Управление вторичными течениями в крутоизогнутых вращающихся каналах путем оптимизации геометрии внутренней стенки и оребрения торцевых поверхностей

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00094

НазваниеУправление вторичными течениями в крутоизогнутых вращающихся каналах путем оптимизации геометрии внутренней стенки и оребрения торцевых поверхностей

Руководитель Рис Владимир Вольдемарович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова турбулентное течение, конвективный теплообмен, интенсификация, канал, внутренние ребра, кривизна, вращение, численное моделирование, оптимизация, газовая турбина

Код ГРНТИ44.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Совершенствование конвективного охлаждения лопаток газовых турбин опирается на экспериментальные и численные результаты решения задач, охватывающих проблему интенсификации теплообмена в турбулентных течениях в полях массовых сил, обусловленных кривизной и вращением. Проект предусматривает исследование течения и теплообмена во вращающемся U-образном канале с оребренными торцевыми стенками при высоких значениях числа Рейнольдса (10^5). Актуальность задачи с фундаментальной позиции определяется уникальным сочетанием сложных явлений, а с прикладной позиции определяется использованием таких каналов в системах конвективного охлаждения лопаток газовых турбин. Общая задача проекта - для заданной геометрии U-образного канала и режимных параметров, типичных для системы конвективного охлаждения рабочей лопатки, получить оптимальную форму внутренней стенки и подходящую величину угла наклона ребра, при которых гидравлические потери минимальны, а теплоотдача достаточна. Снижения потерь предлагается достичь ликвидацией отрывной зоны за счет деформации внутренней стенки. Увеличение уровня теплоотдачи достигается выбором геометрии оребрения. Научная новизна задачи определяется тем, что проблема интенсификации теплообмена рассматривается для U-образного вращающегося канала с внутренним оребрением всесторонне, а именно, при высоком значении числа Рейнольдса (10^5) предполагается оптимизировать геометрию внутренней стенки, тем самым уменьшить гидравлические потери, и для оптимизированной геометрии найти значения угла наклона ребра, при котором увеличение теплоотдачи будет максимальным, а потеря давления не превзойдет потери в канале с исходной геометрией внутренней стенки. В ходе выполнения проекта намечено решение следующих задач: - для U-образного вращающегося канала с внутренним оребрением определить картины течения и характеристики теплообмена, которые формируются в результате взаимодействия вихревых систем, обусловленных вращением и резким поворотом, с периодическими вихрями, сходящими с концов ребер на прямых участках канала; - для U-образного вращающегося канала, применяя метод математической оптимизации, найти форму внутренней стенки, для которой отсутствует зона глобального отрыва потока и достигается минимальное гидравлическое сопротивление; - для U-образного вращающегося канала с внутренним оребрением методом математической оптимизации найти значение угла наклона внутренних ребер, при котором в канале с оптимизированной внутренней стенкой теплоотдача будет максимальной, а потери не будут превосходить потерь в канале с внутренней стенкой неоптимизированной геометрии. Достоверность решения задач опирается на всесторонне отработанные методики вихреразрешающего численного моделирования и математической оптимизации течения в гладких U-образных каналах. Используемое нами вихреразрешающее численное моделирование опирается на LES-подходы. Течения в исходных вариантах и в оптимизированных вариантах будут моделироваться вихреразрешающими подходами. При решении многовариантных задач оптимизации используются URANS-подходы. Оптимизация геометрии внутренней стенки проводится собственными программными средствами, базирующимися на двухуровневом итеративном процессе, включающем создание базы данных и суррогатной модели. Для создания суррогатной модели используется метод многомерной интерполяции и аппроксимации на основе теории случайных функций.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рис В.В., Галаев С.А., Левченя А.М., Писаревский И.Б. Численное исследование развитого турбулентного течения и теплоотдачи в канале прямоугольного сечения с односторонним внутренним оребрением Теплоэнергетика (год публикации - 2024)

2. Игнатьев И.А., Рис В.В. Численное моделирование турбулентного течения и теплообмена в канале с оребренной стенкой Неделя науки ФизМех: сборник материалов Всероссийской научной конференции, 3-7 апреля 2023 г., с.87-90 (год публикации - 2023)

3. Галаев С.А., Рис В.В, Турбулентное течение и теплоотдача на начальном участке канала прямоугольного сечения с односторонним внутренним оребрением Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: тезисы докладов IX Международной конференции [Электронный ресурс], c. 160-162 (год публикации - 2023)

4. Игнатьев И.А., Галаев С.А., Рис В.В. Периодическое турбулентное течение и теплообмен в канале с ребрами, установленными под углом шестьдесят градусов Сборник материалов Всероссийской научно-техническая конференции, посвященной 80-летнему юбилею института Энергомашиностроения и механики (год публикации - 2024)

5. Левченя А.М., С.А. Галаев С.А., Рис В.В. Влияние числа Прандтля на интенсификацию теплообмена при развитом турбулентном течении в канале с одной оребренной стенкой Инженерно-физический журнал Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси (год публикации - 2025)

6. Рис В.В., Левченя А.М., Галаев С.А., Игнатьев И.А. Влияние вращения на вынужденное турбулентное течение и теплообмен в оребренном П-образном канале ТЕПЛОФИЗИКА И АЭРОМЕХАНИКА (год публикации - 2024)

7. Рис В.В., Галаев С.А., Левченя А.М. Пространственно-периодическое течение и теплообмен в канале прямоугольного сечения с одной оребренной стенкой НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ВЕДОМОСТИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ (год публикации - 2024)
10.18721/JPM

8. Галаев С.А., Левченя А.М., Рис В.В., Смирнов Е.М. Винтовая длиннопериодическая структура ядра турбулентного потока в прямоугольном канале с наклонными ребрами на одной из стенок Журнал технической физики, выпуск 11, том 94, стр. 1799-1808 (год публикации - 2024)
10.61011/JTF.2024.11.59096.221-24

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Решен широкий круг задач о развитом пространственно-периодическом течении и теплообмене в канале прямоугольного сечения с оребренными стенками. В итоге установлено. - Полученные решения носят «универсальный» характер, который определен зависимостью результатов только от геометрии канала, а также от чисел Рейнольдса, Прандтля и парвметра вращения (обратного числу Россби). - Решения можно использовать при оценке и систематизации экспериментальных и расчетных данных, полученных для оребренных каналов различной длины и с различными входными и выходными условиями. - В ламинарном режиме течения оребрение канала оказывается неэффективным. В турбулентном режиме поведение характеристики эффективности оребрения (отношения переданного количества тепла в оребренном канале к количеству тепла, переданному в гладком канале такой же длины) немонотонно, с минимумом при значении числа Рейнольдса, близком к 100000. В турбулентном режиме характеристика эффективности оребрения принимает наибольшие значения при при значении числа Рейнольдса, меньшем 10000. - Установлено, что при значении числа Прандтля порядка единицы влияние ребер на интенсификацию теплоотдачи с увеличением числа Рейнольдса стабилизируется. При значении числа Прандтля много меньшем единицы характеристика эффективности оребрения постоянно растет. При значении числа Прандтля много большем единицы характеристика эффективности оребрения монотонно уменьшается; - Для числа Прандтля, равного 0.7 и 10, кратность увеличения теплоотдачи на гладкой части оребренной стенки составляет от 1.4 до 1.8, для числа Прандтля, равного 0.01 кратность увеличения теплоотдачи лежит в диапазоне от 1 до 2.5. Для канала в целом увеличение теплоотдачи несколько меньшее. - Данные по интенсификации теплоотдачи на оребренной стенке и во всем канале удовлетворительно аппроксимируются линейными зависимостями от логарифма числа Рейнольдса. Получены значения коэффициентов линейных функций для разных значений числа Прандтля. 2. Решена задача о турбулентном течении и теплообмене в неподвижном и вращающемся П-образном канале. - Численное решение успешно валидировано путем сопоставления с данными хорошо документированного эксперимента. - Показано, что структура течения в отдельных сечениях канала под действием вращения претерпевает сильные изменения с тенденцией трансформации в том же направлении, которое было характерно для периодического течения. - Получено, что влияние вращения приводит к существенной перестройке вихревой структуры потока, при которой симметричные парные продольные вихри трансформируются в одиночный продольный вихрь, направление закрутки которого определяется направлением силы Кориолиса и ориентацией ребер относительно оси канала. - Эффекты вращения в П-образном канале вызывают монотонный рост теплоотдачи с ростом параметра вращения, как в отдельных сегментах, так и во всем канале. - Гидравлические потери также растут под влиянием вращения, но не столь сильно, как в периодическом течении. - Эффекты вращения несколько уменьшают теплоотдачу и сильно увеличивают гидравлические потери по сравнению с гладким каналом. 3. Решена задача о турбулентном течении и теплоотдаче в длинном канале прямоугольного сечения с оребренной стенкой. - Получено, что в выбранной конфигурации длинного (60 калибров) оребренного канала ядро статистически стационарного турбулентного течения принимает винтообразную форму. - При всех значениях числа Рейнольдса формирование винтовой структуры можно разделить на четыре фазы, с последующим выходом на пятую фазу полностью развившегося винтообразного течения.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные рпезультаты могут быть использованы на стадии выработки концепции, технического проектирования и создания цифровых двойников охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток высокотемпературных газовых турбин для энергетики и транспорта.