Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методики расчета вихревых пульсаций в гасителе колебаний

Сведения об участнике
ФИО
Романов Кирилл Андреевич
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Математика. Механика
Раздел области наук
Механика
Тема
Разработка методики расчета вихревых пульсаций в гасителе колебаний
Резюме
Один из методов устранения гидродинамического шума (ГДШ) в энергетических установках заключается в применении специальных гасителей пульсаций потока.
В настоящее время их применение ограничивается возросшими требованиями к допустимому уровню акустического шума технических систем. В работе была разработана сеточная модель гасителя колебаний, учитывающая особенности вихревого течения в диффузоре его центрального канала, были проведены предварительный стационарный и основной нестационарный расчеты, получены акустические характеристики потока.
В результате расчета были получены данные о вихревых пульсациях. Полученная методика позволяет решать актуальные задачи акустики.
Ключевые слова
Численное моделирование, вихревое течение, гаситель колебаний, гидродинамический шум, методика расчета
Цели и задачи
Разработка методики расчета вихревых пульсаций с помощью численных методов моделирования, что должно позволит сильно упростить создание гасителей колебаний нового поколения. В дальнейшем, планируется разработка качественно новых гасителей, в основе которых будет лежать предложенная методика.
Введение

В рамках энергетического машиностроения одним из ключевых вопросов является ограничение или полное устранение акустического шума и его негативных проявлений.

Чаще всего, внешний шум энергетической установки зависит от гидродинамического шума (ГДШ), который формируется в агрегатах и трубопроводах гидро- и пневмосистем. Из-за повышения требований к ГДШ необходимо создавать гасители колебаний, снижающие пульсации давления на 40 дБ, что затруднительно.

В работе проводится стационарный расчет течения в гасителе с разработкой оптимальной сеточной модели, размеры ячеек которой будут соответствовать характерным размерам крупных вихрей, что позволит получить результаты при расчете вихревых пульсаций.

Методы и материалы

Для получения адекватных результатов при расчете вихревых пульсаций давления в гасителе колебаний предлагается следующий общий алгоритм:

– создание геометрической модели:

      – разработка геометрии конфузорной и диффузорной частей гасителя колебаний, в которых процесс вихреобразования сводится к минимуму;

      – подбор оптимальной длины выходного канала, для того чтобы в расчетной модели отсутствовали обратные токи, не соответствующие реальной картине течения;

– подбор с помощью предварительных расчетов оптимальной сеточной модели:

      – проведение предварительного RANS расчета для определения характерных размеров крупных вихрей;

      – подбор размеров ячеек сеточной модели в ядре потока с учетом этих размеров;

      – выбор пограничного слоя, адекватно моделирующего течение в пристеночном слое;

– проведение RANS-расчета для получения начальных данных для нестационарного расчета;

– проведение нестационарного расчета:

      – подбор временного шага

      – сбор статистики и обработка результатов.

Описание и обсуждение результатов

Для решения поставленной задачи было принято решение провести предварительный стационарный расчет течения рабочей жидкости в диффузоре гасителя колебаний с помощью RANS модели. Для стационарного расчета использовалась k-ω SST (Shear Stress Transport) модель, которая одновременно использует два уравнения переноса для турбулентных характеристик.

В данной работе численный расчет проводился на 3D-модели центрального канала гасителя колебаний жидкости (рисунок 1). Длина выходной широкой части специально подбиралась так, чтобы ее границы не вносили искажения в результаты расчет вихревых структур в диффузоре. В этом случае, длина составила 18 калибров или 2700 мм.

Рисунок 1 – Геометрическая модель канала гасителя колебаний

Одной из главных задач является правильный выбор пристеночного слоя, так от этого во многом зависит правильность расчета. При этом важно правильно рассчитать не только высоту первой ячейки пристеночного слоя, но и его суммарную толщину.

В нашем случае высота первой ячейки пристеночного слоя составила 1,3·10-3 мм. Также, исходя из опыта предыдущих исследований, было предположено, что суммарной толщины пристеночного слоя в 1 см должно быть достаточно для получения адекватных результатов расчета.

Разбивка геометрической модели производилась в программе Ansys Workbench, где общая толщина пристеночного слоя задавалась с помощью инструмента First Layer Thickness, а размеры конечных элементов в «ядре» потока программа определяла в заданных пределах – от 1,5 до 6 мм.

После проведения предварительных расчетов с помощью полей распределения масштаба турбулентности в Ansys Fluent был проведен анализ характерных размеров вихрей и с учетом этих размеров была сгенерирована новая конечно-элементная модель.

На рисунке 2 показаны размеры ячеек на каждом из участков. Они были специально подобраны так, чтобы при численном расчете не вносили ошибку.

Стоит отметить, что из-за слишком высоких требований по производительности в инструменте Mesh программы Ansys Workbench сетку с данными размерами сгенерировать не удалось. Для решение данной проблемы пришлось укрупнить сетку в 4 раза, загрузить ее на удаленный сервер суперкомпьютера СГАУ «Сергей Королев» и уже там с помощью утилит пакета Ansys Fluent доводить размеры конечных элементов до требуемых.

Рисунок 2 – Размеры конечных элементов

 

Далее все расчеты повторялись на новой улучшенной модели уже на суперкомпьютере до тех пор, пока все невязки не стабилизировались на требуемом уровне (рисунок 3).

Рисунок 3 – График невязок

В результате расчетов были получены модель и начальные условия, которые позволяют провести нестационарный расчет течения рабочей жидкости в диффузоре гасителя колебаний и получить адекватную картину вихревого течения в диффузоре гасителя колебаний. В дальнейшем, с помощью полученной картины течения можно будет рассчитать ГДШ в гасителе и предложить возможные способы его устранения.

 

Используемые источники
1. Lighthill M. J. On sound generated aerodynamically. I. General theory. Proc. Roy. Soc. Лондон: A211, 1952. С. 564-587.
2. Lighthill M. J. On sound generated aerodynamically. II. Turbulence as a source of sound. Proc. Roy. Soc. Лондон: A222, 1954. С. 1-32.
3. Зарембо Л. К., Красильников В. А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966. 520 c.
4. Смольяков А.В. Шум турбулентных потоков. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2005. 312 с.
5. Смольяков А.В. Интенсивность акустического излучения турбулентного пограничного слоя на пластине. Акустический журнал. 1973. Т. 19, № 2. С. 251-256.
6. Numerical and physical aspects in LES and hybrid LES/RANS of turbulent flow separation in a 3-D diffuser / Jakirlic S., Kadavelil G., Kornhaas M. и др. // International Journal of Heat and Fluid Flow, 2010. №31. С. 820-832.
Information about the project
Surname Name
Romanov Kirill
Project title
Development of the eddy pulsations calculation method in the damper
Summary of the project
In case of numerical calculation of eddy currents greater focus should be placed on the choice of boundary conditions as, otherwise, there is a probability of obtaining the distorted results. In this paper RANS calculation of a current in the Ansys Fluent software package was carried out with the purpose of receiving an adequate picture of an eddy current in the pipeline diffuser. Following the results of calculation, boundary conditions by means of which results of numerical modeling have to adequately display the eddy current in the pipeline diffuser were received.
Keywords
Numerical modeling, vorticity flow, boundary conditions, diffuser, pipeline