К вопросам сеточного влияния в методике численного моделирования нестационарных процессов горения

Оценка запасов устойчивости процессов горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей (КС ГТД), основанная на искусственном моделировании возбуждения нестационарных процессов (НП) в КС, в параметрах температура – давление представляет собой актуальную задачу двигателестроения. Все большее количество летательных аппаратов (ЛА) требуют применения двигателей с высокой газодинамической устойчивостью (ГДУ) вплоть до 30 % и более, например при создании силовых установок для самолетов вертикального и укороченного взлета и посадки, экранопланов и др. Применение инструментария вычислительной гидрогазодинамики (англ. CFD – Computational Fluid Dynamics) для расчета горящих течений в КС ГТД в настоящее время является неотъемлемым этапом процесса проектирования, так как проведение численного исследования, в отличие от натурного эксперимента, требует значительно меньших материальных ресурсов, предоставляющих возможности моделирования трудно реализуемых на этапе стендовых испытаний дорогостоящих и небезопасных случаев летной эксплуатации ЛА, таких как пересечение реактивной струи впереди летящего ЛА либо фронта ударной волны (например, при подрыве боеприпаса) перед воздухозаборником воздушно-реактивного двигателя (ВРД), критический боковой ветер при взлете, приводящий к срыву потока на обечайке воздухозаборника, вертикальные порывы и турбулентность атмосферы, полет на больших углах атаки, эволюции ЛА (скольжение и др.). Результаты численного моделирования решающим образом определяются учетом ограничений применяемых моделей и упрощающих предположений для моделируемого течения. Существует множество источников ошибок в любых расчетах с использованием методов вычислительной газовой динамики: аккумулированные ошибки вычислений, чувствительность к размеру сетки, дискретизации, экстраполяции потоков в сеточных интерфейсах используемого солвера (ANSYS.Fluent), ошибки моделей турбулентности, допущения и упрощения, применяемые к конструкции, и т. д. В данной работе рассмотрено сеточное влияние на задачу доказательства случайной природы колебаний газа в КС ГТД, имеющей существенное значение для определения газодинамической устойчивости двигателя в целом.

1. Savchuk A.T., Yakovlev A.A. Method of the numerical modelling of unstationary processes in the combustion chamber of a gas turbine engine [Электронный ресурс] // Journal of Physics Conference Series. 2021. Vol. 1925. ID: 012009. DOI: 10.1088/1742-6596/1925/1/012009 (дата обращения: 25.08.2024).

2. Le Sausse P. CFD comparison with centrifugal compressor measurements on a wide operating range / P. Le Sausse, P. Fabrie, D. Arnou, F. Clunet [Электронный ресурс] // EPJ Web of Conferences, 2013. Vol. 45. ID: 01059. DOI: 10.1051/epjconf/20134501059 (дата обращения: 25.08.2024).

3. Савчук А.Т., Яковлев А.А. Численное моделирование нестационарных процессов камеры сгорания газотурбинного двигателя // XIII Международная конференция по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI'2020): материалы конференции. Алушта, 06–13 сентября 2020 г. М.: МАИ, 2020. С. 101–103.

4. Савчук А.Т., Яковлев А.А. К вопросам численного моделирования нестационарных процессов камеры сгорания газотурбинного двигателя // XXII Международная конференция по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2021): материалы конференции. Алушта, 04–13 сентября 2021 г. М.: МАИ, 2021. С. 624–626.

5. Mangani L., Casartelli E., Mauri S. Assessment of various turbulence models in a high pressure ratio centrifugal compressor with an object oriented CFD code [Электронный ресурс] // Journal of Turbomachinery. 2012. Vol. 134, no. 6. ID: 061033. DOI: 10.1115/1.4006310 (дата обращения: 25.08.2024).

6. Pecnik P., Pieringer P., Sanz W. Numerical investigation of the secondary flow of a transonic turbine stage using various turbulence closures // Proceedings of the ASME Turbo Expo 2005, 2005. Vol. 6. Pp. 1185–1193. DOI: 10.1115/GT2005-68754.

7. Trébinjac I. Effect of unsteadiness on the performance of a transonic centrifugal compressor stage / I. Trébinjac, P. Kulisa, N. Bulot, N. Rochuon [Электронный ресурс] // Journal of Turbomachinery. 2009. Vol. 131, no. 4. ID: 041011. DOI: 10.1115/1.3070575 (дата обращения: 25.08.2024).

8. Ibaraki S. Aerodynamics of a transonic centrifugal compressor impeller / S. Ibaraki, T. Matsuo, H. Kuma, K. Sumida, T. Suita // ASME Turbo Expo 2002: Power for Land, Sea, and Air. 2002. Vol. 5. Pp. 473–480. DOI: 10.1115/gt2002-30374

9. Danilishin A.M. The task of validation of gas-dynamic characteristics of a multistage centrifugal compressor for a natural gas booster compressor station / A.M. Danilishin, Y.V. Kozhukhov, V.V. Neverov, K.G. Malev, Y.R. Mironov [Электронный ресурс] // AIP Conference Proceedings, 2017. Vol. 1876. ID: 020046. DOI: 10.1063/1.4998866 (дата обращения: 25.08.2024).

10. Elfert M. Experimental and numerical verification of an optimization of a fast rotating high-performance radial compressor impeller / M. Elfert, A. Weber, D. Wittrock, A. Peters, C. Voss, E. Nicke [Электронный ресурс] // Journal of Turbomachinery. 2017. Vol. 139, no. 10. ID: 101007 DOI: 10.1115/1.4036357 (дата обращения: 25.08.2024).

11. Zandsalimy M., Ollivier Gooch C.F. Mesh optimization for improved computational fluid dynamics numerical stability and convergence rate [Электронный ресурс] // AIAA Aviation Forum and Ascend 2024. DOI: 10.2514/6.2024-3615 (дата обращения: 25.08.2024).

12. Zandsalimy M., Ollivier-Gooch C. A novel approach to mesh optimization to stabilize unstructured finite volume simulations [Электронный ресурс] // Journal of Computational Physics. 2022. Vol. 453. ID: 110959. DOI: 10.1016/j.jcp.2022.110959 (дата обращения: 25.08.2024).

13. Sharbatdar M., Ollivier Gooch C.F. Eigenanalysis of truncation and discretization error on unstructured meshes [Электронный ресурс] // 21st AIAA Computational Fluid Dynamics Conference, 2013. ID: 3089. 25 p. DOI: 10.2514/6.2013-3089 (дата обращения: 25.08.2024).

14. Chen L. Stability analysis and stabilization of unstructured finite volume method [Электронный ресурс] // A thesis Master of Applied Science. University of British Columbia, 2016. 122 p. DOI: 10.14288/1.0300002 (дата обращения: 25.08.2024).

15. Lee C.-M., Kundu K. Simplified Jet-A kinetic mechanism for combustor application [Электронный ресурс] // NASA Technical Memorandum 105940 AIAA-93-0021, 1993. 13 p. URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19930006315/downloads/19930006315.pdf (дата обращения: 25.08.2024).

16. Пугачев П.В., Свобода Д.Г., Жарковский А.А. Расчет и проектирование лопастных гидромашин. Расчет вязкого течения в лопастных гидромашинах с использованием пакета ANSYS CFX: учеб. пособие. СПб.: СПбПУ, 2016. 120 с.