Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Национальный аэрокосмический университет им

Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского & ldquo;

Харьковский авиационный институт & rdquo;

Бильчук 47-77-50 д 40-28-97 г.

Константинов Владимир Владимирович

УДК 519.876: 681.322

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ аэродинамической СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ венцом ТУРБОМАШИН

01.05.04 - Системный анализ и теория оптимальных решений

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Харьков 2001Дисертациею темы исследования.

Работа выполнена в Национальном аэрокосмическом университете им. М.Е. Жуковского & ldquo; Харьковский авиационный институт & rdquo; Министерства образования и науки Украины.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Угрюмов Михаил Леонидович, кафедра информатики, факультет & ldquo; Системы управления летательных аппаратов & rdquo; Национальный аэрокосмический университет им. М.Е. Жуковского & ldquo; Харьковский авиационный институт & rdquo; Министерства образования и науки Украины.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Петров Эдуард Георгиевич, заведующий кафедрой системотехники, декан факультета компьютерных наук, Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники Министерства образования и науки Украины;

- кандидат технических наук, доцент Подоляка Оксана Александровна, кафедра информатики, Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет Министерства образования и науки Украины.

Ведущая организация - Национальный технический университет Украины & ldquo; Киевский политехнический институт & rdquo; Министерства образования и науки Украины.

Защита состоится & ldquo; 29 & rdquo; Март 2001 в 14 час. 00 мин.

на заседании диссертационного совета Д 64.062.01 в Национальном аэрокосмическом университете им. М.Е. Жуковского & ldquo; Харьковский авиационный институт & rdquo; Министерства образования и науки Украины по адресу: 61070, г.. Харьков-70, ул. Чкалова, 17 ауд.234.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Национального аэрокосмического университета им. М.Е. Жуковского & ldquo; Харьковский авиационный институт & rdquo; Министерства образования и науки Украины.

Автореферат разослан & ldquo; 22 & rdquo; Февраль 2001

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор _______________ Соколов Ю.М..

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Украина является государством с развитой авиационной промышленностью. Необходимость создания конкурентоспособных на мировых рынках конструкций и усовершенствование существующих авиационных двигателей и энергетических установок выдвигает новые требования к металлоемкости, экономичности и надежности их основных элементов - венцов турбомашин. Сокращение количества степеней при хранении проектных термодинамических параметров турбомашин возможно за счет повышения аэродинамических нагрузок на венце. Создание высоконагруженных венцов турбомашин с низким уровнем потерь в широком диапазоне условий их работы возможно по использованию средств управления отрывом течения.

Авиационный двигатель, энергетическую установку, турбомашин, ее лопаточный венец можно считать сложной технической системой (СТС), поскольку они представляют собой организованную множество структурных элементов: лопаток, корпусных деталей, течения рабочего тела, систем управления отрывом течения и т. Д. - взаимосвязанных между собой для выполнения определенных функций. Поэтому для их создания становится очевидной необходимость использования системного анализа как теории и практики улучшения путем вмешательства в сложные междисциплинарные проблемные ситуации, возникающие при анализе сложных взаимосвязанных процессов различной природы на множестве конфликтующих критериев и целей, включая в себя разработку и использование методов оптимизации и принятия системных решений. Таким образом, научной проблемой с целым комплексом задач, требующих решения, в рассматриваемой области науки и техники является разработка системотехническихисследованиям, проведенным в 1997-1999 гг. в Национальном аэрокосмическом университете им. Н.Е.Жуковського & ldquo; Харьковский авиационный институт & rdquo; на кафедре информатики в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР (Направление 4: Экологически чистая энергетика и технологии ресурсосбережения) по госбюджетной теме: Г303-33 / 97 (ДР № - 0197U012553) & ldquo; Разработка методов проектирования аэродинамических каналов авиационных двигателей и энергетических установок & rdquo ;. Личный вклад автора состоял в разработке комплекса математических методов системного моделирования пристенных течений и наполнения САЭ - системы в целом.

Цель и задачи исследования. Основная цель диссертационного исследования - повышение аэродинамической эффективности турбомашин авиационных двигателей путем рационального профилирования венцов на основе системной структуризации, моделирования трехмерного представления вязкого течения газа в межлопаточной каналах и комплексного использования средств управления отрывом течения в них.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

· сформирован системное изображение объекта исследования;

· построена системная трехмерная математическая модель течения газа;

· разработаны частичные математические модели, методики анализа и расчета пристенных течений;

· проведен анализ и сопоставление результатов модельных расчетов и реальных экспериментов;

· создан обобщенный алгоритм системного моделирования, выделено инфологическую и даталогичну схемы программного обеспечения;

· разработана информационная технология и компьютерная система инженерного анализа трехмерного представления вязкого течения в межлопаточной каналам;

· сформирован сценарий и методику работы конечного пользователя с системой;

· разработана методика параметрического синтеза трехмерного рационального профилирования венцов осевых компрессоров;

· внедрены результаты работы в практику создания венцов турбомашин на предприятиях Государственного комитета промышленной политики Укны.

Объектом исследования в диссертации являются физические процессы в межлопаточной каналах высоконагруженных венцов турбомашин.

Предмет исследования составляют структурирование, моделирование и оптимизация сложных физических процессов в межлопаточной каналах венцов турбомашин.

Методы исследования. Теоретические основы работы базируются на принципах и методах системного анализа и теории принятия решений. Для построения системных физической, математической, алгоритмической моделей трехмерной вязкого течения использовались методы теории математической физики, вычислительной математики. Поиск рационального трехмерного представления венцов турбомашин реализовано путем реконструкции (модификации) венцов с комплексным использованием средств управления отрывом течения методами морфологического анализа и параметрического синтеза системных рациональных решений по критериям аэродинамической эффективности. Для построения инструментальных программных средств использовались принципы теории информационных систем.

Научная новизна полученных результатов:

а) получил дальнейшее развитие системный подход в области прикладного анализа сложного технического процесса - вязкого течения в межлопаточной каналах венцов турбомашин. В результате анализа физического и математического представления рассматриваемого процесса были проведены: системная структуризация объекта исследования; декомпозиция и выбор методов решения поставленных задач, особенность которых состоит в использовании концепции структуризации трехмерной течения, позволяющие обеспечить адекватное реальным физическим процессам системное моделирование в целом кинематики течения, достоверность и точность, сравнимую с точностью физического эксперимента;

б) исходя из системной модели объекта исследования, разработаны частичные математические модели, методики анализа и расчета пристенных течений:

· усовершенствованная математическая модель трехмерной турбулентной пристенной течения в приближении смежного слоя применительно к устройствам с подвижной торцевой поверхностью отрезформационных технологии интерактивного моделирования и инженерного анализа вязкого течения, на базе известных принципов системного подхода, отличающегося от известных

· системной структуризацией сложного трехмерного представления физического процесса в межлопаточной каналах венцов турбомашин;

· возможностью генерировать варианты, анализировать и сравнивать альтернативные структуры рассматриваемого объекта исследования.

Сформирован сценарий и методику работы конечного пользователя с САЭ-системой;

д) для конкретных технических объектов - венцов осевых компрессоров - получены оригинальные результаты расчетных исследований новых эффектов в трехмерной структуре течения, связанных с комплексным использованием средств управления отрывом течения, на основе которых показано, что альтернативой средствам побочного управления является непосредственное пассивное управление отрывом течения в форме установленных на торцевые поверхности, вблизи входных кромок лопаток генераторов единичных продольных вихрей.

Гипотезы и допущения введены на основе анализа многочисленных целенаправленных экспериментальных исследований физических процессов в межлопаточной каналах венцов турбомашин. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

· использованием фундаментальных общепринятых законов и результатов классических теоретических исследований при построении системных моделей и методов;

· результатами, полученными при проведении расчетных исследований разработанными методиками, алгоритмами и всем комплексом программных средств;

· удовлетворительным с точки зрения практики, соотношением результатов модельных расчетов и реальных экспериментов, а также с решениями ряда тестовых задач.

В совокупности предложенные системные методы и модели позволяют научно-обоснованно проводить структурирование и декомпозицию физических процессов в межлопаточной каналам, совершенствовать имитационное моделирование рассматриваемой СТС и дополняют научные знания в области анализа вязкого течения, возможностей испистання средств управления отрывом течения для разработки инженерных системотехнических основ оптимизации физических процессов в межлопаточной каналах высоконагруженных венцов турбомашин.

Практическое значение полученных результатов. Выполнена диссертационная работа методично совершенствует практику создания турбомашин, дает оригинальную САЭ - технологию анализа и оптимизации физических процессов в межлопаточной каналах венцов осевых компрессоров с комплексным использованием средств управления отрывом течения. Разработана новая структурная модель направляющего аппарата внутреннего контура вентилятора перспективного авиационного двигателя ДТРД АИ-22, в котором за счет побочного управления отрывом течения достигается частичное снижение потерь.

Научно-технический эффект диссертационного исследования находится в расширении знаний о структуре вязкого течения в виде трехмерного представления процессов в межлопаточной каналах венцов осевых компрессоров при комплексном использовании средств управления отрывом течения. Расчетным путем показано, что альтернативой способам побочного управления является непосредственное пассивное управление отрывом течения в форме установленных на торцевые поверхности вблизи входных кромок лопаток генераторов единичных продольных вихрей.

Экономический эффект диссертационного исследования связано с применением САЭ - технологии анализа и оптимизации физических процессов в межлопаточной каналах венцов осевых компрессоров с комплексным использованием средств управления отрывом течения, позволяет повысить производительность труда за счет организации процесса параллельного выполнения операций, качество проекта ; существенно сократить сроки и материальные затраты на экспериментальное доказательство изделия и охране окружающей среды, то есть повысить конкурентоспособность отечественных турбомашин. Это достигается за счет использования бюджетных алгоритмов, планируемой возможности ведения вычислительного процесса с минимальными техническими затратами. Предложенные постановку, методы решения задач и реализуючий их САЭ - систему следует отнести к высокоэффективным, поскольку время счета одного варианта конструкции венца в этом случае с точностью, сравнимой с точностью физического эксперимента, на порядок ниже, чем с помощью САЕ - систем базовая часть функционального наполнения которых ориентирована на численное решение усредненных по Рейнольдсом уравнений Навье-Стокса.

Социальный эффект диссертационного исследования проявился в улучшении характера и условий труда инженеров-конструкторов, автоматизации рутинных операций создания СТС.

Результаты, полученные в диссертационном исследовании, внедрены в 2000г. В практику создания и доведения венцов осевых компрессоров в Запорожском машиностроительном конструкторском бюро & ldquo; Прогресс & rdquo; им. академика А.Г. Ивченко, что подтверждено актом о внедрении от 15.05.2000 г., в 1999 г.. В учебный процесс в Национальном аэрокосмическом университете им. Н.Е.Жуковського & ldquo; Харьковский авиационный институт & rdquo; в дисциплине & ldquo; Теоретические основы моделирования физических процессов в летательных аппаратах & rdquo ;, что подтверждено актом о внедрении в учебный процесс от 22.05.2000 г..

Личный вклад соискателя. В публикациях, написанных в соавторстве, соискателю относятся: разработка структуры системной математической модели вязкого течения и выбор методов решения базисных задач [3, 6, 10]; частичные математические модели, методы анализа и расчета пристенных течений [1, 2, 7, 8, 10, 11]; разработка обобщенного алгоритма системного моделирования, концептуальных инфологической и даталогичнои схем САЭ - системы [3, 6, 9, 10]; разработка САЭ - технологии анализа и оптимизации физических процессов в межлопаточной каналах венцов осевых компрессоров с комплексным использованием средств управления отрывом течения, включая алгоритмы генерации вариантов конструкции венца и выбора системных рациональных решений [4-6, 10, 11]; результаты расчетных исследований новых эффектов в структуре течения, связанных с взаимодействием пристенных теченийдиссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, выводы, список использованных источников, включающий 81 наименования, 2 таблицы и 2 приложения. Общий объем диссертации 177 страниц текста, в том числе 129 страниц основного текста, также приведены 43 иллюстрации.

Основное содержание работы

Вступление диссертационной работы содержит следующие положения: актуальность темы анализа и оптимизации физических процессов для аэродинамического совершенствования венцов турбомашин; связь работы с научными программами, планами, темами; цель и задачи исследования; объект, предмет и методы исследования; научная новизна полученных результатов; обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций; научное и практическое значение полученных результатов; личный вклад соискателя; информация об апробации и публикации результатов диссертации.

В первом разделе рассматриваются: состояние проблемы создания высоконагруженных венцов турбомашин с низким уровнем потерь в широком диапазоне условий их работы на основе системного подхода и современных информационных технологий; системное представление процесса разработки турбомашины, приоритетные критерии качества проектных решений, вызванные условиями функционирования технологические требования к конструкции турбомашины как элемента авиационного двигателя или энергетической установки; подходы к описанию и численные методы моделирования физических процессов в межлопаточной каналах венцов турбомашин; постановка задачи исследования.

Этапы внутренней организации процесса разработки турбомашины и САЕ - системы для совершенствования ее венцов в форме блок-схемы представлены на рис. 1.

Основной научной задачей данного исследования является разработка системотехнических основ анализа и оптимизации физических процессов в межлопаточной каналах высоконагруженных венцов путем их трехмерного рационального профилирования на базе системных структуризации, декомпозиции, моделирования трехмерной вязкого течения и комплексного использования средств управления отрывом течения - для внедрения впрактику создания и доведения турбомашин.

Решение этой задачи основывается на следующих данных: описание объекта исследования; наличие прототипа, цели реконструкции (модификации) СТС, класса допустимых средств и реализующих их устройств для управления отрывом течения, критериев оптимальности.

Сформулирована задача реконструкции (модификации) венца турбомашины. Будем характеризовать объект, подлежащий реконструкции, различными группами параметров: режимными и проектными П0, задаваемые конструктором; фазовыми переменными или параметрами состояния Ф0, устанавливаемыми в процессе расчетов по заданным замыкающих соотношениях управляющими или регулирующими сменными U0, выбор которых определяется типом задачи. Вектор П0 находится в некоторой области Dп пространства D, вектор U0 ограничен и находится в некоторой области WD пространства W, математически записывается как П0 В Dп М D; U0 В WD М W.

Рис. 1. Системный анализ процесса разработки турбомашины и САЕ-системы

для усовершенствования ее венцов

Область Dп М D является областью режимов, имеющих физический смысл, а область WD М W - областью допустимых управлений. Вектор Ф0 = Ф0 (П0, U0) ограничен так, обычно Ф0 В [Ф0min, Ф0max].

Задачи реконструкции, как частный случай задач принятия решения, могут быть представлены набором признаков:

{t, Q, K, M, A, G, fin} (1)

где t - постановка задачи (выделение лучшей альтернативы);

Q = (П0, Ф0, U0) - дискретная множество допустимых альтернатив;

К - множество приоритетных критериев оценки степени достижения поставленной цели;

М - множество шкал критериев (шкалы отношений и т.п.)

А - отображение множества допустимых альтернатив Q в множество К их критериальных оценок;

G - система предпочтений, структурированных в виде системы правил формирования вектора U0;

fin - обобщенный критерий качества.

Задача реконструкции (модификации) венца турбомашины математически формулируется следующим образом: нужно выделить такое допустимо управления U0 (Ф0) (U0ОWD), чтопереведет систему с заданного состояния Q0 в другой допустимый В Q таким образом, чтобы при этом обобщенный критерий качества fin принял минимальное значение.

Таким образом, сформулированная задача относится к задачам синтеза оптимального управления U0 (Ф0) с подвижными концами при наличии ограничений на режимные, фазовые и управляющие параметры.

Во втором разделе, посвященном описанию методологии анализа трехмерной вязкого течения в межлопаточной каналах турбомашин, рассмотрены: системная декомпозиция математической модели турбулентной отрывного течения в межлопаточную канале венца турбомашины; иерархическая структура семейства геометрических и газодинамических моделей (ГДМ) различного функционального назначения элементов рассматриваемой СТС; математические методы представления решений подзадач; алгоритмы численного решения подзадач; результаты расчетно-теоретического анализа разработанных методов на основе сопоставления результатов расчетов и экспериментов.

Высокая бережливость алгоритмов - малый объем вычислений - на всех уровнях технологии многочисленных исследований обеспечивается единой основой всех звеньев описываемого ранее цепи численного моделирования физических процессов, суть которого заключается в использовании интегральных соотношений для определения местоположения и интенсивности возмущений в основной течения, вызванных взаимодействием пристенных течений, представленных в математической модели процесса в форме распределенных в пространстве источников-стоков (ДС) массы, импульса и энергии.

Модели, методы построения и алгоритмы численного решения задач первого уровня охватывают типовые течения и объекты, характерные для рассматриваемой СТС (рис. 2). К ним относятся модели:

· трехмерных турбулентных пристенных течений в приближении смежного слоя (3DTBL) регулярного отрыва, вызванного взаимодействием пристенных течений (IIRS)

· основного течения (FLOW) - трехмерной постоянной течения невязкого идеального политропный газа в межлопаточной каналах турбомашин;

Загрузка...

Страницы: 1 2 3