| English | Polska | Українська | Русский |



Ta strona jest tłumaczony za pomocą tłumaczenia maszynowego. Jeśli chcesz poprawić tłumaczenie, prosimy o kontakt nae-mail. Dziękuje z wyprzedzeniem!

Przedstawienie problemu

Uważam trójwymiarowy przepływ lepkiego ściśliwego gazu przewodzącego ciepło w wielostopniowej turbinie lub sprężarki. Taki przepływ jest opisany przez Reynolds uśrednionych równań Navier-Stokesa (RANS), które obejmują równania ciągłości,trzy kartezjańskie projekcje równania pędu oraz równanie energii. Początkowe równania są przekształcane w korpusu-dopasowane systemu współrzędnych krzywoliniowych, obraca się ze stałą prędkością.

Właściwości płynu roboczego jest modelowana za pomocą jednego z następującym równaniem stanu:
- równania stanu gazu doskonałego,
- dwumianowy równania stanu Tammanna,
- równanie stanu van der Waalsa.
Dla każdego z tych równań specyficzne pojemności cieplne są uważane być stały lub zależny liniowo od temperatury.

Turbulencja jest modelowana przy użyciu rodziny modeli, takich jak k-ω, który obejmuje
- model k-ω standardowe Wilcoxa,
- K-ω BSL model Mentera, w
- K-ω SST model Mentera
. Dla każdego z tych modeli można stosować modyfikacji Wilcoxa dla niskich liczb Reynoldsa.
Aby zapewnić fizycznie realistyczne rozwiązania, ograniczenia realizowalności są stosowane na turbulentnych naprężeń Reynoldsa.

Przejście laminarno-turbulentny jest opisane przez nisko-Reynolds wersja modelu turbulencji k-ω SST i modelu algebraicznego PTM (Production Term Modifier), który zaproponował Langtry. Model przejścia wprowadza limitera produkcji turbulencji, który jest analogiczne do czynnika turbulencji intermitencji.

Obliczeniowych domenyzawiera jeden kanał międzyłopatkowej, które jest uzupełniony o regionach wlotowych i wylotowych szczelin osiowych.

Są następujące warunki brzegowe.
Na wlocie:
- bezwzględne całkowite ciśnienie i temperatura, a kąty przepływu w absolutnym ruchu;
Na wylocie:
- ciśnienie statyczne lub prędkośc osiowa;
Na ściankach:
- stan nieprzepuszczalności i stan wymiany ciepła (adiabaticity, temperatury lub strumienia ciepła).
Na granicach okresowości:
- stan okresowości przepływu;
W granicach mieszającej przepływu między rzędami łopatek:
- uśrednione parametry przepływu w kierunku obwodowym;
W otwory na powierzchniach stałych (łopatkach i południkowych konturów):
- napływający lub wypływający natężenia przepływu czynnika roboczego.

Początkowe warunki są ustawione w przybliżeniu obliczenie przepływu jednowymiarowego w kanale przepływowym.

Z pomocą tej metody można również rozwiązać wiele prostych zadań, takich jak obliczenia przepływu w dwuwymiarowych i trójwymiarowych izolowanych kaskady maszyn przepływowych, modelowanie przepływów izolowanych profili skrzydeł, etc.

Metoda numeryczna

Główne równania różniczkowe są rozwiązywane za pomocą niejawny iteracyjny schematy TVD i ENO typu Godunowśkego. Schematy te jest napisany w dwóch etapach. Na pierwszem z nich, że jest jawnem krokiem, przyrosty zmiennych konserwatywnych są obliczane przy użyciu metody objętości skończonego i dokładnego solwera Riemanna, stosowanych do części konwekcyjnej równań. Pochodne dyfuzyjne są przybliżone przez różnic skończonych. W drugim etapie, który jest niejawnem, iteracyjna procedura, podobna do metody lokalnego Newtona, stosuje się bieżącego kroku czasowego. W rezultacie przyrosty zmiennych konserwatywnych są zdefiniowane dokładniej. Jeśli stosuje się tylko jedno powtórzenie procedury iteracyjnej, algorytm jest równoważnem z znanego schematu Beama-Warminga.
Lokalny krok czasu i uproszczony algorytm multigrid stosowany do przyspieszenia konwergencji. W celu zwiększenia stabilności obliczeń z lokalnym krokem czasowem wydłużenie komórek jest brane pod uwagę.

Zakresie implementacji oprogramowania - CFD solwer

Model matematyczny i metody numeryczna realizowane w pakiet oprogramowania F, który zawiera program shell (preprocesor dla wprowadzania geometricznych i gazodynamicznych danych źródłowych, postprocesor do wizualizacji powstałej geometrii i obliczonej gazodynamicznej informacji) i, w rzeczywistości, gazodynamiczny CFD solwer równań RANS. Zdecydowana większość modułów oprogramowania napisane na język algorytmiczny Fortran-95. Program shell pracuje w systemie operacyjnej Windows lub emulatorze Wine pod Linuksem. CFD solwer może uruchomić dowolny system operacyjny, gdzie możliwe wykonanie modułów oprogramowania kompilatora Intel Fortran.

Galeria wyniki liczbowe

Poniższe wyniki otrzymano przy użyciu CFD solweru pakietu oprogramowania F. Używałem równania RANS i modelu turbulencji k-ω SST Mentera, a dla modelowania przejściowych prądów - nisko-Reynolds wersja modelu turbulencji k-ω SST i modelu algebraicznego PTM Langtry. W większości przypadków używane 3D siatki od 500 tysięcy do 44 milionów komórek w jednym kanale między łopatki. W przekroju stycznym siatki zawarte pomiędzy 7000 do 120 tysięcy komórek. Obliczenia 2D przepływu izolowanych profilów wykonane na sieci z 125 tysięcy do 500 tysięcy komórek. W symulacji chłodzenia filmowego jeden otwór na powierzchni łopatki miał od 6 do 16 komórek.
W większości przypadków odbywa się za pomocą wizualizacji post-procesor, który jest częścią pakietu oprogramowania. Niektóre wyniki wywożone do otwarcia pakietu graficznego wieloplatformowego dla interaktywnej wizualizacji ParaView.
Autor projektu wyraża swoją wdzięczność dla dawnych pracowników Ph.D. Jakowlewa VA, Ph.D. Grizun MN, Derevyanko AI, Kozyrtsa DA itd., które dostarczyły nieocenioną pomoc na badania i przetwarzania danych.


Przepływ wokół izolowanego profilu NACA0012

NACA0012, transonic mode NACA0012, supersonic mode
Przepływ poddźwiękowy Przepływ naddźwiękowy




Przepływ wokół cylindra izolowanego

Przepływ wokół cylindra izolowanego




Przepływ w kaskadzie sprężarki z przepięć do zadławienia ("Schlieren liczbowa" - izolinie gradientu gęstości)

Compressor cascade, mode #1 Compressor cascade, mode #2 Compressor cascade, mode #3 Compressor cascade, mode #4
Compressor cascade, mode #5 Compressor cascade, mode #6 Compressor cascade, mode #7 Compressor cascade, mode #8
Compressor cascade, mode #9 Compressor cascade, mode #10 Compressor cascade, mode #11 Compressor cascade, mode #12
Compressor cascade, mode #13 Compressor cascade, mode #14 Compressor cascade, mode #15 Compressor cascade, mode #16




Przepływ w pobliżu powierzchni korzenia kaskada turbiny Hodsona

Hodson
Eksperyment, H.P.Hodson и R.G.Dominy, 1987 Obliczone linii prądu graniczne
(wizualizacja za pomocą ParaView)




Wirowa ścieżka za kaskady turbiny VKI-1

VKI-1 cascade flow VKI-1 cascade flow
Izolinii fluktuacje entropii Izolinie liczby Macha i fluktuacji wektora prędkości




Oderwany przepływ przez kaskady sprężarki (wizualizacja za pomocą ParaView)

Hub separation Tip separation
Przypadek korzeniowego oderwania Przypadek peryferyjnego oderwania
B - powierzchnia łopatki; T - powierzchnia peryferyjna; H - powierzchnia korzenia; s - punkty siodłowy; f - skupia; n - węzły (z powodu niewystarczającej rozdzielczości siatki, wizualizacja nie wykrywa na powierzchni łopatki skupić, odpowiadający skupić f1)




Przepływ przez kaskady turbiny pod kątem off-projektowania (Obliczone linii prądu graniczne, wizualizacja za pomocą ParaView)

Tip separation Near leading edge
Powierzchnia peryferyjna oraz górną część łopatki Powiększony fragment w pobliżu krawędzi natarcia
s - siodłowy punkty; f - skupia; n - węzły; linia strumienia ("linia quasi-wirowa"), łączący skupia F1 i F2, jest pokazana




Niestała interakcja kierownica-wirnik-kierownica u 1 i 1/2 stopnia turbiny (isolinii fluktuacje entropii)

1 and 1/2 turbine stage



Przepływ przez kaskady turbiny chłodzony

3d blade
3D model geometryczny tarczy z otworami (wizualizacja za pomocą ParaView)


Without film cooling With film cooling
Bez chłodzenia filmowego Z chłodzeniem filmowym
Izolinii liczby Macha


Without film cooling With film cooling
Bez chłodzenia filmowego Z chłodzeniem filmowym
Powiększony fragment w pobliżu krawędzi natarcia


Mass flow rate
Rozprowadzanie przepływu wzdłuż osi turbiny
czerwona linia - obliczanie bez chłodzenia filmowego; niebieska linia - obliczanie z chłodzeniem filmowym




Przepływ przez sprężarkę osiowo-promieniowej

Axi-symetric pressure





Symulacja przejścia laminarno-turbulentnego w kaskady turbiny

Hub separation Tip separation
Przepływ całkowicie turbulentny Przepływ z uwzględnieniem przejścia laminarno-turbulentnego
Izolinii energii kinetycznej turbulencji



skin friction
Współczynnik tarcia na powierzchni łopatki;
czerwona linia - przepływ całkowicie turbulentny; niebieska linia - przepływ z uwzględnieniem przejścia laminarno-turbulentnego



Turbulence kinetic energy rise
Energia kinetyczna turbulencji wzdłuż linii siatki w pobliżu powierzchni ssania łopatki;
czerwona linia - przepływ całkowicie turbulentny; niebieska linia - przepływ z uwzględnieniem przejścia laminarno-turbulentnego;
LE - krawędź natarcia; TE - krawędzi spływu;
lokalne ekstrema za krawędzią spływu odpowiadają przecięcia linii siatki i śladu



Adiabatic Mach number
Adiabatyczne liczba Macha na stronie ssania łopatki w pobliżu fali uderzeniowej;
czerwona linia - przepływ całkowicie turbulentny; niebieska linia - przepływ z uwzględnieniem przejścia laminarno-turbulentnego



Ustawa ścianki po stronie podciśnieniowej kaskadę poddźwiękowej turbiny

Obszar laminarnej warstwy przyściennej Obszar przejściowy warstwy przyściennej Obszar turbulentny warstwy przyściennej
Obszar laminarnej warstwy przyściennej Obszar przejściowy warstwy przyściennej Obszar turbulentny warstwy przyściennej



Wtórna wzorzec przepływu w kaskadzie poddźwiękowych turbiny

Wtórna wzorzec przepływu



Ta strona internetowa wykrywa adres IP dla przeprowadzenia statystyky odwiedzin.