Список выполненных НИОКР

Разработка математических моделей и численное исследование течения газа с учетом горения в форсажной камере сгорания

Отрасли промышленности:
Ключевые слова численное моделирование, ANSYS, авиастроение, авиадвигатель, форсажная камера, форсажная камера сгорания, турбореактивный двигатель с форсажной камерой, моделирование распыла, моделирование горения, моделирование испарения, суперкомпьютерное моделирование
Программное обеспечение ANSYS/CFX
Период проведения 2015 г.

В 2015 году сотрудниками Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ, в тесном контакте с лабораторией «Прикладной математики и механики»  Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого проведены научно-практические исследования для ОКБ им. А. Люльки. Опытно-конструкторское бюро им. А. Люльки – филиал ПАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение», входящего в Объединенную двигателестроительную корпорацию Госкорпорации «Ростех».

Целью проекта стало определение параметров течения газа в форсажной камере сгорания с учетом горения и течения воздуха в подэкранном пространстве турбореактивного двигателя для дальнейшего применения методики в деятельности ОКБ.

В рамках работы были рассмотрены следующие задачи:

  1. Разработка математических моделей и проведение численного моделирования течения газа в форсажной камере и подэкранном пространстве для нефорсированного режима установки.
  2. Разработка математических моделей и проведение численного моделирования процесса распыления топлива через форсунки форсажной камеры с учетом испарения.
  3. Разработка математических моделей и проведение численного моделирования процесса горения в форсажной камере с учетом распыления топлива и течения газа на выходе из смесителя до среза реактивного сопла.

Для решения вышеприведенных задач была разработана расчетная сетка проточной части форсажной камеры и подэкранного пространства состоящая из ~ 77 000 000 ячеек на один расчетный сектор.

Численное моделирование процесса течения газа с учетом горения в форсажной камере

Численное моделирование процесса течения газа с учетом горения в форсажной камере

Численное моделирование, проведенное с помощью оборудования Суперкомпьютерного центра «Политехнический», которое входит в первую тройку суперкомпьютеров России наряду с МГУ им. М.В. Ломоносова и ГНЦ ВНИИЭФ (пиковая суммарная производительность – 1.3 ПФлопс), продемонстрировало значительную эффективность вычислений.

Эффективность параллельных вычислений ANSYS/CFX на СКЦ

Распыл

Испарение

Распыл

Испарение

Горение

Горение

Результаты численного моделирования были валидированы на основе известных данных, имеющихся в распоряжении ОКБ им. Люльки.

Расчетные исследования на основе суперкомпьютерного моделирования показали, что  отклонение от эксперимента рассчитанного значения тяги на нефорсированном режиме составило ~1,5%, на форсированном режиме ~4-5%, что является  достаточно высоким показателем для задач сложной мультифизичной газодинамики.

В результате разработки, длившейся около 6 месяцев, ОКБ им. А. Люльки получило методику моделирования распыла, испарения и горения топлива в форсажной камере турбореактивного двигателя, готовую к применению для осуществления базовых оценочных расчетов при проектировании и моделировании соответствующих агрегатов и процессов. Данный инструмент позволяет существенно сократить сроки разработок ОКБ и повысить их эффективность, в частности за счет снижения итераций стендовых и натурных испытаний.