Особенности построения расчетной схемы для моделирования динамики стабилизатора расхода в пакете OpenFOAM

Представлены результаты методического исследования, направленного на тестирование возможностей свободно распространяемого пакета OpenFOAM по построению расчетной схемы для моделирования динамики гидравлических агрегатов с помощью метода контрольного объема и подвижных сеток. Рассмотрены выбор наиболее подходящих технологий динамических скользящих сеток; построение расчетной схемы для сопряженной задачи FSI о взаимодействии подвижного регулирующего элемента (золотника) с течением рабочей жидкости; расчет переходного режима движения золотника для прототипа стабилизатора расхода новой конструкции; анализ нестационарных течений во внутренней полости агрегата; анализ устойчивости и производительности счета. На примере упрощенной осесимметричной модели стабилизатора расхода несжимаемой среды описаны основные этапы подготовки расчетной схемы для моделирования задачи об установлении золотника в положение равновесия под действием гидродинамической силы и силы реакции пружины. Приведены результаты предварительного стационарного расчета при фиксированном золотнике, которые использовались в качестве начального условия. Подробно описаны методы реализации движения сетки, отслеживающей движение золотника и технология скользящих сеток GGI, которая использовалась для моделирования перекрытия отверстия. Приведены результаты расчета переходного режима: поля скоростей и давления, графики обобщенных сил, действующих на золотник, график перемещений золотника от времени. Расчеты показали механизм возникновения нестационарных струйных и вихревых течений в проточной части стабилизатора. Проведенное методическое исследование позволяет сделать вывод о том, что пакет с открытым исходным кодом OpenFOAM в версии extend может быть успешно использован в качестве альтернативы коммерческим пакетам программ вычислительной гидродинамики (CFD), поскольку в нем имеются все необходимые средства для построения расчетных схем с деформируемыми сетками и расчета переходных режимов в агрегатах гидравлической автоматики, имеющих в конструкции подвижные элементы.

численное моделирование, вычислительная гидродинамика, FSI, OpenFOAM, открытое программное обеспечение, стабилизатор расхода

1. Копков Г. А., Кучин А. П., Новиков А. Е., Иванов М. Ю., Реш Г. Ф., Антонов Д. С. Стабилизаторы расхода для синхронизации перемещения исполнительных органов систем летательных аппаратов. Научно-технический юбилейный сборник. КБ химавтоматики: В 3 томах. Под ред. В. С. Рачука. Воронеж: Кварта, 2012. Т.1. , стр. 219-223.

2. Салман М. И., Попов Д. Н. Компьютерное исследование и расчет гидродинамических нагрузок на золотник. Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 10. С. 79-92. DOI: 10.7463/1112.0491484. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/491484.html (дата обращения: 02.01.2017).

3. Широкова К. А., Целищев В. А., Целищев Д. В., Галлямов Ш. Р. Численное моделирование потоков в струйно-золотниковом гидроусилителе. Вестник УГАТУ. 2008. Т.11, №2 (29). С. 55-59.

4. ANSYS Fluent: CFD Simulation: сайт. Режим доступа: http://www.ansys.com/ products/fluids/ansys-fluent (дата обращения: 29.12.2016).

5. ANSYS CFX: Turbomachinery CFD Simulation: сайт. Режим доступа: http://www.ansys.com/products/fluids/ansys-cfx (дата обращения: 29.12.2016).

6. OpenFOAM. Free CFD Software: сайт. Режим доступа: http://openfoam.org/ (дата обращения: 29.12.2016).

7. Регулятор расхода: пат. 2548613 Рос. Федерация: МПК G05D 7/01 (2006.01). Дергачев А. А., Иванов М. Ю., Копков Г. А., Кучин А. П., Новиков А. Е., Реш Г. Ф., Синявин В.Г.; заявитель и патентообладатель: Открытое акционерное общество «Военно-промышленная корпорация «Научно-производственное объединение машиностроения»– № 2014102669/28; заявл. 29.01.14; опубл. 20.04.15, Бюл. № 11.

8. Beaudoin M., Jasak H. Development of a Generalized Grid Interface for Turbomachinery simulations with OpenFOAM. Open Source CFD International Conference 2008, Berlin, Germany.

9. Ferziger J.H., Peric M. Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer, 3rd Ed., 2001. 431 p.

10. OpenFOAM guide. The PIMPLE algorithm in OpenFOAM – OpenFOAMWiki: сайт. Режим доступа: http://openfoamwiki.net/index.php/OpenFOAM_guide/The_PIMPLE_algorithm_ in_OpenFOAM (дата обращения: 29.12.2016).

11. OpenFOAM dynamicFvMesh. C++ Source Code Guide. Режим доступа: http://www.openfoam.com/documentation/cpp-guide/html/a05056.html (дата обращения: 29.12.2016).

12. Gonzlez A.O. Mesh motion alternatives in OpenFOAM. Tech. rep.. Institution of Applied Mechanics at Chalmers Technical University, Gteborg, Sweden, 2009. http://www.tfd.chalmers.se/~hani/kurser/OS_CFD_2009/AndreuOliverGonzalez/ProjectReport_Corrected.pdf (дата обращения: 29.12.2016).

13. Kotsur O., Scheglov G., Leyland P. Verification of Modelling of Fluid-structure Interaction (FSI) Problems Based on Experimental Research of Bluff Body Oscillations in Fluids. 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, 7-12 September 2014, Saint-Petersburg, Russia. Paper ICAS2014-2.6.3-2014_0953.

14. OpenFOAM sixDoFRigidBodyMotion. C++ Source Code Guide. Режим доступа: http://cpp.openfoam.org/v3/a09731.html (дата обращения: 29.12.2016).

15. Jasak H. NUMAP-FOAM Summer School, Zagreb 2-15 Sep 2009 General Grid Interface Theoretical Basis and Implementation. Режим доступа: http://powerlab.fsb.hr/ ped/kturbo/OpenFOAM/SummerSchool2009/lectures/TurboGGI.pdf (дата обращения: 03.01.2017).

16. UniHUB: сайт. Режим доступа: http://www.unicluster.ru/unihub.html (дата обращения: 29.12.2016).