Розробка, верифікація та аналіз тривимірної CFD-моделІ теплового стану охолоджуваної лопатки газотурбінних двигунів у спряженій постановці

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут технічної теплофізики національної академії наук України

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидат технічних наук

Розробка, верифікація та аналіз тривимірної CFD-моделІ теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій постановці

05.05.16 - Турбомашини та турбоустановки

Юрченко Денис Дмитрович

Київ - 2007

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Газотурбінні двигуни (ГТД) є складними й наукомісткими виробами, у яких найбільш термонапруженим елементом уважається робоча лопатка. Постійне прагнення до підвищення коефіцієнта корисної дії сучасних ГТД обумовлює збільшення температури й тиску на вході в лопатковий апарат, що, у свою чергу, приводить до необхідності більш точного й детального розрахунку температурного поля лопатки. Це важливо для контролю граничних локальних температур і температурних градієнтів, що визначає напружено-деформований стан лопатки, яка часто працює на межі гранично допустимих напружень.

Для розрахунку теплового стану лопаток ГТД існує низка традиційних методик, що ґрунтуються на задаванні граничних умов третього роду на поверхнях теплообміну лопаток, відомих із експериментальних досліджень і представлених у вигляді критеріальних залежностей, проведенні гідравлічного розрахунку охолоджуючого тракту за допомогою експериментально отриманих коефіцієнтів місцевого гідравлічного опору й, нарешті, поділі тіла лопатки на окремі зони, у межах яких для усереднених теплофізичних характеристик і коефіцієнтів теплообміну розраховуються середні температури. При використанні подібних методик тепловий та гідравлічний розрахунки здійснюються окремо. Коефіцієнти теплообміну повинні бути відомі або отримані за допомогою низки спеціальних і дорогих експериментів для конкретної системи охолодження в необхідному діапазоні режимних і геометричних параметрів. Таким чином, унаслідок усереднення температур, коефіцієнтів теплообміну й теплофізичних характеристик у межах окремих зон лопатки традиційні методики не дозволяють визначити з високою точністю локальні перегріви, а також напруження та деформації, що часто є проблемою для інженерів-проектувальників. Це твердження є справедливим навіть при використанні критеріальних залежностей для розрахунку локального теплообміну на поверхні лопатки, оскільки існує проблема визначення точки переходу режиму течії, що може призводити до істотних помилок при розрахунку теплообміну. Більше того, оскільки традиційні методики не дозволяють проводити одночасне урахування особливостей газодинамічних процесів при зовнішньому обтіканні та внутрішньому охолодженні лопатки й теплопровідності в тілі лопатки (спряжені задачі теплообміну), то під час проектування нових виробів існує ризик отримання неправильних рішень.

В останні роки інтенсивно розвиваються так звані CFD- (Computational Fluid Dynamics) методи (методи обчислювальної гідродинаміки), що ґрунтуються на комп'ютерних технологіях, новітніх математичних моделях процесів переносу, а також ефективних і високоточних чисельних алгоритмах. Розроблені CFD-програми дозволяють створювати CFD-моделі, які являють собою фізико-математичне представлення досліджуваного об'єкта та/або процесу, що ґрунтується на чисельному розв'язанні системи рівнянь Нав'є-Стокса, реалізоване, як правило, у середовищі комп'ютерної програми. Такі CFD-моделі розробляються в тому числі і для розрахунку теплового стану лопаток ГТД у спряженій постановці, що передбачає розрахунок теплообміну на границі між рідиною та твердим тілом при граничних умовах четвертого роду (умовах спряження). Теплообмін між рідиною та твердим тілом у спряженій постановці визначається з одночасного розв'язання рівнянь переносу й енергії в області рідини та рівняння теплопровідності в області твердого тіла. Розробка CFD-моделі - це процес комп'ютерного представлення таких складових CFD-моделі, як геометрія досліджуваного об'єкта, розрахункової сітки геометрії досліджуваного об'єкта, граничних умов і фізичних властивостей матеріалів досліджуваного об'єкта, моделі турбулентності, а також параметрів чисельного розв'язання системи рівнянь Нав'є-Стокса. При використанні CFD-технологій з'являється можливість використання повної тривимірної геометричної моделі лопатки без спрощень. При цьому немає необхідності спрощувати фізичні процеси течії і взаємодії газів з тілом лопатки. Поля температур досліджуваної лопатки, а також поля напружень і деформацій, що ґрунтуються на них, можуть розраховуватися в будь-якій кількості локальних точок, необхідній інженеру-проектувальнику.

Таким чином, CFD-моделі теплового стану лопаток ГТД у спряженій постановці позбавлені недоліків, властивих традиційним методикам розрахунку температур окремих зон лопатки, і потенційно мають більш високу точність, а також значно більшу інформативність. Тому обчислювальний експеримент на основі CFD-моделей наближається за своїми якостями до натурного експерименту, а самі моделі часто називають віртуальними стендами. CFD-моделі або віртуальні стенди мають потенційні можливості доповнення або заміни натурних стендів або натурних експериментів для отримання нових даних по теплообміну, зокрема у вигляді критеріальних залежностей, що є досить важливим на практиці. Однак, при застосуванні таких моделей для проектування та оптимізації параметрів важливих деталей и вузлів ГТД ключовим є питання (процедура) перевірки й забезпечення адекватності таких моделей реальним процесам, що відбуваються в деталях і вузлах. Ці процедури називають верифікацією моделі, настройкою або ідентифікацією параметрів моделі. У роботі ідентифікацією вважаємо спосіб вибору такої структури та (або) значень параметрів розробленої CFD-моделі, для яких розрахункові характеристики близькі до характеристик, відомих із натурного експерименту або представлених у літературі. У науковій літературі для перевірки (верифікації) моделі в основному використовують експериментальні дані вимірювань температур, тисків, швидкостей, витрат газів у каналах та ін. на лопатках ГТД, що моделюються. Що робити, якщо таких вимірювань немає, що характерно для етапу проектування деталей і вузлів ГТД? У літературі відповіді немає, тому питання забезпечення адекватності CFD-моделей теплового стану складних виробів за відсутності експериментальних даних вимірювань виробів, що моделюються, є актуальним.

У зв'язку зі сказаним вище, актуальним науковим завданням є розробка тривимірних CFD-моделей теплового стану складних виробів, зокрема, охолоджуваної лопатки ГТД у двосторонній спряженій постановці, як зі сторони газу, так і зі сторони повітря, що охолоджує, а також визначення способу забезпечення адекватності CFD-моделей теплового стану складних об'єктів у спряженій постановці за відсутності експериментальних даних вимірів на об'єктах, що моделюються. Використання CFD-моделей для отримання нових критеріальних залежностей для розрахунку теплообміну складних деталей є також важливим науковим питанням.

Зв'язок роботи с науковими програмами, планами, темами. Основні результати були отримані при виконанні бюджетної теми "Розробка й верифікація тривимірних CFD-моделей теплового стану деталей і вузлів ГТД у спряженій постановці (на прикладі охолоджуваної лопатки)", яка виконувалася в Інституті технічної теплофізики НАНУ. Реєстраційний номер 0105U006592.

Об'єктом дослідження є теплові й гідродинамічні процеси, що відбуваються в робочому газі й повітрі, що охолоджує, тепловий стан охолоджуваної лопатки ГТД АИ-450, а також тепловий стан циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну.

Предметом дослідження є система "робочий газ - тіло лопатки - повітря, що охолоджує", а також система "повітря, що охолоджує циліндричний канал з інтенсифікаторами теплообміну".

Методи дослідження - математичне моделювання з використанням чисельних методів інтегрування вихідних рівнянь (метод контрольного об'єму) і методи верифікації та ідентифікації параметрів моделі з використанням експериментальних даних.

Мета й завдання дослідження.

Метою роботи є розробка CFD-моделей теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД і циліндричного каналу з внутрішніми інтенсифікаторами теплообміну у тривимірній спряженій постановці, розробка методики верифікації та ідентифікації CFD-моделей без застосування експериментальних даних вимірювань на об'єкті, що моделюється, а також отримання критеріальних залежностей на основі обчислювального експерименту.

Для досягнення поставленої мети необхідне розв'язання наступних завдань дослідження:

1. Обґрунтувати вибір методу розрахунку теплового стану лопаток ГТД, що базується на розв'язанні задач теплообміну у спряженій постановці. Показати принципову можливість отримання критеріальних залежностей за допомогою CFD-моделей і обчислювального експерименту.

2. Розробити тривимірну CFD-модель теплового стану робочої охолоджуваної лопатки ГТД АИ-450 Лопатка, що була розроблена й виготовляється на підприємствах ЗМКБ "Прогрес" та ВАТ "Мотор Січ", м. Запоріжжя у двосторонній спряженій постановці.

3. Розробити методику верифікації CFD-моделей теплового стану у спряженій постановці за допомогою даних із теплообміну, наведених у науковій літературі.

4. Провести верифікацію CFD-моделі теплового стану лопатки ГТД із теплообміну в міжлопатковому каналі й каналі охолодження, а також за гідравлічним опором каналу охолодження.

5. Провести детальний аналіз гідродинаміки в каналі охолодження й міжлопатковому каналі лопатки ГТД, а також полів температур і коефіцієнтів теплообміну на її поверхнях.

6. Розробити методику отримання критеріальних залежностей для розрахунку теплообміну за допомогою CFD-моделей теплового стану у спряженій постановці й обчислювального експерименту.

7. Розробити CFD-модель теплового стану циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну у спряженій постановці, який імітує канал охолодження досліджуваної лопатки з метою ідентифікації параметрів цієї моделі й CFD-моделі лопатки ГТД, а також отримання нової критеріальної залежності за допомогою обчислювального експерименту.

8. Використовуючи CFD-модель теплового стану циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну, що імітує тепловий стан реального каналу охолодження лопатки ГТД АИ-450, уточнити критеріальну залежність для розрахунку теплообміну в циліндричному каналі з інтенсифікаторами теплообміну при геометричних параметрах каналу: d/D = 0,82; t/D = 0,71 у діапазоні чисел Re = 450017000 за допомогою обчислювального експерименту.

9. Випробувати отриману критеріальну залежність для розрахунку теплообміну в циліндричному каналі з інтенсифікаторами теплообміну на прикладі каналу охолодження досліджуваної лопатки ГТД.

Достовірність результатів. Достовірність отриманих у роботі результатів забезпечено використанням випробуваних фізичних і математичних моделей трансзвукової течії газів і теплопровідності у твердих тілах, методу контрольного об'єму й детальною верифікацією різних частин розроблених моделей за поданими в науковій літературі та існуючими експериментальними даними, а також застосуванням сучасної комп'ютерної програми STAR-CD, яка має ISO-сертифікат якості та застосовується для моделювання процесів гідродинаміки й теплообміну в охолоджуваних лопатках ГТД.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розвинуто методологію CFD-моделювання теплового стану об'єктів складної форми у спряженій постановці в частині верифікації CFD-моделей за допомогою літературних даних і використання CFD-моделей для отримання нових критеріальних залежностей по теплообміну.

2. Уперше розроблено тривимірну CFD-модель теплового стану робочої охолоджуваної лопатки ГТД АИ-450 у двосторонній спряженій постановці при трансзвуковій течії газу в міжлопатковому каналі й течії повітря в каналі охолодження лопатки з інтенсифікаторами теплообміну.

3. На основі розробленої CFD-моделі вперше отримано поля коефіцієнтів теплообміну на зовнішній і внутрішній поверхнях досліджуваної охолоджуваної лопатки ГТД АИ-450, що дозволили провести верифікацію розробленої CFD-моделі за критеріальними залежностями розрахунку теплообміну, що існують у науковій літературі.

4. Розроблено методику верифікації CFD-моделей теплового стану досліджуваних об'єктів у спряженій постановці, що не потребує експериментальних температурних вимірювань досліджуваного об'єкта, а дозволяє використовувати представлені в науковій літературі критеріальні залежності для розрахунку коефіцієнтів теплообміну. Розроблена методика носить загальний характер і може застосовуватися до будь-яких CFD-моделей у спряженій постановці.

5. Розроблено методику отримання критеріальних залежностей для розрахунку теплообміну за допомогою CFD-моделі у спряженій постановці й обчислювального експерименту.

6. Уточнено критеріальну залежність Nuf = 0,068 Ref0,8 для теплообміну в циліндричному каналі з інтенсифікаторами теплообміну в діапазоні Re = 450017000 з геометричними параметрами d/D = 0,82; t/D = 0,71. Отриману залежність випробувано на прикладі каналу охолодження лопатки ГТД.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена CFD-модель теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД дозволяє розрахувати температурне поле тіла лопатки з високою точністю і тому є основою при проектуванні та оптимізації профілю лопатки, параметрів системи охолодження лопатки ГТД та ін. Розроблено методику верифікації CFD-моделей теплового стану досліджуваних об'єктів у спряженій постановці, що дозволяє використовувати представлені в науковій літературі критеріальні залежності для розрахунку коефіцієнта теплообміну. Розроблено методику отримання критеріальних залежностей для розрахунку теплообміну за допомогою CFD-моделей у спряженій постановці й обчислювального експерименту. Результати цих досліджень застосовуються для розрахунку термонапруженого стану охолоджуваних лопаток ГТД у ЗМКБ "Прогрес", м. Запоріжжя.

Особистий внесок здобувача. У результаті досліджень проведено розробку CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД і циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну у спряженій постановці, чисельна реалізація розроблених моделей у комп'ютерній програмі STAR-CD. Крім того, виконано розрахунок теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД і циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну, верифікація та ідентифікація параметрів розроблених моделей за допомогою представлених у науковій літературі критеріальних залежностей. Запропоновано нову методику й отримано з її застосуванням залежність для визначення коефіцієнта теплообміну в циліндричному каналі з інтенсифікаторами теплообміну за допомогою обчислювального експерименту.

Апробація результатів. Основні результати роботи обговорювалися на семінарі молодих учених "Актуальні питання теплофізики" ІТТФ НАНУ, червень 2003 р., Соколовка, Україна; на науково-технічній нараді ВАТ "Мотор Січ", вересень 2003р., Запоріжжя, Україна; на науково-технічній нараді ЗМКБ "Прогрес", червень 2004р., Запоріжжя, Україна; на Першій науково-практичній конференції молодих учених "Теплоенергетика: моделювання, оптимізація, енергозбереження", листопад 2004 р., Київ, Україна; на IX міжнародному конгресі двигунобудівників, вересень 2005 р., Рибаче, Україна; на IV міжнародній конференції "Проблеми промислової теплотехніки", жовтень 2005 р., Київ, Україна; на науково-технічному семінарі відділу моделювання процесів тепломасообміну ІТТФ НАНУ, квітень 2005 р., Київ, Україна; на науково-технічному семінарі відділу моделювання процесів тепломасообміну ІТТФ НАНУ, березень 2006 р., Київ, Україна.

Публікації. Основні положення й результати роботи викладено в 7 публікаціях у наукових журналах, що входять до переліку видань, визнаних ВАК України, а також у 2 статтях, розміщених у збірниках тез наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаної літератури. Обсяг роботи становить 158 сторінок, 56 ілюстрацій, 5 таблиць. Список використаної літератури містить 76 позицій.

Основний зміст роботи

У першій главі розглянуто проблему розрахунку теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД, обґрунтовано необхідність підвищення точності теплового розрахунку лопатки. У сучасних двигунах через прагнення конструкторів до високого ККД, лопатки працюють на межі жароміцнісних характеристик, тому актуальним завданням є підвищення точності розрахунку поля температур охолоджуваної лопатки ГТД. У розділі описано й проаналізовано традиційні методики й моделі розрахунку теплового стану лопаток ГТД. Зазначено, що для використання цих моделей необхідні коефіцієнти теплообміну на теплообмінних поверхнях конкретної лопатки та її системи охолодження, отримані експериментально в необхідному діапазоні режимних і геометричних параметрів. Крім того, при застосуванні традиційних методик необхідна розбивка тіла лопатки на досить великі зони (області), у межах яких розрахункові характеристики усереднюються, що може призвести до неможливості визначення локальних перегрівів, напружень, деформацій, необхідних для проектувальника. Наведено переваги аналізу теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій постановці, головна з яких полягає у відсутності необхідності задавання коефіцієнтів теплообміну на теплообмінних поверхнях, що, у свою чергу, не вимагає проведення серії дорогих експериментів. Більше того, у результаті розв'язання задачі існує можливість отримати детальний розподіл коефіцієнтів теплообміну на теплообмінних поверхнях і провести за допомогою цього поля верифікацію розробленої CFD-моделі за величиною теплообміну за допомогою бази коефіцієнтів теплообміну, представленої в науковій літературі. Таким чином, розрахунок теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій постановці потенційно дає більш точне й детальне поле температур у порівнянні з традиційними методиками, оскільки тіло лопатки не розбивається на великі зони, в області яких параметри усереднюються, і не задаються усереднені коефіцієнти теплообміну на її поверхнях.

Задача у спряженій постановці дозволяє використовувати повну тривимірну геометричну модель лопатки без істотних спрощень. Крім того, немає необхідності спрощувати фізичні процеси взаємодії газів із тілом лопатки, можна застосовувати модель трансзвукової градієнтної течії стискуваного в'язкого теплопровідного газу. Теплопровідність, напруження та деформації в тілі лопатки враховуються в усіх напрямках і в необхідній кількості локальних точок. Метод розв'язання задач теплообміну у спряженій постановці ґрунтується на методі контрольного об'єму. Таким чином, подібна постановка позбавлена недоліків традиційних методик розрахунку теплового стану лопатки ГТД і може мати вищу точність та інформативність.

Указано на принципову можливість верифікації CFD-моделі теплового стану лопатки ГТД у спряженій постановці по коефіцієнтам теплообміну, представленим у науковій літературі. У наукових статтях, в основному, наведено верифікацію CFD-моделей за допомогою експериментальних даних у вигляді прямих вимірювань температур, швидкостей, тисків, витрат і т. ін. на об'єкті, що моделюється, однак, на наш погляд, верифікація за допомогою представлених у літературі критеріальних залежностей по теплообміну для найбільш близьких за фізичними процесами й геометрією до об'єкта, що моделюється, грає велику роль на стадії проектування виробу, коли немає детальної експериментальної інформації про об'єкт, що моделюється. Ідея подібної верифікації полягає в тому, що після розв'язання задачі у спряженій постановці з'являється можливість отримання коефіцієнтів теплообміну на теплообмінних поверхнях модельованого об'єкта, які можна порівнювати з представленими в науковій літературі. Наведено приклади успішного розв'язання задач розрахунку теплового стану лопаток і вузлів ГТД у спряженій постановці, отриманих різними авторами за допомогою CFD-моделей. У цих роботах зазначено, що застосування моделей турбулентності з алгебраїчними пристінковими функціями неадекватно відображає теплообмін і гідродинаміку на криволінійних поверхнях із відривними течіями, у таких випадках рекомендовано застосовувати двошарові моделі турбулентності або моделі низьких чисел Рейнольдса. Крім того, у главі вказано на можливість отримання критеріальних залежностей типу Nu=cRen за допомогою CFD-моделей у спряженій постановці й обчислювального експерименту, що ґрунтується на широко відомій методиці узагальнення експериментальних даних.

У другій главі описано основні етапи розробки CFD-моделей охолоджуваної лопатки ГТД і циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну. Розглянуто фізичну модель охолоджуваної лопатки ГТД, а також описано граничні умови й фізичні властивості газу й тіла лопатки. На рис. 1,а зображено міжлопатковий канал, який являє собою циклічний сегмент робочого колеса. Лопатка, висота якої становить 14 мм, містить чотири горизонтальні вихідні отвори системи охолодження, а також один радіальний Уздовж усього каналу охолодження знаходяться інтенсифікатори теплообміну. Канал охолодження безперервно змінює площу й форму прохідного перерізу. Середня висота інтенсифікатора становить 0,25 мм, період інтенсифікаторів 2 мм, середній гідравлічний діаметр у каналі охолодження лопатки 2,86 мм. На боковій поверхні міжлопаткового каналу в окружному напрямку діють граничні умови циклічності. Вони задані з метою зменшення області моделювання, тобто моделюється одна з тридцяти чотирьох лопаток робочого колеса зі збереженням фізичної взаємодії між сусідніми лопатками. У міжлопатковому каналі та в каналі охолодження лопатки ГТД застосовувалася модель досконалого стискуваного газу. У міжлопатковому каналі моделювалася трансзвукова течія в'язкого стискуваного теплопровідного газу. На вході в міжлопатковий канал задавалися загальмований тиск і температура, а також кут входу потоку, змінні по висоті каналу, а також постійна початкова інтенсивність турбулентності, що дорівнює 5%. На виході міжлопаткового каналу задавався статичний тиск. В області замкового з'єднання задавалася гранична умова теплообміну III роду, що враховує теплообмін хвостовика лопатки з диском робочого колеса, значення коефіцієнта теплообміну визначалось розв'язанням зворотних задач теплообміну за експериментальними температурами на замку, отриманими від ЗМКБ "Прогрес".

На вході в канал охолодження задавалися тиск і температура. Описано математичну модель, що складається з рівнянь Нав'є-Стокса, енергії та k- моделі турбулентності. Детально описано підходи до моделювання пристінкової області й вимоги, що висуваються до розрахункової сітки при використанні різноманітних підходів до опису пристінкової області в моделях турбулентності (модель низьких, високих чисел Рейнольдса, двошарові моделі, а також гібридна модель). Описано комп'ютерну модель та основні етапи її розробки, зокрема, розрахункової сітки міжлопаткового каналу (рис. 1,а) з числом розрахункових елементів для різних моделей від 0,5 до 3 млн., тіла лопатки з числом розрахункових елементів від 0,2 до 1 млн. (рис. 1,б) і каналу охолодження (рис. 1,в) з числом розрахункових елементів від 0,1 до 1 млн. Особлива увага при розробці розрахункової сітки для задач у спряженій постановці приділялася пристінковій області, у якій необхідно суттєво збільшити щільність розрахункової сітки, щоб забезпечити максимально точний розрахунок полів швидкостей, температур, тисків та ін. в області пограничного шару.

Описано також фізичну, математичну й комп'ютерну моделі циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну, необхідність розробки якої виникла після попередньої верифікації розробленої CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД по теплообміну в каналі охолодження. Модель циліндричного каналу дозволила провести ідентифікацію параметрів розрахункової сітки в області каналу охолодження та моделі турбулентності в CFD-моделі лопатки ГТД, а також отримати критеріальну залежність для розрахунку теплообміну, що працює в новому режимному діапазоні витрат при фіксованих геометричних параметрах каналу. Описано геометрію циліндричного каналу з інтенсифікаторами і граничні умови. CFD-модель циліндричного каналу з інтенсифікаторами була віртуальним стендом, що повторював усі фізичні процеси й геометричні параметри робочої ділянки, описаної в роботі Експериментальними даними, окрім окремо оговорених, уважаються дані, представлені в роботі: Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. Издание второе, переработанное и дополненное. - М.: Машиностроение, 1981. - 205 с.. Циліндричний канал містив початкову ділянку гідродинамічної стабілізації довжиною п'ятдесят діаметрів каналу і ділянку термічної стабілізації довжиною п'ятнадцять діаметрів каналу.

На вході в канал було задано швидкість, температуру й початковий ступінь турбулентності потоку, на виході - граничну умову вільного виходу повітря при тиску 1 атм. В області термічної стабілізації lт. на зовнішній поверхні каналу задавалася гранична умова другого роду q = 2105, Вт/м2. Внутрішній діаметр каналу дорівнює 2,8 мм, довжина ділянки гідродинамічної стабілізації 140 мм, а ділянки термічної стабілізації 42 мм. Товщина стінки циліндричного каналу становила 0,28 мм. Висота інтенсифікатора 0,25 мм, період інтенсифікаторів 2,8 мм. Режимні й геометричні параметри моделі циліндричного каналу обиралися такими, щоб вони входили в область експериментальних досліджень2 і одночасно були максимально близькими до відповідних параметрів у каналі охолодження лопатки ГТД для того, щоб можна було провести верифікацію та ідентифікацію таких параметрів моделі, як щільність розрахункової сітки та модель турбулентності й надалі перенести їх на CFD-модель охолоджуваної лопатки ГТД.

У третій главі проведено верифікацію моделі теплового стану охолоджуваної лопатки, а також верифікацію та ідентифікацію структурних параметрів моделі циліндричного каналу з інтенсифікаторами. Під верифікацією тут розуміється перевірка адекватності розробленої CFD-моделі шляхом зіставлення розрахованих характеристик із відомими з натурного експерименту або представленими в науковій літературі. Було проведено верифікацію моделі охолоджуваної лопатки ГТД по величині коефіцієнта теплообміну вздовж профілю лопатки в середньому за висотою перерізі (рис. 4). Верифікація проводилася окремо як для міжлопаткового каналу, так і для каналу охолодження лопатки.

Характер залежності 2 на значній частині профілю лопатки відповідає характеру залежності 1, отриманої за значеннями загальмованої температури, але значення коефіцієнтів теплообміну при цьому значно вищі, оскільки відносяться до меншої різниці температур. Основна відмінність характеру цих залежностей спостерігається зі сторони коритця в зоні мінімального перерізу міжлопаткового каналу, - на цій ділянці відбувається різке збільшення значень локального коефіцієнта теплообміну, отриманих по локальній термодинамічній температурі. Можна припустити, що це збільшення відповідає переходу ламінарної течії в турбулентну, тому крива 2 характеризує не тільки величину коефіцієнта теплообміну, але й режим течії в локальних точках по обводу профілю. Крім того, варто зазначити, що обом залежностям відповідає та сама локальна температура лопатки й величина локального теплового потоку. Залежність 2 можна отримати тільки за допомогою CFD-моделі, оскільки експериментально отримати значення локальної термодинамічної температури надзвичайно важко. Також проводилося порівняння значення загальної витрати робочого газу в міжлопатковому каналі, отриманого за допомогою розробленої CFD-моделі, з отриманим експериментально в ЗМКБ "Прогрес", відмінність становила 1,3%.

У главі також викладено результати верифікації CFD-моделі теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД по гідравлічному опору каналу охолодження шляхом порівняння зміни тисків по ходу каналу, отриманого за допомогою традиційної методики, що вимагає даних по коефіцієнтам місцевого гідравлічного опору, і розробленої CFD-моделі, що не вимагає таких даних. На рис. 5 представлено зміну тиску вздовж каналу охолодження при обертанні лопатки с частотою 50653 об/хв.

Для такого порівняння в традиційній методиці доводилося використовувати також середні значення температур по ходу каналу, які були взяті з розрахунків CFD-моделі. Відмінність у величині загального перепаду тиску вздовж усього каналу охолодження становила 3,1%, однак локальна зміна тиску в деяких зонах каналу відрізнялася більш суттєво. Особливо чітко це видно в зоні поворотів на 180, для яких в літературі приведено тільки загальний для повороту коефіцієнт місцевого гідравлічного опору, що призвело до різкої зміни тиску, а CFD-модель дала плавну зміну тиску вздовж усього каналу, що відповідає фізиці. Крім того, було проведено верифікацію величини витрати, отриманої за допомогою CFD-моделі охолоджуваної лопатки, з величиною, отриманою експериментально в ЗМКБ "Прогрес" при холодній продувці повітрям. Відмінність становила 1,5%, що також свідчить про адекватність моделі в частині гідравлічного опору каналу охолодження.

У цій главі проведено попередню верифікацію моделі теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД по величині коефіцієнту теплообміну в каналі охолодження. На рис. 6 показано поле коефіцієнтів теплообміну, яке було використано для верифікації моделі. Аналіз показує, що коефіцієнт теплообміну істотно змінюється вздовж каналу охолодження, приймаючи максимальне значення на навітряній поверхні інтенсифікаторів теплообміну.

Однак, якщо спеціально не підтримувати постійну витрату, зі збільшенням обертів лопатки витрата помітно зростає і викликає відповідне збільшення коефіцієнта теплообміну. Коефіцієнт теплообміну у другому ході каналу охолодження для гладкої його поверхні, що межує з третьою петлею і є продовженням увігнутої частини криволінійного каналу, розраховувався по критеріальній залежності для визначення теплообміну на пласкій пластині. Відхилення отриманої величини від отриманої в CFD-моделі становило 6%. Однак для гладкої поверхні, що межує з першим ходом, відхилення склало 71%, що для нас є незадовільним результатом. З цієї причини було проведено додаткову верифікацію CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД по величині коефіцієнта теплообміну в ребристому каналі, однак у літературі не вдалося знайти залежність, що працює в потрібному діапазоні режимних і геометричних параметрів ребристого каналу (d/D = 0,82; t/D = 0,71; Re = 4990). Тому виникла необхідність екстраполювати найближчу до цього випадку залежність представлену в роботі2. Відхилення величини середнього по періоду коефіцієнта теплообміну від величини, отриманої за допомогою CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД, склало 28,9%, що також можна вважати неприйнятним.

У роботі висувається припущення, що ідентифіковані параметри розрахункової сітки й тип моделі турбулентності за допомогою отриманої раніше CFD-моделі циліндричного каналу з інтенсифікаторами й даних, представлених в роботі2, можна перенести на канал охолодження досліджуваної лопатки ГТД, оскільки режимний діапазон перекривається, геометричні параметри й фізика взаємодії потоку повітря зі стінкою, оснащеною інтенсифікаторами теплообміну, також близькі (приєднані вихри, застійні зони, наявність ребер і т. ін.).

При верифікації та забезпеченні адекватності CFD-моделі теплового стану циліндричного каналу з інтенсифікаторами обиралися моделі турбулентності (V2F, k-, SST) і підмоделі пристінкової області (LowRe, Two-layer, Hybrid) і параметри розрахункової сітки. У результаті було відібрано (ідентифіковано) k- модель турбулентності з підмоделлю пристінкової області Hybrid, як таку, що задовільно працює в широкому діапазоні геометричних і режимних параметрів каналу й найменш чутливу до параметрів розрахункової сітки біля стінки. Ідентифікація параметрів розрахункової сітки дозволила визначити мінімально достатні її значення, по товщині пограничного шару 10 елементів, між інтенсифікаторами 24 елементи, а в радіальному напрямку циліндричного каналу 34 елементи.

Таким чином, застосування ідентифікованої k- моделі турбулентності з підмоделлю пристінкової області Hybrid у розробленій CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій постановці забезпечує адекватність цієї моделі процесам, що розглядаються.

У четвертій главі проведено аналіз тривимірних CFD-моделей гідродинаміки й теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД і циліндричного каналу з інтенсифікаторами, який показав якісну кореляцію з даними, приведеними в літературі, що підтверджує адекватність розроблених CFD-моделей.

Проведено аналіз і якісне порівняння з літературними даними течії в каналі охолодження лопатки ГТД і циліндричному каналі з інтенсифікаторами теплообміну. На рис. 10,а представлено лінії струму, отримані при експериментальному дослідженні течії в каналі з інтенсифікаторами теплообміну, а на рис. 10,б представлено лінії струму, отримані за допомогою CFD-моделі циліндричного каналу с інтенсифікаторами теплообміну, які, як видно з рисунку, якісно узгоджуються. При цьому спостерігаються всі типові вихрові структури.

Далі в роботі наведено детальний аналіз полів температур і коефіцієнтів теплообміну робочої охолоджуваної лопатки ГТД, отриманих за допомогою розробленої CFD-моделі. На рис. 11,а представлено поле температур на зовнішній поверхні охолоджуваної лопатки ГТД.

При аналізі видно, що досліджувана лопатка максимально прогрівається в області вхідної кромки, а також в зоні периферійного перерізу, досягаючи температури 900С. Очевидно, що мінімальна температура спостерігається в області входу охолоджуючого повітря і становить 455С. Найбільша різниця температур по товщині лопатки спостерігається в області вхідної кромки по всій висоті лопатки, місцями досягаючи величини 100С. Максимальний градієнт температур спостерігається в кореневому перерізі в області вхідної кромки, оскільки ця область омивається найбільш холодним повітрям зі сторони охолоджуючого каналу, а зі сторони міжлопаткового каналу - розігрітим робочим газом. Отримане поле температур можна використати для розрахунку напружено-деформованого стану лопатки й, відповідно, завершити процес тепломіцнісного проектування лопатки ГТД. Аналізуючи поле коефіцієнтів теплообміну можна зазначити, що максимальне значення коефіцієнт теплообміну досягається в області вхідної кромки, а також у периферійному перерізі лопатки зі сторони коритця, приймаючи значення 5000 Вт/м2К. Мінімальне значення коефіцієнта теплообміну спостерігається зі сторони спинки, в області горла 357 Вт/м2К. Більше того, спостерігається значна нерівномірність поля коефіцієнтів теплообміну на зовнішній поверхні досліджуваної лопатки як уздовж, так і поперек пера лопатки.

Таким чином, можна стверджувати, якщо коефіцієнти теплообміну й температури середовищ, що омивають, на поверхнях теплообміну задані правильно, то й температура лопатки буде розрахована також правильно.

Варто зазначити, що до ідентифікації моделі турбулентності й параметрів розрахункової сітки в каналі охолодження, відхилення в окремих точках лопатки складало до 38С. Тому можна стверджувати, що при розробці CFD-моделі у спряженій постановці необхідно проводити детальну верифікацію, а також, при необхідності, ідентифікацію її параметрів за допомогою експериментальних даних (вимірювання температур на об'єкті, що моделюється) або узагальнених даних із теплообміну, представлених у літературі. Більше того, було проведено аналіз чутливості розробленої CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій постановці до величині коефіцієнта теплообміну в області міжлопаткового каналу. Зміна середнього по обводу профілю коефіцієнта теплообміну на 20% приводить до зміни значень температур в окремих точках середнього перерізу на 4%. Також було проведено аналіз чутливості розробленої CFD-моделі до точності задавання залежності коефіцієнта теплопровідності від температури для тіла лопатки. Зміна коефіцієнта теплопровідності на 10% приводить до зміни температур в окремих точках середнього перерізу лопатки не більше ніж на 0,8%.

У зв'язку з відсутністю необхідної інформації для верифікації розробленої CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій постановці по величині коефіцієнта теплообміну в її каналі охолодження, було запропоновано отримати критеріальну залежність, що працює в необхідному діапазоні режимних і геометричних параметрів за допомогою верифікованої CFD-моделі циліндричного каналу з інтенсифікаторами й обчислювального експерименту. У цій главі представлено результати обчислювального експерименту, отримані за допомогою верифікованої CFD-моделі циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну в режимному діапазоні (Re = 450017000) з геометричними параметрами (d/D = 0,82; t/D = 0,71), що охоплюють відповідні параметри каналу охолодження лопатки ГТД.

Граничні умови обиралися як максимально наближені до існуючих у каналі охолодження досліджуваної лопатки ГТД. Отриману критеріальну залежність було випробувано в каналі охолодження лопатки ГТД, оснащеному інтенсифікаторами теплообміну. Відхилення середнього по періоду ребер коефіцієнта теплообміну склало 11,6%, тоді як екстраполяція найближчих експериментальних даних2, дає значення, що відрізняється на 28,9%.

Таким чином, за допомогою CFD-моделі циліндричного каналу й обчислювального експерименту було уточнено критеріальну залежність, яка дозволяє розраховувати коефіцієнт теплообміну в новому режимному й геометричному діапазоні параметрів з більшою точністю, ніж екстраполяція найближчої існуючої залежності.

Далі в роботі викладено методику верифікації CFD-моделі, ідентифікації її параметрів, а також отримання критеріальних залежностей для розрахунку коефіцієнтів теплообміну за допомогою CFD-моделей у спряженій постановці й обчислювального експерименту.

Ця методика полягає в наступному:

1. Розробляється CFD-модель у спряженій постановці для робочої ділянки, найближчої до досліджуваної, для якої в літературі представлено критеріальні залежності по теплообміну або інші експериментальні дані.

2. Проводиться верифікація і, якщо необхідно, ідентифікація параметрів розробленої CFD-моделі в діапазоні експериментальних даних.

3. Проводиться ряд обчислювальних експериментів у розширеному діапазоні геометричних і режимних параметрів робочої ділянки за умови, що режим течії залишається незмінним.

4. За результатами обчислювального експерименту можна отримати нову критеріальну залежність, яка потенційно може використовуватися для практичних інженерних розрахунків.

У результаті отримуємо нову критеріальну залежність для розрахунку теплообміну, що працює в розширеному діапазоні режимних і геометричних параметрів досліджуваної робочої ділянки, достовірність якої необхідно за будь-якої можливості підтвердити експериментально.

Висновки

1. Проведений огляд сучасних моделей і методів розрахунку теплового стану лопаток ГТД показав, що найбільш перспективним і точним є використання CFD-моделей теплового стану лопаток ГТД у спряженій постановці. Указано на принципову можливість отримання критеріальних залежностей для розрахунку теплообміну за допомогою CFD-моделей теплового стану у спряженій постановці й обчислювального експерименту.

2. Уперше розроблено тривимірну CFD-модель теплового стану робочої охолоджуваної лопатки ГТД АИ-450 при трансзвуковій течії газу в міжлопатковому каналі й течії повітря в ребристому каналі охолодження лопатки у двосторонній спряженій постановці, яка дозволила отримати детальні поля температур, тисків, швидкостей в області розв'язання, а також поля коефіцієнтів теплообміну на теплообмінних поверхнях лопатки.

3. Розроблено методику верифікації CFD-моделей теплового стану досліджуваних об'єктів у спряженій постановці, що не вимагає обов'язкових експериментальних температурних вимірювань в окремих точках досліджуваного об'єкту, а дозволяє використовувати представлені в літературі критеріальні залежності для розрахунку коефіцієнта теплообміну на поверхнях теплообміну. Розроблена методика носить загальний характер і може застосовуватися до будь-яких CFD-моделей у спряженій постановці.

4. Проведено верифікацію моделі теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД по теплообміну в міжлопатковому каналі й гідравлічному опору системи охолодження лопатки, яка показала, що відмінність емпірично отриманих величин коефіцієнтів теплообміну від отриманих за допомогою CFD-моделі не перевищує 17%, а величина гідравлічного опору системи охолодження, розрахована за традиційною методикою, на 3,1% відрізняється від отриманої в CFD-моделі. Значення витрат у каналі охолодження та міжлопатковому каналі порівнювалися з експериментально отриманими в ЗМКБ "Прогрес". Відмінність не перевищувала 1,5%.

5. Проведений якісний аналіз гідродинаміки в каналі охолодження та міжлопатковому каналі лопатки ГТД, отриманий за допомогою розробленої CFD-моделі, показав існування всіх основних вихрових структур і закономірностей при течії газів у моделі охолоджуваної лопатки ГТД і CFD-моделі циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну, що також підтверджує адекватність розроблених моделей.

6. Розроблено нову методику отримання нових критеріальних залежностей за допомогою обчислювального експерименту й уточнено залежність Nuf=0,068Ref0,8, для визначення коефіцієнта теплообміну в циліндричному каналі з інтенсифікаторами теплообміну в новому режимному діапазоні (Re = 450017000) з геометричними параметрами (d/D = 0,82; t/D = 0,71). Отриману критеріальну залежність випробувано в каналі охолодження лопатки ГТД, відмінність коефіцієнта теплообміну, отриманого за допомогою критеріальної залежності, від отриманого в каналі охолодження моделі теплового стану лопатки ГТД, склала 11,6%.

Основні положення дисертації викладено у таких публікаціях

1. Круковский П.Г, Юрченко Д.Д., Полубинский А.С. Тепловая и газодинамическая модель охлаждаемой лопатки ГТД в трехмерной сопряженной постановке.// Промышленная теплотехника. Т. 26. 2004. № 6. С. 125 127. Автором запропоновано фізичну й математичну моделі охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій постановці, а також проведено їх реалізацію в програмі STAR-CD.

2. Круковский П.Г, Юрченко Д.Д., Полубинский А.С., Яцевский В.А., Чепаскина С.М. Верификация трехмерной CFD-модели теплового состояния охлаждаемой лопатки ГТД в сопряжённой постановке.// Промышленная теплотехника. Т. 27. 2005. №1. С. 17 25. Автором було запропоновано методику верифікації CFD-моделей у спряженій постановці на основі наведених у літературі даних із теплообміну, за відсутності прямих експериментальних вимірювань.

3. Юрченко Д.Д., Круковский П.Г., Чепаскина С.М. Трехмерный CFD - анализ гидродинамики и теплообмена в канале охлаждения рабочей лопатки ГТД в сопряженной постановке (Часть 1. Гидродинамика).// Промышленная теплотехника. Т. 27. 2005. №5. C. 17 27. Автором було проведено аналіз гідродинаміки в каналі охолодження досліджуваної лопатки ГТД за допомогою розробленої CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД, а також проведено верифікацію гідравлічного опору каналу охолодження за допомогою традиційної методики розрахунку гідравлічного опору каналів.

4. Круковский П.Г., Юрченко Д.Д., Яцевский В.А. Трехмерный CFD - анализ гидродинамики и теплообмена в канале охлаждения рабочей лопатки ГТД в сопряженной постановке (Часть 2. Теплообмен).// Промышленная теплотехника. Т. 27. 2005. №6. С. 16 26. Автор зробив аналіз теплообміну в каналі охолодження досліджуваної лопатки ГТД за допомогою розробленої CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД і наведених у науковій літературі даних.

5. Круковский П.Г., Юрченко Д.Д., Полубинский А.С., Яцевский В.А., Тепловое состояние охлаждаемой лопатки ГТД в сопряженной постановке (3-D CFD-модель и ее верификация).// Вестник двигателестроения. 2005. №2. С. 106 111. Автором було проведено верифікацію розробленої CFD-моделі охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій постановці по величині коефіцієнта теплообміну в середній лінії лопатки за допомогою даних, наведених у науковій літературі.

6. Круковский П.Г., Юрченко Д. Д., Полубинский А. С., Яцевский В. А Трехмерная CFD - модель теплового состояния охлаждаемой лопатки газотурбинного двигателя в сопряжённой постановке.// Доклады НАН Украины. Серия А. 2006. № 1. С. 88 94. Автором проведено аналіз теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД, а також верифікація розробленої CFD-моделі теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД по величині коефіцієнта теплообміну на її зовнішній поверхні.

7. Юрченко Д.Д., Круковский П.Г. Анализ гидродинамики и теплообмена в канале охлаждения лопатки ГТД на основе трехмерной CFD-модели в сопряженной постановке.// Авиационно-космическая техника и технология. - 2006. №7 (33). - С. 161 166. Автором запропоновано методику отримання критеріальних залежностей за допомогою CFD-моделей у спряженій постановці й обчислювального експерименту, а також за допомогою запропонованої методики отримано критеріальну залежність, придатну в новому діапазоні режимних і геометричних параметрів.

8. Круковский П.Г., Юрченко Д.Д. Сопряженные задачи теплообмена (методы решения, проблемы примеры).// Тезисы докладов IV Международной конференции "Проблемы промышленной теплотехники". - К., 2005. - С. 34 - 35. Автором запропоновано методику розробки та верифікації CFD-моделей у спряженій постановці. Крім того, проведено дослідження впливу підмоделі пристінкової області й щільності розрахункової сітки на теплове поле.

9. Юрченко Д.Д., Круковский П.Г., Полубинский А.С., Яцевский В.А. Тепловое состояние охлаждаемой лопатки ГТД в сопряженной постановке.// Тезисы докладов IV Международной конференции "Проблемы промышленной теплотехники". - К, 2005. - С. 309 - 310. Автором розроблено CFD-модель охолоджуваної лопатки ГТД у спряженій постановці, отримано поле температур досліджуваної лопатки, а також проаналізовано фактори, що найбільше впливають на тепловий стан лопатки.

Анотація

Юрченко Д.Д. "Разработка, верификация и анализ трехмерной cfd-модли теплового состояния охлаждаемой лопатки ГТД в сопряженной постановке". Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.16 Турбомашины и установки. Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2007.

Проведен обзор современных моделей и методов расчета теплового состояния лопаток ГТД, который показал, что наиболее перспективным и точным является использование CFD-моделей теплового состояния лопаток ГТД в сопряженной постановке. Отмечена принципиальная возможность получения критериальных зависимостей для расчета теплообмена с помощью CFD-моделей теплового состояния в сопряженной постановке и вычислительного эксперимента. Разработана трехмерная CFD-модель теплового состояния рабочей охлаждаемой лопатки ГТД АИ-450, при трансзвуковом течении газа в межлопаточном канале и течении воздуха в оребренном канале охлаждения лопатки в двухсторонней сопряженной постановке, которая позволила получить подробные поля температур, давлений, скоростей в области решения, а также поля коэффициентов теплоотдачи на теплообменных поверхностях лопатки. Разработана методика верификации CFD-моделей теплового состояния исследуемых объектов в сопряженной постановке, не требующая обязательного наличия экспериментальных температурных измерений в отдельных точках исследуемого объекта, а позволяющая использовать представленные в литературе критериальные зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи на поверхностях теплообмена. Разработанная методика носит общий характер и применима к любым CFD-моделям в сопряженной постановке. Проведена верификация модели теплового состояния охлаждаемой лопатки ГТД по теплообмену в межлопаточном канале и гидравлическому сопротивлению системы охлаждения лопатки, которая показала, что отличие эмпирически полученных величин коэффициентов теплоотдачи от полученных при помощи CFD-модели не превышает 17%, а величина гидравлического сопротивления системы охлаждения, рассчитанная по традиционной методике, на 3,1% отличается от полученной в CFD-модели. Значения расходов в канале охлаждения и межлопаточном канале сравнивались с экспериментально полученными в ЗМКБ "Прогресс". Отличие не превышало 1,5%. Проведен качественный анализ гидродинамики в канале охлаждения и межлопаточном канале лопатки ГТД, который показал существование всех основных вихревых структур и закономерностей при течении газов в модели охлаждаемой лопатки ГТД и CFD-модели цилиндрического канала с интенсификаторами теплообмена, что также подтверждает адекватность разработанных моделей. Разработана новая методика получения новых критериальных зависимостей с помощью вычислительного эксперимента и уточнена зависимость Nuf=0,068Ref0,8, для определения коэффициента теплоотдачи в цилиндрическом канале с интенсификаторами теплообмена в новом режимном диапазоне (Re = 450017000) с геометрическими параметрами (d/D = 0,82; t/D = 0,71). Полученная критериальная зависимость опробована в канале охлаждения лопатки ГТД, отличие коэффициента теплоотдачи, полученного при помощи критериальной зависимости, от полученного в канале охлаждения модели теплового состояния лопатки ГТД, составило 11,6%.

Ключевые слова: охлаждаемая лопатка, сопряженная постановка, критериальная зависимость, верификация, идентификация, теплообмен, гидродинамика.

газотурбінний теплообмін гідродинаміка

Анотація

Юрченко Д.Д. "Розробка, верифікація та аналіз тривимірної cfd-моделі теплового стану охолоджуваної лопатки ГТД в спряженій постановці". Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.16 Турбомашини та установки. Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2007.

У дисертації обґрунтовано вибір методу розрахунку теплового стану лопаток ГТД, який базується на розв'язанні задач теплообміну в спряженій постановці. Показано принципову можливість одержання критеріальних залежностей за допомогою CFD-моделей і обчислювального експерименту. Розроблено тривимірну CFD-модель теплового стану робочої охолоджуваної лопатки ГТД АИ-450 у двосторонній спряженій постановці. Розроблено методику верифікації CFD-моделей теплового стану у спряженій постановці за допомогою даних по теплообміну, представлених у науковій літературі. Проведено верифікацію CFD-моделі теплового стану лопатки ГТД за теплообміном в міжлопатковому каналі й каналі охолодження, а також гідравлічному опору каналу охолодження. Проведено докладний аналіз гідродинаміки в каналі охолодження та міжлопатковому каналі лопатки ГТД, а також аналіз полів температур і коефіцієнтів теплообміну на її поверхнях. Розроблено методику отримання критеріальних залежностей для розрахунку теплообміну за допомогою CFD-моделей теплового стану в спряженій постановці й обчислювального експерименту. Розроблено CFD-модель теплового стану циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну в спряженій постановці, яка емітує канал охолодження досліджуваної лопатки, з метою ідентифікації параметрів цієї моделі й CFD-моделі лопатки ГТД, а також отримано нову критеріальну залежність за допомогою обчислювального експерименту. Використовуючи CFD-модель теплового стану циліндричного каналу з інтенсифікаторами теплообміну, уточнено критеріальну залежність для розрахунку теплообміну в циліндричному каналі з інтенсифікаторами теплообміну при геометричних параметрах каналу: d/D = 0,82; t/D = 0,71 у діапазоні чисел Re = 450017000 за допомогою обчислювального експерименту. Отриману критеріальну залежність випробувано на прикладі каналу охолодження досліджуваної лопатки ГТД.