Введение. Появление и совершенствование ЭВМ привело к интенсив­ному развитию вычислительных методов в технической меха­нике

Появление и совершенствование ЭВМ привело к интенсив­ному развитию вычислительных методов в технической меха­нике. Математи­ческий аппарат численного моделиро­вания раз­личных явлений механики был достаточно давно разра­ботан Эй­лером, Рунге, Адамсом и др., но именно с появлением компью­теров началось ин­тенсивное усовершенствование вычис­литель­ных методов матема­тической физики. Численное моделирование используются для расчета задач теории упруго­сти и пластично­сти, теплопроводно­сти, механики жидкости и газа, теории аку­стики и т. д.

Основ­ным приложением вычисли­тельной газовой динамики (CFD как ее называют за рубежом) и основной платформой ее разви­тия изначально являлась авиаци­онно-космическая отрасль. В на­стоящее время, численное ис­следование потоков газов и жидко­стей все глубже проникает в смежные области: экологию, ав­то­мобилестроение и др. Вычислительные ме­тоды продолжают ин­тенсивно развиваться, хотя основные тен­денции и направле­ния уже выяв­лены и сформированы [7,8].

В настоящее время численные методы расчета газодинамиче­ских течений прочно вошли в практику проектирования лета­тельных аппаратов и двигате­лей для них не только за рубежом, но и в отечественных КБ. Так, на­пример, Пермское КБ «Авиа­двигатель» имеет более, чем десяти­летний опыт работы с ком­мерческим пакетом TascFLOW приме­нительно к моделированию процессов в камерах сгорания. В настоящее время там активно используется универсальный коммерческий пакет СFX. Этот же комплекс применяется в НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) и ОАО «Энергомаш» (г. Санкт-Петербург)[7].

Программы, используемые для решения газодинамических задач, можно условно разделить на специализирован­ные и уни­версальные. Специализированные программы разраба­тываются, как правило, для решения узких прикладных задач. Алгоритмы построения расчетных моделей таких программных средств адап­тированы под конкретные задачи, что позволяет уп­ростить соз­дание расчетной модели и существенно сократить время получе­ния решения без потери его точности. Однако, реше­ние других классов задач с помощью этих программ не воз­можно. Приме­ром такой программы является FlowER, созданная специально для расчета течений в лопаточных машинах.

В универсальных программных комплексах могут быть по­строены расчетные модели любой конфигурации. В этих про­граммах имеется возможность использования большого числа граничных условий, типов и конфигураций конечноэле­ментных сеток. В универсальные комплексы, как правило, зало­жены воз­можности решения уравнений, дополняющие систему Навье – Стокса, что позволяет учитывать такие явления как теп­лопере­дача, многофазные течения, фазный переход, горение, химиче­ские реакции и др. По этой причине универсальные прог­раммы находят широкое применение в различных областях науки и тех­ники. Однако за универсальность приходится платить возрос­шим временем создания и расчета математической мо­дели, а также повышенными требованиями к квалификации и опыту пользова­теля.

В настоящее время больше половины рынка программных комплек­сов, для решения газодинамических задач делят между собой 3 универсальные программы: CFX, StarCD и Fluent Они имеют в основе одинаковые уравнения, сходные методы их ре­шения и во многом явля­ются аналогичными.

В данном учебном пособии будут рассмотрены алгоритмы решения ти­повых гидрогазодинамических задач, встречающихся при проектиро­вании и исследовании рабочих процессов в эле­ментах ГТД, ЖРД и ПД в программном комплексе Fluent, лицен­зию на ис­поль­зование которого СГАУ приобрело в рамках вы­полнения на­ционального обра­зовательного проекта. Представ­ленный мате­риал описывает работу в программах Gambit 2.3.16 и Fluent 6.3.26, являющимися самыми современными модифика­циями на мо­мент написания книги. Работа в ранних версиях программного комплекса мало отличается от описанного в на­стоящем пособии.

К сожалению, объем данного издания не позволяет показать всех возможностей программного комплекса и рассказать обо всех командах. Поэтому информация, приведенная в методиче­ском пособии, лишь показывает основные и наиболее примени­мые команды, исполь­зуемые при решении задач течения жидко­стей и газов.