5.Расчёт сверхзвукового течения газовой среды
.pdf
Для удобства можно настроить вывод легенды в числах без показателей степени. Для этого нужно в меню Display Colormap (рис. 35) выставить вывод чисел с плавающей точкой:
Number Format Type float.
Также можно отразить отображение осесимметричной модели по оси симметрии. Для этого нужно в меню Display Views включить ось axis (рис. 36) в списке Mirror Planes (зеркальные плоскости), не забыв нажать Apply.
Рис. 35 – Меню легенды |
Рис. 36 – Меню вида (Views) |
|
(Colormap) |
||
|
Шаг 11. Судя по картине течения (см. рис. 34), имеет место сверхзвуковой поток на нерасчѐтном режиме. Для подтверждения гипотезы о сверхзвуковом течении можно вывести картины распределения числа маха (Velocity Mach Number) и плотности
(Density Density) (рис. 37).
Шаг 12. Подтвердить нерасчѐтный режим можно векторной картиной. Для этого нужно через меню Vectors (рис. 38) отобразить векторную картину (рис. 39). Для лучшего отображения можно поэкспериментировать с размерами векторов (Scale) и их разрежением
(Skip).
31
Рис. 37 – Распределение числа Маха (слева) и плотности (справа)
Рис. 38 - Меню отображения векторов скорости потока
32
Рис. 39 - Векторная картина потока
Шаг 13. Также можно построить линии тока, используя меню Pathlines. (рис. 40). В качестве источников линий (Release) нужно установить все входные и выходные границы (inlet1, inlet2, outlet), число шагов (Steps) установить 1000, и проредить линии в 8 раз (Path Skip). Посмотреть результат можно после нажатия кнопки Display (рис. 41). Хорошо видно, что поток из сопла с большой скоростью (порядка 300 м/с) покидает расчѐтную зону только в небольшой области границы outlet. В остальной части наблюдается обратное втекание через эту границу вследствие нерасчѐтного режима сопла. Сопло с такой геометрией должно работать на намного больших перепадах давления.
33
Рис. 40 – Меню линий тока Pathlines
Рис. 41 – Картина линий тока
34
Шаг 14. Оценить тягу, формируемую давлением газов на внутреннюю поверхность сопла (кроме днища камеры), используя меню оценки интегральных параметров Reports Forces («силы») (рис. 42). В данном случае производится оценка силы вдоль оси камеры (ось X). Единственной стенкой, на которой в данном случае можно оценить силу является стенка камеры wall_surface_body. После нажатия кнопки Print в текстовое окно выводится таблица параметров (рис. 43). В еѐ столбцах последовательно представлены силы (в ньютонах), вызванные действием давления (Pressure), вязким трением (Viscous), и их сумма (Total). Знак «минус» у значения силы отражает еѐ направление - противоположно направлению оси X.
Рис. 42 – Меню оценки значения силы
Forces - Direction Vector (1 0 0) |
|
|
|
|
||
|
Forces (n) |
|
|
Coefficients |
|
|
Zone |
Pressure |
Viscous |
Total |
Pressure |
Viscous |
Total |
wall-surface_body |
-653.1 |
0.1358 |
-653.0 |
-1066.3 |
0.2216 |
-1066.0 |
Рис. 43 – Содержимое текстового окна при оценке силы
35
Данная оценка тяги учитывает только тягу, создаваемую на боковой поверхности камеры. Между тем, основная тяга создаѐтся давлением газов на огневое днище смесительной головки (граница inlet1). Для того чтобы оценить полную тягу, лучше воспользоваться инструментами CFD-Post.
Шаг 15. Закрыть Fluent, открыть CFD-Post (дважды щелкнуть Results). Для определения среднего значения температуры потока в сечении канала за охладителем необходимо перейти во вкладку Calculators Function Calculator. Затем выбираются следующие параметры
(рис. 44):
Function force
Location wall surface_body
Direction Global, X
Поставить галочку Show equivalent expression (показать эквивалентное выражение) и для расчета параметра нажать Calculate. В окне появится уже знакомое значение -653 Н и выражение на языке CEL, используемое для автоматических вычислений (см. рис. 44).
Шаг 16. Аналогично найти силу, действующую на границу inlet1, указав еѐ в поле Location. Для удобства можно снять галочку «Clear previous results on calculate», чтобы первое значение не было удалено при выводе нового (см. рис. 44).
CEL-выражения имеют следующий вид:
force_x()@wall surface_body force_x()@inlet1
Сначала идѐт название функции, затем в скобках – параметры функции (функция «force_x» не требует параметров), а после знака амперсанда «@» указывается граница, на которой вычисляется значение функции.
Используя CEL-выражения, можно организовать вычисление полной тяги.
36
Рис. 44. Меню Function Calculator
Шаг 17. Перейти во вкладку Expressions. Щелкнув на свободном поле правой кнопкой мыши, вызвать контекстное меню и создать (Add) новое выражение с названием «thrust» (рис. 45). В появившееся окно ввести выражение для определения суммарной силы, копируя оба выражения из вкладки Calculators и соединяя их знаком «+». Также можно ввести выражения с клавиатуры или используя контекстное меню. После нажатия кнопки Apply будет выражение «thrust» будет содержать значение суммарной силы на границах «wall surface_body»
и «inlet1» (рис. 45).
37
Рис. 45. Вкладка Expressions
Шаг 18. Для того чтобы значение тяги выводилось непосредственно в Workbench нужно сделать выражение «thrust» выходным параметром. Для этого нужно выбрать строку выражения «thrust» и через контекстное меню указать «Use as Workbench Output Parameter»
(использовать как выходной параметр Workbench). Значок приобретет
вид «
», а проект (если закрыть CFD-Post) будет выглядеть, как показано на рис. 46). Двойной щелчок на Parameter Set открывает таблицу параметров (см. рис. 46). Вернуться в проект можно, закрыв окно Parameter Set («крестик»).
Рис. 46. Использование выходных параметров в Workbench
Шаг 19. Для удобства дальнейшей работы нужно переименовать блок проекта, указав вместо «soplo» значение давления. Для этого нужно,
38
нажав правой кнопкой мыши первую строчку проекта (на синюю «шапку»), вызвать контекстное меню, в нѐм выбрать пункт Rename (переименовать), а затем ввести название «p=3 atm».
Шаг 20. Сохранить результаты первого расчѐта, нажав кнопку «Save».
По результатам анализа расчета очевидно, что сопло работает на нерасчѐтном режиме, т.е. возможно увеличение тяги за счѐт увеличения давления в камере. Следующий раздел посвящен исследованию этой гипотезы путѐм выполнения серии расчѐтов при постоянном повышении давления.
39
Модификация расчѐтной модели и анализ результатов
Шаг 1. Создание копии проекта. Для этого нужно, нажав правой кнопкой мыши первую строчку проекта (на синюю «шапку»), вызвать контекстное меню и в нѐм выбрать пункт Duplicate (дублировать). При этом произойдѐт копирование проекта (рис. 47). Назвать новый блок «p=10 atm».
Рис. 47 - Дублирование проекта Workbench
Шаг 2. Открыть Fluent, войдя в элемент Setup.
Шаг 3. Изменить значение давления в камере (на границе inlet1) на вкладке Boundary Conditions
Gauge Total Pressure (полное давление) 10 atm
Supersonic/Initial Gauge Pressure (статическое давление) 9.9 atm.
Шаг 4. Изменить схему связки «давление-скорость» решателя. На вкладке Solution Methods выбрать Scheme Coupled.
Шаг 5. Провести инициализацию расчѐта (см. шаг 8 предыдущего раздела).
Шаг 6. Провести решение (см. шаг 9 предыдущего раздела).
Если в ходе решения задача будет «разваливаться» (при сверхзвуковых течениях на высоких перепадах это частое явление), то для получения решения рекомендуется применять следующие методики:
40