автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Течение с теплоотдачей в полостях вращения агрегатов энергетических установок летательных аппаратов

ЗУЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ООЗ 165358

ТЕЧЕНИЕ С ТЕПЛООТДАЧЕЙ В ПОЛОСТЯХ ВРАЩЕНИЯ АГРЕГАТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

05 07 05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 1т

Красноярск 2008

Работа выполнена на кафедре двигателей летательных аппаратов Сибирског государственного аэрокосмического университета имени академика М Ф Решетнев' (г. Красноярск)

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Прошкин А В , — кандидат технических наук, доцент Тинькова С М

Ведущая организация ФГУП «Красноярский машиностроительный завод> г Красноярск

Защита состоится «04 » £Хлл 2008 г в /к часов на заседай

диссертационного совета ДС 21/023 01 при Сибирском государственно аэрокосмическом университете имени академика М Ф Решетнева по адресу 66001 г Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственног аэрокосмического университета имени академика М Ф Решетнева

Автореферат разослан «¿6» сре^зд дА- 2008 г

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кишкин Александр Анатольевич

Ученый секретарь диссертаци совета,дтн, профессор

А Е Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

К летательным аппаратам (ЛА) ракетно-космических систем традиционно редъявляются особо высокие требования по удельным энергетическим и ксплуатационным характеристикам Учет особенностей течения с теплообменом, ри разработке методик расчета представляет важную научную и инженерную адачу, входящую в число определяющих при разработке новых образцов ракетно-осмической техники Это связано с увеличением энерговооруженности аппаратов и нергонапряженности протекаемых процессов, а так же с повышенными ебованиями к надежности и качеству терморегулирования энергетических систем

Основным объектом исследования полостей вращения энергетических становок ЛА являются конструктивные элементы турбонасосных агрегатов, омпрессоров и газовых турбин полость вращения между ротором и стенкой азовой турбины, подводящее устройство турбин, боковые полости вращения между абочим колесом и стенкой корпуса лопаточного нагнетателя, полости идродинамических уплотнений и т п

Основными эксплуатационными факторами, определяемыми течением в олостях вращения агрегатов энергетических установок являются величина утечек расходный кпд), распределение давления по боковым поверхностям (основной сточник осевой силы), теплоотдача в стенку от закрученных потоков перегретых абочих тел

Возможны режимы эксплуатации в узлах уплотнений, особенно агрегатов одачи двигателей, в условиях космического вакуума, на которых даже езначительный подогрев рабочего тела может вызвать вскипание компонента и отерю герметичности С другой стороны недостаточный подогрев в проточной асти ТНА некоторых видов компонентов топлива приводит к нерасчетно высокой язкости и снижению общего КПД агрегата Нерасчетная теплопередача от турбины стенку и к узлам уплотнений приводит к нарушению теплового режима, следствие чего возможно термическое разрушение концевых контактных плотнений манжет, торцевых уплотнений и т п Видно, что в этих случаях орректное прогнозирование величины теплопередачи может существенно изменять нергетические характеристики и повлиять на работоспособность агрегата в целом

Большая часть существующих на сегодняшний день методик расчета ращательных течений с теплоотдачей носит критериально-эмпирический характер основана на обработке экспериментальных результатов, что не всегда беспечивает требуемую точность расчета гидродинамических и тепловых арактеристик Необходимость экспериментально-теоретического уточнения асчетных методик течения с теплоотдачей в полостях вращения энергетических становок летательных аппаратов является актуальной задачей, которая позволит ущественно снизить материальные и временные затраты на эскизное роектирование, испытания и доводку современных образцов двигателей и нергосиловых установок летательных аппаратов

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование ечения с теплоотдачей в полостях вращения энергетических установок ЛА

Разработка математической модели течения с теплоотдачей в стенку обеспечивающей достоверное определение гидродинамических и тепловы параметров

В соответствии с целью поставлены следующие задачи

- провести преобразования уравнения энергии в границах толщинь температурного пространственного пограничного слоя (ППС) к виду позволяющему вести интегрировании в граничных условиях полостей вращения,

- провести преобразования уравнений импульсов динамического ППС д основных случаев вращательных течений,

- получить аналитические выражения закона теплообмена для турбулентны профилей распределения скорости с учетом особенности течения в полостя вращения,

- определить локальный коэффициент теплоотдачи для турбулентны профилей распределения скорости в ядре потока с теплоотдачей в стенку,

- провести теоретическое и экспериментальное исследование течения теплоотдачей в полостях вращения,

- по результатам исследований разработать методику и алгоритм расчет параметров течения с теплоотдачей в стенку в полостях вращения энергетически установок ЛА

Научная новизна.

Основные результаты экспериментальных и теоретических исследовани являются новыми и заключаются в следующем

проведены преобразования уравнения энергии для трехмерног температурного пограничного слоя, получено интегральное соотношение общег вида позволяющее вести интегрирование по поверхности любого вида произвольном законе распределения скорости в ядре потока,

- определены выражения характерных толщин динамического ППС дл турбулентных профилей и толщин потери энергии температурного ППС д прямолинейного равномерного и вращательного течений по законам «свободног вихря» и «твердого тела»,

- получены аналитические выражения закона теплообмена и интегральны соотношения прямолинейного и вращательного течений турбулентных профилей,

- с учетом закона теплообмена получены выражения для оценки локальног коэффициента теплоотдачи,

- разработан алгоритм расчета параметров течения с теплоотдачей в полостя вращения с учетом полученных выражений для локальных коэффициенте теплоотдачи и дифференциальных уравнений движения,

Практическая ценность заключается в возможности определения параметре течения с теплоотдачей в полостях энергетических установок ЛА распределен скоростей в ядре потока, напряжений трения, изменения статического давлени локального коэффициента теплоотдачи, тепловых потоков, температур рабоче тела, охлаждающей жидкости и стенок поверхностей теплообмена Разработаны методика позволяет проводить оптимизацию в области возможных вариаци конструктивных и режимных параметров узлов и агрегатов энергетически установок летательных аппаратов, по основным конструкторско-эксплуатационны

параметрам, что существенно повышает достоверность силового и теплового анализа и снижает материально-временные затраты на этапе эскизного проектирования и доводки новых образцов

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд со сменными экспериментальными установками исследования течения с теплоотдачей в полостях вращения,

На защиту выносятся:

- интегральное соотношение уравнения энергии для прямолинейного и вращательного течений,

- аналитические выражения закона теплообмена турбулентного течения, выражения для локальных коэффициентов теплоотдачи полученных из интегральных соотношений уравнения энергии прямолинейного и вращательного течений,

- методика и алгоритм расчета параметров течения с теплоотдачей в полостях вращения,

- результаты теоретических и экспериментальных исследований течения с теплоотдачей в стенку в полостях вращения

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методика и программа расчета параметров течения с теплоотдачей в стенку использованы в разработках ФГУП «Красноярский машиностроительный завод» при выполнении опытно-конструкторских работ и в учебном процессе Сибирского государственного аэрокосмического университета им ак М Ф Решетнева

Работа выполнялась на кафедре двигателей летательных аппаратов СибГАУ в соответствии с тематикой НИР, являющейся составной частью ряда научно-исследовательских работ, поддерживалась грантами Красноярского краевого фонда науки «конкурс индивидуальных грантов молодых ученых» 160115-2006, Российским фондом фундаментальных исследований «Гидродинамика трехмерного пространственного пограничного слоя в техническом приложении центробежных гидромашин» проект 06-2857/22, «Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в элементах энергосиловых установок летательных аппаратов» (код 1 2 06) 2006-2007 г - работа по тематическому плану фундаментальных исследований Федерального агентства по образованию РФ

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на следующих конференциях

- Международная научная конференция «Решетневские чтения», Красноярск, СибГАУ, 2003, 2004, 2005, 2006,

Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные материалы, конструкции, экономика», Красноярск, ГУЦМиЗ, 2005,2006,

- Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука Технологии Инновации», Новосибирск, НГТУ, 2003, 2006, 2007,

- Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие», Красноярск, КРО НС «Интеграция», 2006,

- Всероссийская научная конференция «Малютовские чтения», Уфа, УГАТУ,

2007,

- Международная молодежная научно-практическая конференция «Человек и космос», Днепропетровск, НЦАОМУ, 2004,2005, 2007,

- XXXVI Уральский семинар «Механика и процессы управления», Екатеринбург, УрО РАН, 2006,

Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2006, 2007,

- Региональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов, молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс», Владивосток, 2007

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 5 статей Программное обеспечение зарегистрировано в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ №2007614571 от 30 10 2007 и №2008610193 от 09 01 2008) Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах составляет не менее 60%

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов Объем работы 197 стр, в том числе 61 рисунок и 4 таблицы Список используемой литературы включает 89 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации Показана необходимость создания более достоверных методик расчета параметров течения с теплоотдачей в стенку в полостях вращения энергетических установок ЛА.

Первая глава посвящена обзору существующих методик расчета

Рассмотрены конструктивные особенности гидромашин динамического типа, определены основные и вспомогательные элементы гидравлических трактов боковые полости между дисками рабочих колес и корпусом, щели уплотнений ротора, каналы и отверстия в корпусе и роторе, полости между неподвижными и вращающимися деталями

Рассмотрено уравнение импульсов динамического пограничного слоя в основных постановках граничных условий Точный расчет пограничного слоя для заданных граничных условий лопаточной машины путем решения дифференциальных уравнений вызывает значительные трудности, связанные с неразвитостью методов интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных В этой связи в гидродинамике широко используется интегральный метод в оценке пограничного слоя, при этом отказываются от требования, чтобы дифференциальные уравнения пограничного слоя выполнялись для каждой частицы жидкости, и ограничиваются, во-первых, выполнением граничных условий и контурных связей на стенке и при переходе к внешнему течению и, во-вторых, выполнением только суммарного соотношения, получаемого

из дифференциальных уравнений пограничного слоя, как некоторое среднеинтегральное по толщине слоя

К недостаткам существующих моделей течения следует отнести следующее

- отсутствуют обоснования расчета или выбора коэффициента Ламе для рассмотренных каналов,

- ядро потока считается потенциальным (безвихревым) что не дает возможности адаптировать уравнения для случая произвольного закона распределения скоростей и давлений на произвольной форме границы

Рассмотрено уравнение энергии температурного пограничного слоя и методологический подход к определению температурного пограничного слоя и исследования локальной теплоотдачи

Стоит так же отметить, что в настоящее время в литературе опубликованы отдельные результаты, посвященные изучению локальной теплоотдачи при течениях в различных полостях, в том числе и при закрутке потока Однако их практическая ценность в значительной степени снижается в следствии следующих причин при обобщении опытных данных не используется параметр, характеризующий интенсивность закрутки потока, экспериментальные результаты получены для частных граничных условий и представлены в форме коэффициента интенсификации теплообмена, учитывающего совместное влияния закрутки и неизотермичности

Вторая глава посвящена исследованию ППС при течении с теплоотдачей в полостях вращения

При обобщенной постановке задачи о течении жидкости при теплообмене с поверхностью (компрессоры, турбины, насосы криогенных компонентов топлив ракетных двигателей и т п ), необходимо учитывать изменение температуры потока по длине рабочего канала, поскольку вязкость как функция температуры в основном определяет режим течения и, как следствие, потери по длине

Для случая течения несжимаемой жидкости необходимо и достаточно совместного решения уравнений движения и энергии в граничных условиях ППС, для сжимаемой жидкости необходимо дополнение системы уравнением состояния Запись и решение уравнения энергии ППС представляет отдельную, но необходимую задачу

С учетом анализа масштаба величин и учитывая отсутствие внутренних источников тепла £ = 0, проинтегрировав уравнение энергии по координате у в границах толщины пограничного слоя, получим выражение для интегрального соотношения уравнения энергии ППС

15(C), 1 Ф;;), 1 дЯ 1 днг r _ a + а)

нг дер HV дуг HJIV дер HvHr ду " рСри рСр{Тл -Т0)' где 5~- толщина потери энергии температурного ППС пограничного слоя в продольном направлении,

- толщина потери энергии температурного ППС в поперечном направлении

В диссертационной работе исследуются степенной (2) и градиентный (3) профили распределения эпюры скорости ППС

й= (2) й = 1-(1-Я" (3)

При интегрировании степенного и градиентного профиля распределения скорости ППС получены толщины вытеснения и потери импульсов

Поскольку отношение полученных толщин потери импульса по степенному и градиентному закону распределения эпюры скорости отлично от 1, то требуется не только изменения всех относительных характерных толщин в уравнениях импульсов ППС, но и изменение выражения для закона трения

Определено выражение закона трения для градиентного профиля распределения скорости

= 0,0111

US'

N-0.M

PU

Для решения теплообмена

(4)

задачи теплообмена с поверхностью запишем закон

St =

Ъ),

Я

где а =

pCpU(Ts-T0) PCpU(Ts-T0) рСри Яо

'di Т-Т0 dy{Ts-Ttк

(5)

'(т,-тв)

Учтем, что при Рг = 1 толщины динамического и теплового пограничных слоев одинаковы Чтобы получить дополнительное уравнение связывающее толщину потери энергии температурного ППС 8"г и закон теплообмена аппроксимируем распределение скоростей степенной (2) и градиентной функциями (3) Из подобия динамического и теплового ППС вытекает для градиентного профиля распределения скорости (3)

Т-Тп

= 1-

1-У

-Та К 6, Определив производную

(6)

д(Т-Т„

/j=0

д_ ду

1-11-4

1--

m

7

m~

1

(m + l)(2m +1) S''

(7)

и подставив (7) в (5) получим критерий Стантона в виде закона теплообмена = Л т~ 1

рСи (т + Х)(2т + Х)5;1

Интегральное соотношение уравнения энергии (1) с учетом теплообмена (8) для прямолинейного течения преобразуется к виду

(8)

закона

М + е2)

РСриЗ(/й + 1)(2т + 1) рСр (7> - Г0)

Для вращательного течения (линия тока кольцевая линия) удобнее выполнить запись в цилиндрических координатах Интегральное соотношение уравнения энергии упрощается

Я пг2 +

, д Л

—+—=

8Я " В "

(10)

рС1!81 (т + 1)(2т +1) РСр (Тд - Тп) Для степенного профиля распределения скорости (2) невозможно определить

Т-Т Т -Т

А х * г

=1М =±(у ду\и) ЗА*

= 0

(П)

производную температурного пограничного слоя на стенке

С 1-м

4......

Очевидно, что при т< 1 производная (11) не существует формально Для того, что бы получить закон теплообмена используется сшивка турбулентного степенного профиля и ламинарного вязкого подслоя, который соответствует линейной зависимости

.ЛОу.

линеиным

динамическая скорость

вязкого подслоя

степенной закон

(12)

сопрягается (13)

Учитывая условие схождения (13) и толщину ламинарного подслоя, выразив член с динамической скоростью, определим производную на стенке

_5_ ду

Т-Т0 Т-Т

т-1

-.и-*

тп

- (т +1 )(т + 2)

1

(КУ

Б1 =

Закон теплообмена для степенного профиля (2) имеет вид

Я 5 ( Т-Т, рСриду\т,-Та

реи*

а'"-\' 2 {т + 1)(от + 2)

(С)"

(14)

(15)

Следует отметить, что для практической реализации закона теплообмена необходимо определить значение а,, определяем из условия смыкания ламинарного подслоя с турбулентным профилем, при у = <5т, т = 1,

ду

Т-Тп

и0,559

Т6~ТЛ)

учитывая закон трения степенного турбулентного профиля, при т - 7,

us:

Л-0 25

({У*)2 = — = 0,01256с/2 Р

получаем

а Г г-гЛ Э Г»0(^7 _ 0,01256 с/07

^и-?;; фЫ ^ у0 75(к)025

Из выражений (16) и (17) определяем аг, = 12,559

Учитывая закон теплообмена (8), (15) и интегральное соотношение уравнения энергии (1), запишем интегральное соотношение уравнения энергии ППС прямолинейного течения для степенного профиля распределения скорости (2)

-ч

0(р

pCU"

1

(s;- }L PcJTs

(18)

ка;~1у 2 (т + \)(т + 2) для градиентного профиля распределения скорости (3)

д ^ = Я__тгг___г№(1 + гг)

д<р " рС Щ; (т + \)(2т + \) РСр(Т,-Т0)

Интегральное соотношение уравнения энергии ППС для вращательного течения степенного профиля распределения скорости (2)

(19)

. 8 ... Js ... Je—8, +—S, = дЯ R "

Я

pCU•

а:

~(т + 1)(т + 2)

pCp(ts-t0)

(20)

(21)

для градиентного профиля распределения скорости (3) __^___f-(l+g2)

ЙК " Л " pCUS"(m+l)(2m+l) pCp(Ts-T0)

Полученные интегральные соотношения проинтегрированы от нуля д текущего значения of" и определены толщины потри энергии температурного ПП для прямолинейного и вращательного течений по законам «твердого тела>

— = со = comt и «свободного вихря» UR = С ~ const R

Подставив значения толщины потери энергии температурного ППС в зако теплообмена, с учетом пренебрежения диссипативным членом, определим критери Стантона (Таблица 2)

II I

Таблица 2 - Критерий Стантона

Градиентный профиль распределения скорости Степенной профиль распределения скорости

Прямолинейное равномерное течение Н т2 2(т + 1)(2ш + I) РгЯе,, 53 п 43 •-1 т а'" '(т + 2)(т + 3)Кс,: 3+/я

Вращательное течение по закону «твердого тела» ' m2JE 1 2 Je ■ т *

(т + 1)(2т + Г)РгКеа ы - „Г рг т+з

Вращательное течение по закону «свободного вихря» 2т21/е 5/= 1 ' ие ' /и+3

(т + ])(2т +1) Рг Яе^ »1 + 1 р^. т+3

Локальный коэффициент теплоотдачи определяется как:

а = рС:1] • &.

В третьей главе приводится описание экспериментального стенда исследования течения с теплоотдачей в полостях вращения с рядом сменных экспериментальных установок (рисунок 1) и методики проведения и обработки

тальными установкам!!

, __ _____ ___

В состав экспериментального стенда входит контрольно-измерительно оборудование, система подготовки режимных параметров (расхода, температуры воздуха, система подачи воды, экспериментальные установки Установ предназначены для исследования течения с теплоотдачей равномерног прямолинейного и закрученного течения в трубе (экспериментальные участки №1 №2) и вращательного течения с теплоотдачей в торцевой щели с дву! неподвижными стенками (экспериментальный участок №3) Участок № представляет теплообменный аппарат по внутренней трубе которого течет нагреты воздух, а в кольцевом зазоре по схеме противоток охлаждающая вода Участок № аналогичен №1, но в полость течения воздуха введена винтовая вставк закручивающая поток, вращательное течение осуществляется по закону «твердог тела» Экспериментальный участок №3 представляет торцевую полость с дву! неподвижными стенками, подвод воздуха осуществляется тангенциально, н торцевой стенке выполнен теплообменный аппарат Вращательное течение поток осуществляется по закону «свободного вихря»

В проведенных исследованиях для определения среднего коэффициент теплоотдачи используется метод теплообменника Это позволяет исключит измерение температуры стенки, что существенно упрощает конструкцш экспериментальных участков, проведение эксперимента и обработку экспериментальных данных Кроме того, повышается точность данных, т к проблема достоверного измерения температуры стенки является сложной задачей

Производится измерение температур рабочего тела (воздуха) на входе Т, и н выходе Т, из экспериментального участка, расхода рабочего тела в,, температурь охлаждающей воды на входе Т3 и выходе Т4 из теплообменного аппарата, расход воды в. Установлены приемники статического и динамического давлений

Количество тепла, переданного на экспериментальном участке от воздуха воде, определяются по изменению температуры воздуха

Для контроля теплового баланса количество переданного тепла определяется так же по изменению температуры воды

а=ед2(г3-г4),

где Ср, и Ср, - средняя теплоемкость воздуха и воды соответственно

Для обеспечения требуемых стабильных расходных параметров (постоянного и равномерного расхода) рабочего тела на экспериментальном стенде (рисунок 1), воздух из стенда высокого давления поступает в бак надува воздуха Из бака поступает на станцию измерения температуры 2, затем в генератор горячего воздуха 4 Из генератора горячего воздуха рабочее тело поступает на станцию измерения температуры 5 и на станцию отбора давления 11 далее попадает в экспериментальную установку 7 После выхода из экспериментальной установки поступает на станцию отбора давления 10 и на станцию измерения температуры 9, после чего выбрасывается в атмосферу

Автотрансформатор позволяет производить плавную регулировку выходного апряжения от 0 до 220 V, мощность автотрансформатора 10 КВт Генератор орячего воздуха позволяет осуществляется нагрев до 250° С

Переход с режима на режим производится путем выставления оотвегствующих параметров расхода воздуха и воды, а также напряжения одаваемого на генератор горячего воздуха

Для подачи и контроля охлаждающей воды используется турбина хлаждающая вода после турбины поступает на экспериментальный участок и ройдя станции измерения температуры 8 и 6 сливается в канализацию

Четвертая глава посвящена исследованию и методикам расчета параметров ечения с теплоотдачей в полостях вращения

На основе полученных уравнений движения и выражений для определения окального коэффициента теплоотдачи разработана методика, алгоритмы и ограммы расчета течения с теплоотдачей в полостях вращения, позволяющие роводить оптимизацию в области возможных вариаций конструктивных и ежимных параметров узлов и агрегатов энергетических установок летательных ппаратов, по основным конструктивным и эксплуатационным параметрам аспределению скоростей, давлений и температур Что существенно повышает остоверность силового и теплового анализа и снижает материально-временные атраты на этапе эскизного проектирования и доводки новых образцов

Достоверность методики расчета подтверждается сходимостью теоретических, кспериментальных и полученных по другим авторам данных исследуемых участков al, №2, №3 Расхождение теоретических и экспериментальных данных не ревышает 5% Так же исследовался участок №4 представляющий торцевую щель с еподвижной и вращающейся стенкой, вращательное течение реализуется по закону (твердого тела», исследовался только теоретически

Исходными данньми для алгоритмов являлись геометрические параметры олостей течения, режимные параметры и свойства воздуха (рабочего тела) и воды теплоносителя) Алгоритм позволяет определять следующие параметры окружную, севую и радиальную составляющие скорости воды и воздуха, полное, статическое авление, напряжение трения, толщину потери импульса, локальные и осредненные о длине и радиусу параметры коэффициентов теплоотдачи, теплового потока, ритерии Стантона, Нуссельта, Рейнольдса, температуры воздуха, воды, стенки со ороны воздуха и воды и другие

Основным преимуществом алгоритма по сравнению с алгоритмами, снованными на эмпирических зависимостях, является относительно широкая бласть применения Алгоритм расчета течения с теплоотдачей в стенку реализован программное обеспечение, которое позволяет рассчитывать полости течения азличной формы, строить двумерные семейства характеристик различных араметров потока в зависимости от геометрических и режимных параметров оздуха и охлаждающей воды. На программное обеспечение получено видетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ

Экспериментальные исследования проводились в следующем диапазоне ежимных параметров

- экспериментальные участки №1, №2 объемный расход воздуха изменялся от 2,5 10~3 м3/с до 7,3 10~3 м3/с, температура на входе в экспериментальный участо горячего воздуха от 50°С до 190°С

- экспериментальный участок №3 объемный расход воздуха изменялся V о 1 10"3 м3/с до 3,5'10"3 м3/с, температура на входе в экспериментальный участо горячего воздуха от 50°С до 190°С

Экспериментальные исследования проводились при турбулентном режим течения, следует отметить, что турбулентный режим в большинстве случае соответствует практическим режимным характеристикам, при течении в рабоч полостях энергетических установок ЛА

Теоретические и экспериментальные исследования проводились в нескольк последовательных этапов

-проводились экспериментальные исследования установки течения теплоотдачей прямолинейного равномерного и закрученного потока в труб (участки №1, №2), затем вращательного течения с теплоотдачей в торцевой ще (участок №3)

-полученные экспериментальные данные сравнивались с теоретически! результатами исследования теплоотдачи при течении с распределением профи скорости по степенному и градиентному закону Исследование теплоотдач закрученного потока при вращательном течении в щели (участок №4) по зако «твердого тела» проводилось только теоретически для степенного и градиентног законов распределения профиля скорости

Полученные теоретические результаты распределения параметров по длине I по радиусу для характерных участков №1, №2, №3, №4 осреднялись и сравнивалис с экспериментальными и зависимостями полученными по методикам друп авторов

По результатам расчета и эксперимента получены зависимост коэффициентов теплоотдачи от объемного расхода и температуры воздуха (рисуно 2) экспериментальных участков №1, №2, №3, №4

Расхождение теоретических результатов параметров коэффициенте теплоотдачи от воздуха в стенку при степенном и градиентном профил распределении скорости (рисунок 2) объясняется тем, что отношение тол он потери энергии температурного ППС и толщин потери импульсов динамическог ППС градиентного и степенного профиля отличны от единицы, несмотря на то, чт толщины вытеснения идентичны

Из рисунка 3 видно, что с ростом объемного расхода на начальных участка может происходить повышение температуры воздуха за счет увеличения диссипативной функции и торможения потока на начальном участке, даже несмотря на то, что происходит теплообмен между охлаждающей водой и воздухом, а так ж наличия наибольшего градиента температур между воздухом и водой Далее по радиусу происходит снижение температуры воздуха за счет теплообменных процессов и увеличения скорости потока

На рисунке 4 показано, что при течении в полостях вращения возможны зоны перегрева при удовлетворительном средне интегральном тепловом балансе, что требует локального анализа теплопередачи для повышения расчетной надежности, в

/злах с радиальным градиентом температур и давлении: раоочие колеса сомпрессоров и турбин, радиальные подводящие и отводящие устройства и т.п.

Существенный рост температуры воздуха (рабочего тела)над температурой на ¡ходе, на начальном участке может оказывать влияние на температуру стенки лементов конструкции агрегатов и снижать прочностные и эксплуатационные Характеристики, но как правило этого не происходит, если со стороны еплообменного аппарата находится теплоноситель с достаточно высоким соэффициентом теплоотдачи (вода) и высокой теплопроводностью материала юнструкции, что видно из рисунка 4.

На рисунках 5, 6 приведена зависимость среднего по длине и радиусу коэффициентов теплоотдачи экспериментальных участков №1, №2, №3, №4 от ¡съемного расхода (скорости течения) и температуры. Как видно коэффициент еплоотдачи зависит от температуры рабочего тела (воздуха) и в большей степени >т объемного расхода (скорости течения). На рисунке 5 видно, что средний по длине 'коэффициент теплоотдачи выше на экспериментальном участке №2 в следствии )еализации большей абсолютной скорости, из-за закрутки потока. На рисунке 6 ¡идно, что средний коэффициен теплоотдачи зависит в основном только от )бъемного расхода и незначительно от температуры в следствии реализации 5ольших окружных скоростей.

На рисунках 7, 8 приведена зависимость теплового потока экспериментальных 'частков №1, №2, №3, №4 в зависимости от объемного расхода и температуры оздуха. В отличии от коэффициента теплоотдачи тепловой поток в значительной ггепени зависит от температуры (из за наличия градиента температур между юздухом и водой) и объемного расхода воздуха. <*„„„, Вт/м2-К

100 120

160 180 200 т "С

'исунок 2 - Зависимость среднего по радиусу коэффициента теплоотдачи от воздуха в стенку в ависимости от объемного расхода и температуры для ¡радиентного и степенного профиля распределения скорости экспериментальных участков №3. №4

Тд." С

Рисунок 3 - Зависимость температуры потока воздуха по радиусу экспериментального участка №3 в зависимости от температуры и объемного расхода воздуха

а,Вт/м2 •К

Рисунок 5 - Зависимость среднего по длине коэффициента теплоотдачи от воздуха в стенку экспериментальных участков №1 ,№2 от объемного расхода и температуры

Рисунок 4 - Распределение по радиусу экспериментального участка №3 параметров температуры воздуха, воды, стенки со стороны воздуха, стенки со стороны воды при объемном расходе воздуха 0,035 м3/с, температуре воздуха на входе 50°

а,Вт/м2 К

Рисунок 6 - Зависимость среднего по радиусу коэффициента теплоотдачи о' воздуха в стенку экспериментальны/ участков №3 ,№4 от объемного расхода и температуры

£>,Вт

3,5-10

У,м I с

• потока от 1стков №1

Рисунок 8 - Зависимость теплового потока от воздуха в стенку экспериментальных участков №3 ,№4 от объемного расхода и температуры

что на локальный коэффициент теплоотдачи эрость потока, что видно из рисунков 11, 12.

/

ч { *

ч * /

4 чввж. ч \ ' ИЖ. ^ 4 ***

50° С 110°С 190°С

50 С 110°С 190°С

50 С 110°С 190°С

0,02 0,04 0,06

У=0,001и '/,Ъ \/=0,002и 3/с

, 50 С ' 110°С

0.08

- 5м 7с

10 С

Э0°С

Рисунок 9 - Распределение окружной

составляющей скорости по радиусу

экспериментального участка №3 от объемного расхода и температуры

Рисунок 10 - Распределена локального коэффициента теплоотдачи п радиусу экспериментального участка №3 с объемного расхода и температуры

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Получено интегральное соотношение уравнения энергии ППС

2 Выполнено преобразование уравнений импульсов ППС для граничны условий течения при вращении по закону «твердого тела» и «свободного вихря» и получены аналитические выражения для оценки толщины потери импульса напряжения трения на стенке и диске полости течения

3 Получены аналитические выражения закона теплообмена для турбулентного течения несжимаемой жидкости в ППС, а так же интегрально соотношение уравнения энергии для прямолинейного и вращательного течений

4 Определены коэффициенты локальной теплоотдачи для равномерног прямолинейного и вращательного течений

5 Спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд с набором сменнь экспериментальных установок, позволивший провести исследоваш прямолинейного и вращательных течений с теплоотдачей в стенку

6 Разработана методика, алгоритмы и программы расчета потока теплоотдачей в полостях вращения, позволяющая проводить оптимизацию в области возможных вариаций конструктивных и режимных параметров узлов и агрегатов энергетических установок летательных аппаратов, по основны конструкторско-эксплуатационным параметрам распределению скоростей, давлений и температур

7 Проведенные экспериментальные исследования течения с теплоотдачей в стенку подтвердили основные допущения и результаты аналитических расчетов параметров течения, расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 5%

8 Методика расчета и программное обеспечение зарегистрированы в Российском агентстве по патентам и товарным знакам, использованы в разработках ФГУП «Красноярский машиностроительный завод» при выполнении опытно-конструкторских работ и в учебном процессе Сибирского государственного аэрокосмического университета им ак М Ф Решетнева

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах

1 Зуев, А.А Гидродинамика закрученного потока в камере центробежного фазоразделителя [Текст] / А А Зуев, А А Кишкин, М Г Мелкозеров, // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М Ф Решетнева Под ред проф Г П Белякова Вып 4, Красноярск СибГАУ, 2004, с 155-16 б

2 Зуев, А А Закрученные потоки [Текст] / А А Зуев, М Г Мелкозеров // VI Международная молодежная научно-практическая конференция «Людина 1 Космос», Днепропетровск НЦАОМУ, 2004, с 38

3 Зуев, А А Интенсификация теплообмена [Текст] / А А Зуев, А А Кишкин, М В Краев, //Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М Ф Решетнева Под ред проф Г П Белякова Вып 6, Красноярск СибГАУ, 2005, с 130-134

4 Зуев, А А Течение и теплопередача в сложных пространственных каналах Текст] /А А Зуев, А А Арнгольд // Решетневские чтения материалы IX Междунар ауч конф, посвящ 45-летию Сиб гос аэрокосмич ун-та имени акад M Ф ешетнева, Красноярск СибГАУ, 2005, с 64-65

5 Зуев, А А Экспериментальная установка и методика исследования еплоотдачи турбулентного закрученного потока [Текст] /А А Зуев // ерспективные материалы, технологии, конструкции, экономика Сб науч тр Под бщ ред В В Стацуры, вып П.Красноярск ГУЦМиЗ, 2005, с 157-159

6 Зуев, А А Интенсификация теплообмена [Текст] / А А Зуев, А А Кишкин // II Международная молодежная научно-практическая конференция «Людина i осмос», Днепропетровск- НЦАОМУ, 2005, с 44

7 Зуев, А А Закон теплообмена для турбулентного течения несжимаемой едкости в ППС Интегральное соотношение уравнения энергии для

рямолинейнош и вращательного течения [Текст] / А А Зуев, А А Константинов // олодежь и наука - третье тысячелетие Сб материалов Всероссийской научной онференции студентов, аспирантов и молодых ученых II часть, Красноярск, 2006, 323-327

8 Зуев, А А Локальная теплопередача при прямолинейном и вращательном ечениях [Текст] / А А. Зуев, А В Талалаев // Решетневские чтения материалы X

еждунар науч конф, посвящ памяти генерального конструктора ракетно-осмических систем академика M Ф Решетнева, Красноярск СибГАУ, 2006, с 689

9 Зуев, А А Интегральное соотношение уравнения пространственного ограничного слоя Относительные характерные толщины динамического ространственного пограничного слоя при различных законах распределения корости [Текст] / А А Зуев, M Г Мелкозеров, А В Талалаев // Механика и роцессы управления Том 1 Труды XXXVI Уральского семинара, Екатеринбург рО РАН, 2006, с 99-110

10 Зуев, А.А Экспериментальная установка исследования течения и теплоотдачи

сложных пространственных каналах [Текст] / А А Зуев, M Г Мелкозеров

/Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование

4 Сб труд Второй международной научно-практической конференции^ (Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» од ред Кудинова А П, Матвиенко Г Г, Самохина В Ф, Санкт-Петербург олитехн ун-т, 2006, с 97-99

11 Зуев, А А Исследование процесса теплоотдачи потока при течении в олостях гидромашин [Текст] / А А Зуев, А А Константинов // Наука Технологии нновации Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-и частях Часть 3, Новосибирск НГТУ, 2006, с 145-146

12 Зуев, А А Локальная теплоотдача для модернизированного профиля распределения скорости для прямолинейного равномерного потока и вращательного

ечения [Текст] / А А Зуев, M Г Матус // Молодежь и научно-технический прогресс сб тезисов докладов регион науч-технич конф В 2ч Ч 1, Владивосток, 2007, с 80-81

13 Зуев, А А Течение и теплоотдача в закрученных потоках [Текст] / А А Зуев А А Кишкин // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования образование Т 8 Сб труд Третьей международной научно-практическо" конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий промышленности» Под ред. Кудинова А П, Матвиенко Г Г, Санкт-Петербург Политехи ун-т, 2007, с 63-64

14 Зуев, А А Исследование коэффициента теплоотдачи на основе двухслойно" модели турбулентного 3D пограничного слоя [Текст] / А А Зуев, А А Кишкин, В В Ильиных, Е В Черненко. // Одесская национальная академия пищевых технологий -Одесса, 2007 -Научные труды Выпуск 31 Том 1 -С 120-125

15 Зуев, А.А Расчет параметров течения и теплоотдачи в пространственно канале при прямолинейном и вращательном течении (3D Flow) [Программа] / А А Зуев, В П Назаров, Е В. Черненко, А А Кишкин, М Г Мелкозеров // Программа д ЭВМ, Российское агентство по патентам и товарным знакам, свидетельство о официальной регистрации №2007614571 от 30 10 2007 г.

16 Зуев, А.А Расчет параметров течения с теплоотдачей в стенку в полост: вращения (Rotation Cavity) [Программа] / А А Зуев, А А Кишкин, М В Краев, Е В Черненко, Ю Н Шевченко // Программа для ЭВМ, Российское агентство п патентам и товарным знакам, свидетельство о государственной регистрации К

2008610193 от 09 01 2008 г

Тираж 100 экз Заказ № Отпечатано в типографЗии СибГАУ 660014, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31

Условные обозначения. Индексы. Сокращения

Введение

1 Состояние проблемы и постановка задачи исследования

1.1 Конструктивные особенности гидромашин динамического типа

1.2 Уравнение импульсов динамического пограничного слоя в основных постановках граничных условий

1.3 Уравнение энергии температурного пограничного слоя

1.4 Вращательные течения в полостях гидромашин

1.5 Постановка задачи исследования

2 Течение с теплоотдачей в стенку в закрученных потоках

2.1 Интегральное соотношение уравнения энергии температурного пространственного пограничного слоя

2.2 Относительные характерные толщины динамического пространственного пограничного слоя при, различных законах распределения скорости

2.3 Уравнение импульсов динамического пограничного слоя для вращательного течения жидкости по закону «свободного вихря»

2.4 Течение в полостях вращения

2.5 Закон теплообмена для турбулентного течения в температурном пространственном пограничном слое. Интегральное соотношение уравнения энергии для прямолинейного и вращательного течения

2.6 Локальная теплоотдача при различных законах течения внешнего потока

2.7 Выводы

3 Экспериментальное оборудование. Методика проведения исследования

3.1 Постановка задачи экспериментального исследования теплоотдачи при течении в сложных пространственных каналах

3.2 Экспериментальное исследование

3.3 Экспериментальная установка исследования течения с теплоотдачей прямолинейного равномерного и закрученного потока в трубе

3.4 Экспериментальная установка исследования течения с теплоотдачей в торцевой щели с неподвижными стенками

3.5 Принципиальная схема экспериментального стенда исследования течения с теплоотдачей со сменными экспериментальными установками.

3.6 Проведение эксперимента

3.7 Обработка экспериментальных данных

3.8 Анализ погрешности эксперимента

3.9 Выводы

4 Исследование закрученных потоков

4.1 Алгоритм и программа расчета течения с теплоотдачей в стенку

4.1.1 Алгоритм расчета течения с теплоотдачей в стенку установки прямолинейного равномерного и закрученного потока в трубе

4.1.2 Алгоритм расчета течения с теплоотдачей в стенку полостей вращения: торцевой щели с неподвижными стенками и торцевой щели с неподвижной и вращающейся стенками

4.2 Результаты экспериментальных и теоретических исследований

4.2.1 Прямолинейный равномерный и закрученный поток в трубе

4.2.2 Течение закрученных потоков в торцевых щелях

4.3 Выводы 184 Общие выводы 186 Список литературы

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ т - массовый расход; V - объемный расход; v - кинематический коэффициент вязкости; /i - динамический коэффициент вязкости; / - площадь; Р - давление; т - касательное напряжение трения; R, г - радиус; D,d - диаметр;

Я - коэффициент теплопроводности; р - плотность; е - тангенс угла скоса донной линии тока;

5 - толщина пограничного слоя, толщина стенки;

8* - толщина вытеснения;

8" - толщина потери импульса;

S" - толщина потери энергии; а - коэффициент теплоотдачи; со - угловая скорость;

L,l - длина;

N - диссипация энергии трения; п - количество шагов интегрирования; п0 - нормальный зазор;

Re - критерий Рейнольдса;

Nu - критерий Нуссельта;

St - критерий Стантона;

U - скорость в ядре потока; окружная скорость; и - продольная скорость; v - скорость, нормальная линиям тока в пограничном слое; w - поперечная скорость; Н - коэффициент Ламе; С - абсолютная скорость; Т - температура;

S - шаг закрутки винтовой вставки; Ср - теплоемкость.

ИНДЕКСЫ а - параметры в окружном направлении; у/ - параметры в поперечном направлении; (р - параметры в продольном направлении; i - параметры в сечении камеры; R - параметры в радиальном направлении; z - параметры в осевом направлении;

1 - параметры, относящиеся к входу в экспериментальный участок;

2 - параметры, относящиеся к выходу из экспериментального участка; g - воздух;

I - вода; cm - параметры стенки ср - осредненные параметры л - параметры на винтовой вставке я - ядро.

СОКРАЩЕНИЯ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ВД - высокое давление; КА - космический аппарат;

JIA - летательный аппарат;

ПС - пограничный слой;

ППС - пространственный пограничный слой;

РН - ракетоноситель;

САПР - система автоматизированного проектирования; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; ЭУ - энергоустановка.

К летательным аппаратам ракетно-космических систем традиционно предъявляются особо высокие требования по удельным энергетическим и эксплуатационным характеристикам. Учет особенностей течения с теплообменом, разработка методики расчета представляет, важную научную и инженерную задачу, которая становится в ряд определяющих, при разработке новых образцов ракетно-космической техники.Это связано с увеличением энерговооруженности аппаратов и энергонапряженности протекаемых, процессов, а так. же с повышенными требованиями: к надежности; и качеству регулирования работы энергетических, систем;.

В аэрокосмической промышленности энергетические установки, : предназначенные для изменения удельной энергии рабочего тела, нашли применение и охватывают практически всю производственную, испытательную и эксплуатационную инфраструктуру отрасли. Различные по типу энергетические установки обеспечивают функциональную работоспособность бортовых систем летательных и космических аппаратов, входят в состав наземного испытательного и стартового оборудования, являются основным технологическим оборудованием при производстве криогенных компонентов топлива. При создании высокоэффективных энергетических установок для; обеспечения,заданных энергетических характеристик и параметров проводятся теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие получить комплексную оценку конструкции [49].

Основным объектом исследования- полостей вращения энергетических установок JIA являются конструктивные элементы турбонасосных агрегатов, компрессоров и газовых турбин: полость вращения между ротором и стенкой газовой турбины, подводящее устройство турбин, боковые полости вращения между рабочим колесом и стенкой корпуса лопаточного нагнетателя, полости гидродинамических уплотнений и т.п.

Основными эксплуатационными факторами, определяемыми течением в полостях вращения агрегатов энергетических установок являются: величина утечек расходный к.п.д.), распределение давления по боковым поверхностям (основной источник осевой силы), теплоотдача в стенку от закрученных потоков перегретых рабочих тел.

Возможны режимы эксплуатации в узлах уплотнений, особенно малорасходных ТНА, в условиях космического вакуума, на которых даже незначительный подогрев рабочего тела может вызвать вскипание компонента и потерю герметичности. С другой стороны недостаточный подогрев в проточной части ТНА гелированных компонентов топлива приводит к нерасчетно высокой вязкости и снижению общего КПД агрегата. Нерасчетная теплопередача от турбины в стенку к узлам уплотнений приводит к нарушению теплового режима, вследствие чего возможно термическое разрушение концевых контактных уплотнений: манжет, торцевых уплотнений и т.п. Видно, что в этих случаях корректное прогнозирование величины теплопередачи может существенно изменять энергетические характеристики и повлиять на работоспособность агрегата в целому

Большая часть существующих на сегодняшний день методик расчета 1 вращательных течений с теплоотдачей носит критериально-эмпирический характер и основана на обработке экспериментальных результатов, что не всегда обеспечивает требуемую точность расчета гидродинамических \ и тепло-гидравлических характеристик. Необходимость экспериментально-теоретического уточнения расчетных методик течения с теплоотдачей в полостях вращения энергетических установок летательных аппаратов является актуальной задачей, которая позволит существенно снизить материальные и временные затраты на эскизное проектирование, испытания и доводку современных образцов двигателей и энергосиловых установок летательных аппаратов.

Высокие температуры, возникающие в камерах сгорания газотурбинных двигателей самолетов, достигающие 2 200 К требуют охлаждения лопаток и дисков газовой турбины, которые должны в течение многих часов, не терять механической прочности. Неправильный расчет и недостаточное охлаждение может привести к разрушению материала конструкции и к аварийному режиму.

Закрученные течения отличаются большим разнообразием, даже качественной картины течения, которая определяется в первую очередь геометрическими и расходными характеристиками. Многообразие способов создания закрутки потоков (лопаточными завихрителями на входе в канал, тангенциальным подводом газа, ленточными и шнековыми завихрителями) значительно осложняет анализ и обобщение результатов.

Современные методы гидродинамики позволяют получать только частные решения дифференциальных уравнений и не подменяют теоретические подходы, которые используются в первую очередь для получения общих решений.

По мнению Доуза [80], общее заблуждение заключается в том, что применение методик расчета само по себе улучшит конструкции. В действительности численные методы представляют собой только относительно дешевое и в тоже время мощное средство, позволяющее конструктору понять характер обтекания, и только это понимание заключает в себе возможность усовершенствования конструкции.

В общем случае целью расчетов является определение полей температур, давлений и скоростей в потоке.

Процессы теплообмена между жидкостью (газом) и поверхностью твердого тела протекают в неоднородном температурном поле. При этом величина температуры не является определяющей характеристикой интенсивности теплоотдачи. Она зависит от разности температур в различных точках тела и имеет место при градиенте температур отличным от нуля. С другой стороны величина температуры непосредственным образом влияет на запас прочности деталей энергоустановок космических аппаратов. При неоднородном поле температуры по объему детали возникают температурные градиенты и связанные с ними температурные напряжения. Как показывает практика, в активно охлаждаемых деталях и на переходных режимах энергоустановок температурные напряжения могут достигать столь больших величин, что в деталях кроме упругих наблюдаются пластические деформации. В результате приходиться даже снижать общий уровень охлаждения, что бы снизить градиенты температур и соответственно температурные напряжения.

Классические методы расчета теплообмена, так же как и закономерности, полученные путем обобщения на основе теории подобия результатов опытов на телах простой формы, часто оказываются малопригодными для решения реальных задач течения и теплообмена в элементах энергоустановок летательных аппаратов. Это объясняется главным образом специфичностью условий течения и теплоотдачи в элементах энергоустановок летательных аппаратов; теплонапряженные детали имеют сложную пространственную конфигурацию; перепады температур в охлаждаемых турбинах настолько значительны, что не позволяют пренебрегать изменением теплофизических характеристик в материале (теплопроводностью, температуропроводностью) и в рабочем теле (теплоемкостью); скорости движения рабочего тела в проточной части различны и близки к критическим; превалирующим течением является градиентное с высокой и непрерывно изменяющейся во времени и пространстве степенью турбулентности; важную роль в, накоплении наработки на отказ элементов конструкций играют процессы при переходе с режима на режим и изменении внешних условий (высоты и скорости полета).

Высокая точность расчетов теплоотдачи объясняется необходимостью поддержания минимальных радиальных зазоров турбомашин на всех режимах эксплуатации. Это требует весьма точных определений температурных деформаций деталей, что невозможно без достоверных сведений об их температурах. В охлаждаемых турбинных двигателях тепловые потоки между рабочим телом и охлаждающим теплоносителем таковы, что без надежных сведений о распределении интенсивности теплоотдачи по элементам проточной части невозможно правильно рассчитать охлаждение и рабочий процесс в целом.

Моделирование течения с теплоотдачей в проточных каналах турбонасосных агрегатов — традиционное направление гидродинамики. К настоящему времени разработаны десятки научных и коммерческих программ для расчета трехмерных течений вязкого газа в проточных частях турбин [81; 82; 84; 85; 87; 88]. Созданные программы хорошо адаптированы к стандартным конфигурациям проточных частей. Узкая специализация позволила создать относительно простые алгоритмы и добиться многократного превосходства, как в вычислительном аспекте (быстродействующие и требуемые ресурсы компьютера), так и с точки зрения удобства использования программ. Однако современного конструктора интересует не только и не столько характеристики собственно-лопаток, но и эффективность проточной части в целом, т.е. с учетом всех элементов конструкции: радиальных зазоров, полостей отбора, входных и выходных устройств и т.д. В большинстве своем разработанные на сегодняшний день программные комплексы не позволяют в полной мере выполнить такую оценку. Поэтому, одним из основных направлений гидродинамики в ближайшее время будет разработка универсальных алгоритмов и прикладных программ, приспособленных к расчету течений в проточных частях произвольной конфигурации (однако учитывающих конструктивные и; прочие особенности).

Из сказанного следует необходимость разработки и создание более совершенных расчетных методик моделирования течения с теплоотдачей в полостях; вращения энергетических установок летательных аппаратов.

Автор выражает признательность руководителю научной школы в области проектирования и моделирования ракетно-космических систем и систем терморегулирования космических аппаратов заслуженному деятелю науки и техники РФ, д.т.н., профессору Краеву М.В. за ценные замечания и консультации по работе.

Общие выводы

1 Получено интегральное соотношение уравнения энергии температурного пространственного пограничного слоя, позволяющее вести интегрирование поверхности любой формы, позволяющее определить толщину потери энергии.

2 В результате интегрирования уравнений движения по нормальному зазору полости вращения получена система дифференциальных уравнений окружной скорости и давления.

3 Получены аналитические выражения закона теплообмена прямолинейного равномерного и вращательного течений, необходимые для определения локального коэффициента теплоотдачи.

4 Получены уравнения движения и выражения для определения локального коэффициента теплоотдачи, позволяющие разработать модель течения с теплоотдачей в полостях вращения.

5 Спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд с набором сменных экспериментальных установок, позволивший провести исследования теплоотдачи при течении в полостях вращения в области определения конструктивных и режимных параметров.

6 Проведенный сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных показал удовлетворительную сходимость полученных результатов, что позволяет, заключить о корректности сделанных допущений, при разработке методики расчета полостей вращения.

7 Разработана методика, алгоритмы и программы расчета потока с теплоотдачей в полостях вращения, позволяющая проводить оптимизацию в области возможных вариаций конструктивных и режимных параметров узлов и агрегатов энергетических установок летательных аппаратов, по основным конструктивным и эксплуатационным параметрам: распределению скоростей, давлений и температур. Что существенно повышает достоверность силового и теплового анализа и снижает материально-временные затраты на этапе эскизного проектирования и доводки новых образцов.

8 Программы и методика расчета зарегистрированы в Российском агентстве по патентам и товарным знакам:

- расчет параметров течения и теплоотдачи в пространственном канале при прямолинейном и вращательном течении (3D Flow), свидетельство об официальной регистрации №2007614571 от 30.10.2007 г.;

- расчет параметров течения с теплоотдачей в стенку в полостях вращения (Rotation Cavity), свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008610193 от 09.01.2008 г.

1. Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ. / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер. М.: Мир, 1990 - 384 е., ил.

2. Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Т. 2: Пер. с англ. / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер. М.: Мир, 1990 - 728 -392 е., ил.

3. Байбиков, А.С. Гидродинамика вспомогательных трактов лопастных машин / А.С. Байбиков, В.К. Караханьян. —М.: Машиностроение, 1982 112с.

4. Байбиков, А.С. Расчет гидродинамических параметров потока несжимаемой жидкости между вращающимся диском и корпусом. ОФАП. САПР №10387 / А.С. Байбиков, В.М. Харитоненко. М., 1982. - 42 с.

5. Безруков, Ю.А. Исследование перемешивания потоков теплоносителя в корпусе ВВЭР / Ю.А. Безруков, Ю.Г. Драгунов, С.А. Логвинов, В.Н. Ульяновский // Атомная энергия. 2004. Т 96. Вып. 6. С. 432-440.

6. Беляев, Н.М. Нестационарный теплообмен в трубах / Н.М. Беляев, А.А. Кочубей, Ю.А. Рядно, В.А. Фалий. Киев - Донецк: Вища школа. 1980 г., 100 с.

7. Бразалук, Ю.В. Расчет процессов гидродинамического взаимодействия в плоских течениях идеальной^ несжимаемой жидкости^ Материалы "докладов VII

8. Международной молодежной научно-практической конференции «Человек и космос» / Ю.В. Бразалук. Днепропетровск: изд-во НЦАОМУ, 2004.-430 с.

9. Войткунский, Я.И. «Гидромеханика» Учебник. 2-е изд., перераб. И доп. / Я.И. Войткунский, Ю.И. Фаддеев, К.К Федяевский. - JI: Судостроение, 1982.-456 е., ил.ИСБН

10. Галицейский, Б.М. Тепловая защита лопаток турбин / Б.М. Галицейский, В.Д. Совершенный, В.Ф. Формалев, М.С. Черный. М.: Изд-во МАИ, 1996.-356 с.

11. Голубев, А.И. Торцевые уплотнения вращающихся валов.—2-е изд., перераб. и доп / А.И. Голубев. -М.: Машиностроение, 1974.-212с.

12. Гупта, А. Закрученные потоки / А. Гупта, Д. Лили, Н. Сайред. М.: Мир, 1987. 592 с.

13. Данилов, Ю.И. Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы / Ю.И. Данилов, Б.В. Дзюбенко, Г.А. Дрейцер, JI.A. Ашмантас; под ред. чл.-корр. АН СССР Иевлева В.М. М. Машиностроение, 1986.-200 с.

14. Данилова, Г.Н. Теплообменные аппараты холодильных установок / Г.Н. Данилова. JL: Машиностроение, 1986. - 303с.16Дорфман, JI.A. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел / JI.A. Дорфман. М., Физматгиз, 1960. 260 с.

15. Зотов, В.А. Уплотнения вращающихся элементов ТНА двигателей многократного применения / В.А. Зотов // Труды ЦИАМ №706. Ms 1976, с.50-61.

16. Зуев, А.А. Интенсификация теплообмена. Материалы докладов VIII Международной молодежной научно-практической конференции «Человек и космос» / А.А. Зуев, А.А. Кишкин. Днепропетровск: изд-во НЦАОМУ, 2005. -430 с.

17. Зысина-Моложен, JI.M. Теплообмен в турбомашинах / JI.M. Зысина-Моложен, JI.B. Зысин, М.П. Поляк. JL, «Машиностроение», 1974. 336 с.

18. Калинин, Э.К. Методы расчета сопряженных задач теплообмена / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, В.В. Костюк, И.И. Берлин. М.: Машиностроение, 1983 г., 232 с.

19. Калинин, Э.К. Нестационарный конвективный теплообмен и гидродинамика в каналах. Итоги науки и техники. Общие и теоретические вопросы теплоэнергетики. Голиоэнергетика / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер М.: (ВИНИТИ). 1969 г, 136 с.

20. Камке, Э. Справочник по дифференциальным уравнениям в частных производных первого порядка / Э. Камке М.: Физматгиз, 1966, 260 с.

21. Картвелишвили, Н.А. Нетрадиционные задачи гидравлики / Н.А. Картвелишвили-М.: Энергоиздат, 1985 г., 168 с.

22. Кетола, Мак Грью. Распределение давления, сопротивления трения и расходные характеристики для частично смоченного радиального диска Мак -Грью Кетола // Тр. Амер. о-ва инж. - мех. Сер. Ф, Проблемы трения и смазки.-1968.-№2. - С. 86-102.

23. Кириллов, П.Л. Опыт эксплуатации реакторов указывает на необходимость новых тепло гидравлических исследований / П.Л. Кириллов // Атомная техника за рубежем. 2003 № 9. С. 3-9.

24. Кишкин, А.А. Вращение диска в потоке, закрученном по закону твердого тела. / А.А. Кишкин, М.В. Краев, А.В. Майдуков. // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 1996. №4. С. 42-47.

25. Кишкин, А.А. Интенсификация теплообмена. Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф.Решетнева / А.А. Кишкин, М.В. Краев, А.А. Зуев. ; под ред. Проф. Г.П.Белякова; СибГАУ. Вып.6-Красноярск, 2005.-326 с.

26. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. /Г.Г. Гахун, В.И.Баулин, В.А. Володин и др.; Под общ. Ред. Г.Г. Гахуна. М.: Машиностроение, 1989. - 424 е.: ил.

27. Костерин, С.И. К вопросу о структуре турбулентного потока в кольцевом канале при вращении внутреннего цилиндра. / С.И. Костерин, Ю.П. Финантьев // Инженерно-физический журнал. 1963. №10, с. 21-25.

28. Кочин, Н.Е. Теоретическая гидромеханика, ч.2, / Н.Е. Кочин, И.Е. Кибель, М.В. Розе Физматгиз., 1963, 728 с.

29. Кошкин, В.К. Нестационарный теплообмен / В.К. Кошкин, Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо. -М., Машиностроение, 1973 г., 328 с.

30. Кошкин, В.К. Теплообменные аппараты и теплоносители / В.К. Кошкин, Э.К. Калинин. М.: «Машиностроение», 1971 г., с.200.

31. Краев, М.В. Проектирование и расчет уплотнений высокооборотных валов / М.В. Краев. КГУ, Красноярск. 1978. - 111 с.

32. Краев, М.В. Теория и расчет гидравлических трактов насосных агрегатов: Учеб.пособие / М.В. Краев. Красноярск, КрПИ, 1981. - 100 с.

33. Краев, М.В. Гидродинамика малорасходных насосных агрегатов. / М.В. Краев, А.А. Кишкин, Д.Н. Сизых. Красноярск: САА, 1998, 157 с.

34. Краев, М.В. Малорасходные насосы авиационных и космических систем /М.В. Краев, Б.В. Овсяников, В.А. Лукин. —М.: Машиностроение, 1985.—128с.

35. Краев, М.Вг Гидродинамические уплотнения высокооборотных валов / М.В. Краев, Б.В. Овсяников, А.С. Шапиро. —М.: Машиностроение, 1976.-104с.

36. Кутателадзе, С.С. Пристенная турбулентность / С.С. Кутателадзе. — Новосибирск, «Наука», Сибир. отд., 1970 г., 228 с.

37. Локай, В.И. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей. 2-е изд. перераб. и доп. / В.И. Локай, М.Н. Бодунов, А.В. Щукин. -М.: Машиностроение, 1993. 288 е.: ил.

38. Ломакин, А.А. Осевое давление в центробежных насосах с учетом величины зазора в уплотнительных кольцах / А.А. Ломакин. Советское котлотурбостроение, 1940, №12, с.431-435.

39. Краев, М.В. Агрегаты энергетических установок летательных аппаратов; СибГАУ / М.В. Краев, А.А. Кишкин, В.П. Назаров. -Красноярск, 2005. 120 с.

40. Марцинковский, В.А. Бесконтактные уплотнения роторных машин / В.А. Марцинковский. М.: Машиностроение, 1980. - 200 с. ил.

41. Марцинковский, В.А. Гидродинамика и прочность центробежных насосов / В.А. Марцинковский. М.: Машиностроение, 1970. - 210 с.

42. Митрофанова, О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах с завихрителями / О.В. Митрофанова // Теплофизика высоких температур. 2003. Т. 41. № 4. -С. 587-633

43. Митрофанова, О.В. Проблемы физико-математического моделирования закрученных течений в каналах теплообменников и энергетических установок / О.В. Митрофанова // Тр. Третьей Рос. Нац. Конф. По теплообмену. М.: Издательство МЭИ, 2002. Т. 2. -С. 219-223.

44. Обзор-исследований течения жидкости во вспомогательных элементах ТНА.: Тех.отчет /ЦИАМ, исполн. Ю.М. Дорфман, инв.№3885. 1980. -46с.

45. Овсяников, Б.В. Моделирование и оптимизация характеристик высокооборотных агрегатов / Б.В. Овсяников, Н.С. Яловой. — М.: Машиностроение, 1992.- 252 е., ил.

46. Овсянников, Б.В. К вопросу о передаче энергии в центробежных и осецентробежных насосах циркуляционными и кориолисовыми силами / Б.В. Овсянников, Б.И. Боровский // Изв. Вузов. Сер. Авиационная техника, 1966, №4, -С. 107-113.

47. Осипова, В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена: Учеб. Пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. / В.А Осипова. — М.: Энергия, 1979. 320 е., ил.

48. Поляев, В.М. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкции летательных аппаратов / В.М. Поляев, В.А. Майоров, JLJI. Васильев. -М.: Машиностроение, 1988. 168 с.

49. Прандтль, JI. Гидроаэромеханика / JI. Прандтль. М.: Из-во иностр. лит., 1951,-575 с.

50. Рабинович, Е.З. Гидравлика. Издание четвертое стереотипное / Е.З. Рабинович. М., Физматгиз, 1963г., 408 стр. с ил.

51. Расчет малорасходного высокооборотного насоса: Программа инв. №150711; per. №2893, ГОНТИ I / А.С. Шапиро, М.В. Краев, Г.В. Ефремов, В.П. Карасев, А.А. Кишкин; Отраслевой фонд алгоритмов и программ САПР.—М.: 1989.- 95 с.

52. Расчет малорасходного высокооборотного центробежного насоса: Программа № 2993 / А.С. Шапиро, М.В. Краев, Г.В. Ефремов, В.П. Карасев, А.А. Кишкин; Отраслевой фонд алгоритмов и программ САПР М., 1987. - 147с.

53. Романенко, П.Н. Тепломассообмен и трение при градиентном течении жидкостей / П.Н. Романенко // 1971 г. стр.327

54. Самсон, Э.В. Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных вихревых "потоках / Э.В. Самсон, "П.И. Семёнович, В.Т. Кутателадзе. -Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1988. 282 с.

55. Сперроу, Е.М. Влияние предшествующих процессов на гидродинамическое развитие течения в канале / Е.М. Сперроу, С.Е. Андерсон // Тр. Амер. о-ва инж. — мех. Сер. Д, Теоретические основы инженерных расчетов.— 1977.-№ 3.-С.222-228.

56. Спибердинг, С. Современные достижения в исследовании основных особенностей вторичных течений в каналах турбинных решеток / С. Спибердинг // Тр. Амер. о-ва инж. мех. Сер. А, Энергетические машины и установки — 1985.№ 2.-С.1-13.

57. Степанов, Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин / Г.Ю. Степанов. — М.: Физматгиз, 1962, -512 с.

58. Субботин, В.И. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках: Основы расчета. / В.И. Субботин, М.Х. Ибрагимов, А.Н. Ушаков и др. М.: Атомиздат, 1975 г. - 408 с.

59. Сэффмен, Ф.Д. Динамика вихрей / Ф.Д. Сэффмен // М.: Научный мир, 2000. -С.90.

60. Тарасевич, С.А. Гидродинамика одно и двухфазных потоков в каналах с непрерывной по длине закруткой / С.А. Тарасевич, А.Б. Яковлев // ТВТ. 2003. Т. 41. №2. -С. 273-283.

61. Турчак, Л.И. Основы численных методов / Л.И. Турчак. -М.: Наука, 1987, 390 с.

62. Фабер, Т.Е. Гидроаэродинимика / Т.Е. Фабер. М.: Постмаркет, 2001.506 с.

63. Федорова, Г.И. Исследование -гидродинамики течения вязкой жидкости в щелях и разработка методов расчета опор и уплотнений. Дисс. канд. техн. наук / Г.И. Федорова. М., 1965, -160 с.

64. Холпанов, Л.П. Гидродинамика и тепломассообмен с поверхностью раздела / Л.П. Холпанов, В.Я. Шкадов. М.: Наука, 1990. 271 с.

65. Холщевников, К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин — 2-е изд., перераб. и доп. / К.В. Холщевников, О.Н. Емин, В.Т. Митрохин. —М.: Машиностроение, 1986.-432с.

66. Черкез, А.Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений / А.Я. Черкез. — М.: Машиностроение, 1976.-481с.

67. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. — М: Наука, 1969.-744 с.

68. Щукин, В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил / В.К. Щукин. М.: Машиностроение, 1980. -331 с.

69. Щукин, В.К. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесеметричных каналах / В.К. Щукин, А.А. Халатов. М.: Маиностроение, 1982, - 200 е., ил.

70. Dawes, W.N. Invited lecture: Current & future developments in turbo machinery CFD / W.N. Dawes // 2nd European Conference on turbo machinery, fluid dynamics and thermodynamics, 5-7 March 1997, Antwerpen, Belgium. 1997. - P. 1 -63.

71. Dawes, W.N. Toward improved through flow capability: The use of three -dimensional viscous flow solver in a multistage environment / W.N. Dawes // ASME J. Turbo machinery. 1992. - 114, №1.-P. 8-17.

72. Denton, J.D. The calculation of three dimensional viscous flow through multistage turbo machines / J.D. Denton // ASME Pap. 1990. - 90 - GT - 019. - 10 p.

73. Grusenwitz, E. Turbulente Reibungsschieben und Sekungarstromung / E. Grusenwitz // Ing. Arch. 5, №6, 1935.

74. He, L. Modeling issues for computation of unsteady turbo machinery flows / L. He // VKI-LS. 1996. - № 5. - 10 p.

75. Jung, A. Simulation of 3D unsteady stator/rotor interaction in turbo machinery stages of arbitrary pitch ratio / A. Jung, J.F. Mayer, H. Stetter // ASME Pap.- 1996.-96-GT-069.- 12 p. - - -

76. Karman, Tn. Uber laminare und turbulente Reibung / Tn. Karman // -ZAAM, 1921, №1, p. 233-252.

77. Rai, M.M. Three dimensional Navier - Stokes simulations of turbine rotor-stator interaction / M.M. Rai // J. Propulsion and Power. - 1989. - 5, № 3. - P. 305319.

78. Yamada, I. Risistance of flow through annular with on inner rotating cylinder /1. Yamada // Bulleten of ASME. 1962.-Vol.5, N 18, pp. 302-310.