Введение к работе
Актуальность темы.
Изучение нестационарных температурных полей в многосвязных областях сложной геометрической формы при наличии внутренних источников (стоков) тепла и теплообмене с окружающей средой является одной из важных задач теплофизики и теплотехники. Во многом это обусловлено потребностями практики создания современных энергетических установок, совершенствование энергомассовых характеристик которых, связанное с ростом параметров продуктов сгорания (р,Т) и уровнем тепловых потоков к элементам конструкции, приводит к все большему усложнению формы конструкций и расширению типов используемых материалов за счет использования таких композиционных материалов как углепластики, углеметалло-пластики, графиты, псевдосплавы тугоплавких металлов.
Оценка работоспособности проектируемых и эксплуатируемых энергетических установок, повышение их мощности, сокращение сроков и затрат на проведение натурных испытаний связано с необходимостью повышения точности расчетов нестационарного температурного состояния их узлов и деталей в процессе работы. Высокие требования к точности расчетов температурных полей в них требуют создания эффективных методик численного решения нелинейного уравнения нестационарной теплопроводности в многосвязных областях сложной геометрической формы при наличии внутренних стоков тепла, зависимости теплофизнческих характеристик материалов от температуры, нелинейности граничных условий, изменения контуров грашщ области вследствие химического и механического воздействия среды на нагретые до высоких температур границы области.
С появлением работ Томпсона и других по методам численного построения криволинейных систем координат для областей произвольной формы, отображающихся на области простой формы и, в частности, эффективных методов автоматического численного построения обобщенной криволинейной системы координат, исходя из условия совпадения всех границ области произвольной формы с координатными линиями, открылись новые возможности применения конечно-разностных методов, как одних из наиболее точных, и для численного решения задач нелинейной нестационарной теплопроводности с источниками (стоками) тепла в многосвязных областях сложной геометрической формы.
Из сказанного следует, что численное исследование нестационарных температурных полей в конструкциях современных энергетических установок является актуальным и требует создания численных методик решения нелинейных уравнений нестационарной теплопроводности с внутренними
источниками (стоками) тепла и нелинейными граничными условиями в обобщенных криволинейных координатах для многосвязных областей сложной геометрической формы.
Цель работы.
Численное исследование нестационарных температурных полей в конструкциях энергетических установок сложной геометрической формы, включающих в себя композиционные материалы, при наличии внутренних источников (стоков) тепла и теплообмена с окружающей средой. * Конкретные задачи исследования.
-
Разработать для многосвязных областей сложной геометрической формы методику численного решения нелинейных уравнений нестационарной теплопроводности с внутренними источниками (стоками) тепла и нелинейными краевыми условиями в обобщенных криволинейных координатах с использованием сеток, автоматически встраивающихся на конфигурацию всех границ области, а также на конфигурацию границ разнородных материалов.
-
Разработать программный комплекс для численного исследования нестационарных температурных полей в узлах и деталях энергетических установок с учетом внутренних источников (стоков) тепла, зависимости теплофи-зических характеристик материалов от температуры, изменения конфигурации проточной части узлов в процессе работы вследствие тепло-массообмена с продуктами сгорания.
-
Апробация программного комплекса.
-
Проведение численных исследований нестационарных температурных полей в теплонапряженных узлах некоторых реальных энергетических установок с целью выработки теплофизических подходов к выбору оптимальных материалов и геометрической формы этих узлов.
Научная новизна.
Реализована методика решения нелинейных уравнений нестационарной теплопроводности с внутренними источниками (стоками) тепла и подвижной внутренней границей для многосвязных областей сложной геометрической формы на основе метода конечных разностей в обобщенной криволинейной системе координат с использованием сеток, автоматически настраивающихся на конфигурацию границ области и разнородных материалов. Методика позволяет сохранить высокую точность и простоту реализации, присущую методам конечных разностей, и в случае границ нерегулярной формы и тем самым расширить границы эффективного использования метода конечных разностей для решения рассматриваемых краевых задач.
Практическая ценность и реализация.
Разработана методика численного решения нелинейных задач теплопроводности с внутренними источниками (стоками) тепла для двумерных
многосвязных областей с границами произвольной формы, основанная на преобразовании к координатам, согласованным с границей.
Данная методика была применена для численного исследования тепловых полей в теплонапряженных узлах и элементах ряда реальных энергетических установок с целью выбора композиционных материалов проточных частей и оптимизации геометрии отдельных их элементов.
Программный комплекс для численного исследования на ШМ PC/AT нестационарных температурных полей в узлах и деталях энергетических установок с учетом внутренних источников (стоков) тепла внедрен в практику расчетов на Казанском ОКБ "Союз". Апробация указанного программного комплекса, проведенная расчетом тестовых задач и расчетом температурных полей узлов, разрабатываемых энергетических установок, показала хорошее согласование с экспериментальными данными. Имеется акт о внедрении.
Личный вклад автора р работу.
разработана методика численного решения нелинейных уравнений нестационарной теплопроводности с внутренними источниками (стоками) тепла, нелинейными граничными условиями и подвижной внутренней границей для многосвязных областей сложной геометрической формы в обобщенной криволинейной системе координат с использованием сеток, автоматически настраивающихся на конфигурацию границ области и разнородных материалов;
разработан программный комплекс;
проведено численное исследование температурных полей в узлах и элементах конструкций некоторых реальных энергетических установок.
Апробация работы.
Отдельные разделы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции в Казанском филиале МЭИ (1993), на Международной научно-технической конференшої в КамПИ (1996), на семинарах в ОКБ "Союз" (оформлены в виде научно-технических отчетов).
Публикации.
По теме диссертации имеется 3 печатные работы и 2 научно-технических отчета (ДСП).
Структура п объем работы.
Работа состоит из введения, четырех глав и списка использованной литературы. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 12 таблиц, 1 страницу приложения. Список литературы включает 145 наименовании.