^ффн)

Ф=|- (гг-гг)

Осесимметричные потоки

1А г

Ф=-Аг2г

В

табл.1 А - произвольная постоянная.

Плоский канал с волнообразными стенками.

Производя наложение на плоский однородный поток, движущийся вдоль оси со скоростью - , потока I? 3 из табл.1, получим потенциальный поток в плоском канале с волнообразными стенками. Характеристики талого потока следующие

щ = ъ50-к сфг)5ск(}г) Ф = и02+-4- с!г (^г)со2

Так как рассматривается невязкое течение, то граничное условие на стенке канала требует, чтобы стенка была линией тока Ф=С=сок$£ , Следовательно границы канала задаются соотношением

(15)

(16)

где-

и

■$11Го

С - произвольные постоянные.

Форма канала, границы которого определяются ем (16), показана на рис.1.

уравнени-

г X

'к 1 к 1

г

1

Рис.1. Форма канала с волнообразными стенками

Очевидно, что ^ ^ , где .X - длина волны стенки канала.

В качестве входного устройства может рассматриваться диффу-зорный участок этого канала длиной так что Х/р .

Подставляя это значение \) в уравнение (16) и проводя преобразования, для образующей диффузора можно получить следующее выражение:

£ X

к-к.

в этой формуле

а -

кг -к4

(17)

(18)

(19)

, и £ - характерные размеры диффузора. Формулы (17) и (18) целесообразно привести к безразмерному виду:

А? _ А?

I г

— - —а.чс$\. к. е X

к! г

(20)

(21)

Образующая плоского диффузора для случая к±/ц =0,1 и кг/^ = 0,2 представлена на рис.2.

Осесимметричный канал с волнообразными стенками.

Производя наложение на осесимметричный однородный поток, движущийся вдоль оси И со скоростью ив , потока № б из табл.1, получим потенциальный поток в осесимметричном канале с волнообразными стенками. Характеристики такого потока в безразмерном виде имеют вид:

Рис.2. Образующие плоского и осесимметричного диффузоров

Ха. т А

и". ~ г -

и~2 = 4-- ха.

гл 1

Ч> г

Ъ

ше

ф

ъг„е

•тчшшм^)-

(22)

В формулах (22) СЬ - постоянная, выраженная через геометрические характеристики, - радиус на входе, - радиус на выходе и длину Ч

-

или в безразмерном виде

а. I

и

Формула для построения обводов осесимметричного диффузора имеет вид

— = — (Х1С$1и

I Ж

(25)

Образующая осесимметричного диффузора для случая ^¿/^ = = 0,1 и Ч-г/^ = 0,2 представлена на рис.2.

Плоский канал с расходящимися (сходящимися) стенками.

Потенциальный поток в плоском канале с монотонно расходящимися (диффузор) и сходящимися (конфузор) границами получим наложением на плоский однородный поток, движущийся вдоль оси ■ со скоростью ив , потока № I из табл.1. В результате получим поток со следующими характеристиками

1лУг-Ъ50-А1, Ч>=ъГо-г+{А(г2-22),

В соответствии с выражением для функции тока, канала задаются соотношением

А

(26)

границы

(27)

где Ц =

ал

Окончательная расчетная зависимость для построения разующей плоского диффузора тлеет вид:

об-

(28)

где все линейные размеры отнесены к длине диффузора. £ . 0сесишетр№н>й какал с расхсдтцмися (оссщщжуМся) стенками. Потенциальный поток в осесимметричном канале с монотон-

но расходящимися или сходящимися границами получим сложением однородного потока и потока № 4 из табл.1. Характеристики результирующего потока определяются формулами

ЫьгАъ ,

Ч>= ъГоЪ + А(¥2гг-1г),

(29)

В соответствии с выражением для функции тока граница канала задается соотношением

У= Ко , (30)

где Ко - радиус канала при 2=0.

Окончательная расчетная зависимость для построения осе-симметричного диффузора имеет вид

R=1

(31)

На рис.3 показаны плоский и осесимметричный диффузоры, построенные по уравнениям (28) и (31) для случая 1ц =

= 0,1; k2='.R2= 0,2.

H ii Ч*- R е

0,20 0,15 плоении канал \ ^^^

---——====одо \ осесимметричнш канал

0,05

-0,5 -0,4 -0.3 -0,2 -од. о 0,1, 0,2 0,3 0.4 о,S z=

Рис.3. Образующие плоского и осесимметричного диффузоров

Связь меззду плоским и осесимметричншл потоками.

В ряде случаев проведение экспериментов более удобно, а иногда и возможно только на плоских моделях. Последнее относится, в частности, к существующим методам Еизуалсации гогсяэв. Поэтому встает вопрос, как следует изменить обводы осесим-метричного канала, если на стевде изучается его плоский срез.

Образующие плоского и осесимметричного каналов с монотонно расходящимися границами определяются уравнениями (28) и (31), в соответствии с которыми

Рассматриваем плоский и осесимметричный диффузоры, у которых характерные размеры на входе и на выходе одинаковы, т.е. и к2=^2. В этом случае формула (32) упроща-

ется и принимает вид

к _ I (33)

1 '^^ау^нан^:'

Результаты расчета по формуле (33) при 1ц = 0,1 и = = 0,2 представлены на рис.4.

Я

Ь 4,00 0,99 0,98 0,97 0,96 .0,95 0,94

0,91 _ г

О 0,1 0,2. 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,г 0,9 4,0 2 = ^

Рис.4. Кривые пересчета осесимметричного канала на

плоский: --- канал с волнообразными стенками;

- канал с монотонно изменяющими границами;

---предлагаемая универсальная зависимость

На рис.4 пунктиром нанесена также кривая я/Не?), построенная по данным рис.2 для каналов (плоского и осесимкет-ричного) с волнообразными стенками._

То обстоятельство, что кривые = (?) для различных потоков имеют примерно одинаковый характер, дает основание утверждать о возможности использования некоторой приближенной универсальной зависимости для пересчета произвольного осесимметричного канала на плоский. В качестве такой универсальной зависимости предлагается кривая, нанесенная штрих-пунктиром на рис.4.

Таким образом, если встает задача исследования плоского среза осесимметричного канала, контур которого задан уравнением К = 11(2,) , то контур плоского среза этого, канала Ти= должен быть получен в соответствии с кривой

рис.4.

В третьей главе приведены описание экспериментальной установки и результаты визуализации течения в диффузорнцх и конфузорных патрубках, образующие которых были получены теоретически во второй главе.

Для визуализации был использован поляризационно-опти-ческий метод, разработанный Ю.М.Бычковым в Кишиневском политехническом институте.

Перечень исследованных моделей и цх характеристики приведены в табл.2.'

Таблица 2

Исследованные модели динфузорных и конфузорных элементов

Номер модели

Характеристика элемента

Схематичное изображение

Каналы с волнообразными стенками

Система диффузор-конфузор

Диффузор

-еЭ-

з

I

2

15

Продолжение табл.2

Конфузор

Диффузор с равномерным профилем скоростей на выходе

Конфузор с равномерным профилем скоростей на входе

Диффузор с равномерным профилем скоростей на входе и промежуточным сужением

Конфузор с равномерным профилем скоростей на входе и промежуточным сужением

Диффузор с равномерным профилем скоростей на выходе и промежуточным расширением

Конфузор с равномерным профилем скоростей на входе и промежуточным расширением

-Еэ--ез-

-Еэ-

Каналы с монотонно изменяющимися границами

Канал с монотонно расходящимися границами при

<¿=4^=0

Канал с монотонно сходящимися границами

Диффузор с

Окончание табл.2

13

14

15

16

17

Конфузор с

Диффузор с

Конфузор с

Диффузор с

Конфузор с.

, ТЛэсйш п _

Ы- =-;-=0,5

0С = -

иГ*

= 0,5"

их&г;

■Еэ

Результаты визуализации позволяет утверждать, что течение во всех перечисленных врше элементах является безвихревым и, следовательно,' таким образом подтверждена правильность теоретических решений." , .

В качестве примеров в автореферате приведены фотографии потоков на моделях'№-2 *и.№ II ,(рис.5, 6).

Кроме того, были проведены аэродинамические испытания модели № II (длина модели 300 мм, радиус на выходе 38 мм). Экспериментально был получен практически идеально равномерный профиль скоростей на выходе из модели при очень малых пульсациях скорости. Значение критерия Рейнольдса составляло Йе - 8-Ю4. Результаты испытаний приведены на рис.7.

• Подтверждение теоретических решений экспериментами по визуализации потоков позволило предложить новые конструктивные решения ряда элементов СЭУ. В результате подано 5 заявок

Рис.6. Течение жидкости в канале с монотонно сходящимися границами

на изобретения, по которым получено 2 авторских свидетельства, а остальные находятся в стадии рассмотрения. Описанию этих конструкций посвящена четвертая глава диссертации.

и, До м/с

<6,6

(6,2 -(6,0

О-О-О-О-О-О-О- оооо-о-о-о-о-о-скр-о^о

40 го 30 40 50 £0 70 80

ти.%

■0.22 0.2С

0,)Ь О, 0,(2 о,ю ом

Рис.7. Результаты аэродинамических испытаний модели № II: о - осевая скорость; о - пульсации осевой скорости; + - пульсации радиальной скорости

-I- +

ОСНОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОД!

1. Предложен и реализован новый метод решения уравнений плоского и осесимметричного безвихревых течений несжимаемой жидкости, позволивший получить характеристики шести опорных потенциальных потоков.

2. Характеристики течения в каналах с волнообразными и монотонно изменяющимися границами получены наложением однородного потока на указанные выше опорные потоки.

3. Выполнена визуализация исследуемых потоков на специальной установке и подтвержден их безвихревой характер.

4. Получены расчетные зависимости для обводов диффузоров, конфузоров, коллекторов и переходников, обеспечивающих потенциальность течения в них и заданные характеристики потоков. Эти зависимости рекомендуется использовать при конструировании указанных элементов в СЭУ и их системах.

5. Поставлена и решена новая задача об установлении адекватности результатов экспериментов на плоских моделях осесимметричным натурным потокам. Рекомендуется для практического использования единая переходная функция, позволяющая рассчитать обводы плоской модели при заданных обводах осе-симметричного натурного канала.

6. Полученные решения для потенциальных потоков рекомендуется использовать в качестве первого приближения для решения уравнений движения вязкой жидкости.

7. Полученные расчетные зависимости для обводов каналов, обеспечивающих безвихревое течение и заданный закон изменения скоростей, позволил предложить ряд новых конструкций:

- конструкции TBC ВТГР, обеспечивающие равномерное и ко-синусоидальное распределение теплоносителя (A.c. № 271493, 321757);

- конструкцию дымовой трубы, уменьшающей тепловую контрастность корабля (подана заявка на изобретение, получено положительное решение);

- конструкции элементов теплообменных аппаратов (подводной патрубок и тройник, поданы заявки на изобретения, получены положительные решения).

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Сунцов H.H., Деменок С.Л., Гусев А.И. Визуализация потоков в элементах судовых энергетических установок/ Тезисы •докладов I Всесоюзного семинара "Оптические методы исследования потоков1/, Новосибирск, 1989. С.137-138.

2. Сунцов H.H., Деменок С.Л., Гусев А.И. Условия выравнивания радиальных потоков в коллекторных системах// Вести АН БССР. 1990. № 3. С.57-62.

3. Сунцов H.H., Деменок C.JI., Медведев В.В., Гусев А.И. Тепловыделяющая сборка активной зоны ядерного реактора. A.c. 271493 СССР, МКИ 62IC 3/00, 18.05.87.

4. Сунцов H.H., Деменок С.Л., Гусев А.И., Тиханов Ю.'В. Тепловыделяющая сборка активной зоны ядерного реактора. A.c. 321757 СССР, МКИ G2IC 3/00, 30.01.89.

5. Сунцов H.H., Чистяков В.А., Деменок С.Л., Гусев А.И. Контактный водонагреватель// Положит, решение по заявке № 4792794/06 от 19.02.90.

6. Сунцов H.H., Деменок С.Л., Федосеев Л.А., Гусев А.И. Присоединение' ответвления трубопровода типа симметричного тройника// Положит, решение по заявке № 4870138/29 от 23.08.90.

7. Сунцов H.H., Деменок С.Л., Гусев А.И. Эжектирую-щее устройство дымовой трубы/// Положит, решение по заявке № 4911768/33 от 15.02.91.

ППО "Пегас" Зак.725 Тир.80