Введение к работе
Актуальность работы. Моделирование течения закрученного потока в гидросистемах необходимо для более глубокого понимания тех процессов, которые происходят внутри подобных систем, выработки оптимальных режимов их функционирования Закрученный поток характеризуется специфическими, отличающими его принципиально от осевого течения свойствами соизмеримыми значениями осевой, вращательной и радиальной составляющих скорости, продольным и поперечным градиентами статического и полного давления, существенным значением градиента скорости в поперечном направлении, высоким уровнем турбулентных пульсаций и тд Проведение натурного эксперимента для определения характеристик вращающегося течения связано со значительными материальными затратами, высокие требования к вычислительным мощностям не позволяют получить прямое численное решение с помощью компьютера Данное обстоятельство приводит к необходимости разработки математической модели для описания процесса течения закрученного потока
Во многих исследованиях закрученного потока в каналах различной конфигурации течение принимается симметричным, закрутка на входе задается по закону твердого тела Однако в технических приложениях (например, в форсунках) закрутка нередко осуществляется боковым подводом среды, что меняет характер течения, кроме того, экспериментальные исследования показывают, что затухание закрутки подлине канала приводит к ассиметричному развитию потока
Можно предположить, что учет особенностей подвода и анизотропии турбулентности при разработке математической модели позволит с приемлемой точностью описать рассматриваемый тип течения, распределение характеристик потока в гидросистеме, получить инструмент для систематизации новых знаний об объекте исследования и прогнозирования его свойств, что в свою очередь, приведет к снижению и материальных, и временных затрат
Поэтому актуальной является разработка и исследование математической модели течения трехмерных закрученных потоков в гидросистемах, описывающей процессы с приемлемой точностью
В настоящее время существует большое число программ, позволяющих выполнять расчеты различных гидросистем Программы типа SF Pressure DROP, HYDROFLO, ГидроМодель не обладают возможностью расчета вращающихся течений, кроме того, фиксированный набор элементов для построения гидросистем в подобных пакетах не позволяет проводить расчеты, если конфигурация гидросистемы образована из достаточно сложных участков, что в значительной степени ограничивает возможности работы по конструированию и оптимизации устройств
В этой связи актуальным является создание программного комплекса, обладающего возможностями расширения баз данных непосредственно пользователем, позволяющего проводить имитационное моделирование закрученных и осевых потоков в гидросистемах различных конфигураций, в том числе сетевого типа
Цель работы. Разработка методики математического моделирования течения закрученного потока вязкой несжимаемой жидкости в гидросистемах, алгоритма и программного комплекса для имитационного моделирования потоков в гидросистемах
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи
разработать методику математического моделирования и построить модель течения с закруткой потока в гидросистемах, отличающуюся учетом анизотропии турбулентности,
провести вычислительные эксперименты для идентификации основных характеристик потока, систематизировать полученные сведения, сформировать на их основе базу данных и сравнить результаты с данными других исследователей, на основе численных экспериментов с разработанной моделью исследовать ее чувствительность к изменению входных параметров,
разработать алгоритмы имитационного моделирования течения в гидросистемах сетевого типа,
разработать программный комплекс для реализации имитационного моделирования if провести его апробацию
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы метод математического моделирования, методы математической физики и вычислительной математики, современные методы и технологии программирования
Научная новизна
Математическая модель течения закрученного потока в каналах, отличающаяся учетом анизотропии турбулентности и боковым подводом среды
Результаты вычислительных экспериментов по идентификации параметров гидросистемы и их систематизация, позволяющие определить структуру потока, степень воздействия и чувствительность входных данных на выходные характеристики модели
Алгоритм имитационного моделирования течения в гидросистемах, предоставляющий возможность создания принципиально новых или изменения уже существующих в базе данных схем расчета участков гидросистем
Программный комплекс (HYDROSYS) для имитационного моделирования гидросистем, в том числе с вращающимися потоками Созданный интерфейс позволяет пользователю самостоятельно конструировать новые участки для моделирования гидросистем построение геометрии участка осуществляется из набора базовых элементов, схема расчета сопряжена со встроенным текстовым редактором Использование результатов расчета САЕ-системы (FlowVision) для расширения базы данных участков в разработанном программном комплексе
Практическая значимость Разработанный программный комплекс позволяет проводить имитационное моделирование осевых и закрученных течений В программе существует возможность расчета сетевых гидросистем Разработанное программное средство апробировано на ряде прикладных задач, является гибким и простым в эксплуатации инструментом проектирования и оп-
тимизации работы различных устройств Обладает удобным интерфейсом, позволяющим пользователю самостоятельно расширять функциональные возможности программы, варьировать конструкцию гидросистемы, ее геометрические параметры и проводить расчет характеристик системы за минимальное время
Результаты работы используются в ОАО КБ Химавтоматики при проектировании смесительных устройств и расчетах оптимальных режимов работы гидросистем (Акт о внедрении программного комплекса для расчета гидросистем) В ходе апробации пользователями проведено расширение базы данных участков и рабочих сред программного комплекса
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на региональной научно-методической конференции «Информатика проблемы, методология, технологии» (г Воронеж, 2003, 2005, 2006 гг), Российской научно-технической конференции «Авиакосмические технологии «АКТ» (г. Воронеж, 2003, 2006 гг), Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (г Воронеж, 2005 г ), III Международной научно-практической интернет-конференции «Компьютерные технологии в науке и образовании» (г Воронеж, 2004-г ), X Всероссийской научно-практической конференции (г Томск, 2006 г), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-19» (г Воронеж, 2006 г), Международной научной конференции «Сложные системы управления и менеджмент качества CCSQM' 2007» (г Ст Оскол, 2007), отчетных научных конференциях ВГУ за 2002-2006 г
Публикации По теме исследования опубликовано 13 печатных работ, цитируемых по ходу изложения диссертации Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1]-[7], список которых приведен в конце автореферата (из них работа [1] в периодическом издании, рекомендуемом ВАК РФ), в том числе зарегистрирована программа в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам РФ Личное участие автора заключалось в разработке и исследовании модели для выделенного класса объектов, проведении численных экспериментов, проверке адекватности результатов, разработке алгоритмов расчета сетевых гидросистем
Структура и объем работы. Материал диссертации изложен на 184 страницах Работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений, содержит 56 рисунков и 10 таблиц Библиография включает 114 наименований
