Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора

Данная работа посвящена численному моделированию трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора Rotor 67 с применением открытого программного кода OpenFOAM....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Мелашич, С.В., Кваша, Ю.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2014
Назва видання:	Техническая механика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88487
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора / С.В. Мелашич, Ю.А. Кваша // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 15-22. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-88487
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-884872015-11-17T03:01:48Z Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора Мелашич, С.В. Кваша, Ю.А. Данная работа посвящена численному моделированию трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора Rotor 67 с применением открытого программного кода OpenFOAM. Дана робота присвячена числовому моделюванню трансзвукової турбулентної течії в робочому колесі осьового компресора Rotor 67 з використанням відкритого програмного коду OpenFOAM. The work discusses the numerical simulation of a transonic turbulent flow through impeller of the Rotor 67 axial compressor with the application of the OpenFOAM open programming code. 2014 Article Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора / С.В. Мелашич, Ю.А. Кваша // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 15-22. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88487 533.697:621.51 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Данная работа посвящена численному моделированию трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора Rotor 67 с применением открытого программного кода OpenFOAM.
format	Article
author	Мелашич, С.В. Кваша, Ю.А.
spellingShingle	Мелашич, С.В. Кваша, Ю.А. Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора Техническая механика
author_facet	Мелашич, С.В. Кваша, Ю.А.
author_sort	Мелашич, С.В.
title	Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора
title_short	Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора
title_full	Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора
title_fullStr	Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора
title_full_unstemmed	Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора
title_sort	численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate	2014
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88487
citation_txt	Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора / С.В. Мелашич, Ю.А. Кваша // Техническая механика. — 2014. — № 3. — С. 15-22. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Техническая механика
work_keys_str_mv	AT melašičsv čislennoemodelirovanietranszvukovogoturbulentnogotečeniâvrabočemkoleseosevogokompressora AT kvašaûa čislennoemodelirovanietranszvukovogoturbulentnogotečeniâvrabočemkoleseosevogokompressora
first_indexed	2025-07-06T16:16:52Z
last_indexed	2025-07-06T16:16:52Z
_version_	1836914954503979008
fulltext	15 УДК 533.697:621.51 С.В. МЕЛАШИЧ, Ю.А. КВАША ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСЗВУКОВОГО ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ В РАБОЧЕМ КОЛЕСЕ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА Данная работа посвящена численному моделированию трансзвукового турбулентного течения в ра- бочем колесе осевого компрессора Rotor 67 с применением открытого программного кода OpenFOAM. Рассмотрен вопрос выбора модели турбулентности при численном моделировании трансзвуковых тече- ний. Выполнено сравнительное тестирование моделей турбулентности Спаларта–Аллмараса, стандартной k – ε модели и SST модели Ментера на задаче о моделировании течения в трансзвуковом диффузоре. По результатам исследований предпочтение отдано модели турбулентности Спаларта–Аллмараса. Выполнено численное моделирование течения в плоской диффузорной решетке профилей. Использована многоблоч- ная расчетная сетка О-типа. Полученные в результате зависимости аэродинамических характеристик от скорости потока на входе в решетку удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Показано, что точность аппроксимации передней и задней кромок профиля не влияет на точность расчета аэродинамических характеристик решетки. Выполнено численное моделирование трехмерного трансзву- кового турбулентного течения в рабочем колесе Rotor 67. Геометрическая модель реализована без зазора между лопатками и поверхностью периферии. Для аппроксимации расчетной области использована мно- гоблочная расчетная сетка H-типа. Полученная в результате зависимость степени повышения полного давления от массового расхода газа в рабочем колесе согласуется с экспериментальными данными, а так- же расчетами других авторов. Полученные результаты подтверждают возможность применения открытого кода OpenFOAM к решению задач, связанных с численным моделированием течений в лопаточных венцах осевых компрессоров. Дана робота присвячена числовому моделюванню трансзвукової турбулентної течії в робочому ко- лесі осьового компресора Rotor 67 з використанням відкритого програмного коду OpenFOAM. Розглянуто питання вибору моделі турбулентності при числовому моделюванні трансзвукових течій. Виконано порів- няльне тестування моделей турбулентності Спаларта–Аллмараса, стандартної k – ε моделі і SST моделі Ментера на задачі про моделювання течії в трансзвуковому дифузорі. За результатами досліджень перева- гу віддано моделі турбулентності Спаларта–Аллмараса. Виконано числове моделювання течії у плоскій дифузорній решітці профілів. Використано багатоблочну розрахункову сітку О-типу. Отримані в резуль- таті залежності аеродинамічних характеристик від швидкості потоку на вході у решітку задовільно узго- джуються з експериментальними даними. Показано, що точність аппроксимації передньої і задньої кро- мок профілю не впливає на точність розрахунку аеродинамічних характеристик решітки. Виконано чис- лове моделювання тривимірної трансзвукової турбулентної течії в робочому колесі Rotor 67. Геометрична модель реалізована без зазору між лопатками і поверхнею периферії. Для апроксимації розрахункової області використано багатоблочну розрахункову сітка H-типу. Отримана в результаті залежність ступеня підвищення повного тиску від масової витрати газу в робочому колесі узгоджується з експериментальни- ми даними, а також розрахунками інших авторів. Отримані результати свідчать про можливість застосу- вання відкритого коду OpenFOAM до розв’язання задач, пов’язаних з числовим моделюванням течій у лопаткових вінцях осьових компресорів. The work discusses the numerical simulation of a transonic turbulent flow through impeller of the Rotor 67 axial compressor with the application of the OpenFOAM open programming code. The selection of the turbulence model for the numerical simulation of transonic flows is considered. The Spalart–Allmaras turbulence models, a standard k – ε model and SST Menter turbulence models are comparatively tested solving the problem of the simulation of the flow through transonic diffusor. According to the results, preference is given to the Spalart– Allmaras turbulence model. Numerical simulation of the flow through plane diffuser profile in cascade is done. The multiple-block computational grid of the O-type is used. The resulting dependences of the aerodynamic char- acteristics on the flow velocity through cascade inlet are in satisfactory agreement with the experimental data. It is shown that the accuracy of the approximation of the profile front and rear edges does not affect the accuracy of calculations of the cascade aerodynamic characteristics. The three-dimensional transonic turbulent flow through Rotor 67 impeller is numerically simulated. The geometric model is realized without a gap between the blades and the surface of the periphery. A multiple-block computational grid of the H-type is employed for the approximation of the computational region. The derived dependence of the degree of a total pressure increase on the gas mass flow through impeller is consistent with the experimental data and calculations of other authors. The results con- firm the applicability of the OpenFOAM open code for solving problems related to the numerical simulation of the flow through blade wheels of axial compressors. Введение. Осевые компрессоры находят самое широкое применение во всех базовых отраслях промышленности (металлургии, химической и нефте- химической и др.). В основе экономичного использования осевых компрес- соров лежит газодинамическое совершенство их проточной части. Этап раз-  С.В. Мелашич, Ю.А. Кваша, 2014 Техн. механика. – 2014. – № 3. 16 работки компрессоров имеет большое значение и обычно включает экспери- ментальную проверку и доводку натурных образцов или их моделей. Дли- тельность и стоимость экспериментов, вероятность получения высокого к. п. д. и обеспечения других важных качеств определяются совершенством методов расчёта и проектирования [1]. Появление программных пакетов вычислительной гидрогазодинамики поставило вопрос о возможности использовании таких программ для проек- тирования турбомашин. Численный эксперимент имеет ряд преимуществ. Он дешевле и быстрее натурного, легко повторяем, позволяет изучить отдельные факторы вне взаимосвязи с другими и т. д. Постановка задачи корректного расчета турбулентного течения в про- точной части компрессора непроста. Во-первых, любой численный метод связан с некоторой погрешностью, так как вместо сплошной среды опериру- ет набором элементов конечного размера. Необходимо так разбить расчет- ную область расчётной сеткой, чтобы свести к минимуму влияние этого раз- биения на результаты расчета. Во-вторых, необходимость вводить те или иные эмпирические законы турбулентности, ни один из которых не может быть универсальным, т. е. соответствовать разным законам течения, суще- ствующим в проточной части. Таким образом, требуется выбрать подходя- щую модель турбулентности. Указанные особенности постановки расчета требуют детального изучения возможностей применяемого программного пакета и настройки его для решения выбранного класса задач. Следует отметить, что у существующих коммерческих программных па- кетов, таких как STAR-CD, Fluent, Ansys CFX и других, позволяющих в еди- ной программной оболочке произвести полный набор инженерных расчетов в интересующей области, есть два недостатка. Это высокая стоимость и стро- гие ограничения лицензии, а также закрытый исходный код. В настоящей работе рассматривается процесс численного моделирования трехмерного течения в рабочем колесе осевого компрессора с помощью от- крытых программных средств – кода OpenFOAM для проведения расчетов и анализа полученных данных и платформы SALOME для построения исход- ных моделей и расчетных сеток. В основе кода OpenFOAM лежит набор биб- лиотек, предоставляющих инструменты для решения систем дифференци- альных уравнений в частных производных, что позволяет использовать его как самостоятельный продукт, так и в качестве компонентов разрабатывае- мых пакетов. Несмотря на то, что на сегодняшний день достаточно большое число ра- бот посвящено верификации кода OpenFOAM [2 – 5], публикаций, связанных с его применением в области турбомашин, достаточно мало. Таким образом, целью данной работы является численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора Rotor 67 с применением открытого программного кода OpenFOAM. Течение в трансзвуковом диффузоре. Ввиду описанных во введении сложностей решения задачи расчета турбулентного течения в проточной ча- сти компрессора, рассматривается вопрос о выборе модели турбулентности с целью ее последующего использования при расчетах. Рассмотрены следую- щие модели турбулентности, наиболее часто используемые при численном моделировании течений в турбомашинах. Это стандартная k модель [6], модель Спаларта–Аллмараса [7] и SST k модель Ментера [8]. 17 С целью оценки точности результатов, получаемых с использованием каждой из моделей, при решении задач, связанных с трансзвуковыми турбу- лентными течениями, выполнено численное моделирование течения в трансзвуковом диффузоре Сейбена [9]. Использована расчетная сетка, состо- ящая из 200x260 ячеек со сгущением к твердым границам. Полученное в результате численного моделирования распределение чи- сел Маха в диффузоре для режима «сильного скачка» приведено на рис. 1, а. а) б) в) г) д) Рис. 1 18 Также на рис. 1 представлены профили скоростей, полученные в сечени- ях 8822,* hx (рис. 1, б), 6114,* hx (рис. 1, в), 346,* hx (рис. 1, г), 4937,* hx (рис. 1, д) диффузора с использованием различных моделей турбулентности. Использованы следующие обозначения: h – высота самой узкой части диффузора; yx , – продольная и поперечная координаты относи- тельно направления течения в диффузоре; H – локальная высота сечения; U – продольная компонента скорости газа. Результаты, обозначенные на рис. 1 позициями 1, 2, 3, получены с ис- пользованием модели Спаларта–Аллмараса, SST k модели Ментера и стандартной k модели соответственно. Экспериментальные данные пока- заны маркерами. Из рис. 1 видно, что результаты, полученные с использованием стан- дартной k модели турбулентности, наиболее сильно отличаются от име- ющихся экспериментальных данных. Результаты, полученные с использова- нием модели Спаларта–Аллмараса и SST модели Ментера, более удовлетво- рительно согласуются с экспериментальными данными и незначительно раз- личаются между собой. В дальнейшем будем использовать модель Спаларта– Аллмараса, поскольку в силу своей простоты она требует значительно мень- ших вычислительных затрат. Течение в диффузорной решетке профилей. Дальнейшее исследование пакета проведено с использованием результатов численного моделирования трансзвукового турбулентного течения в диффузорной решетке профилей А. И. Бунимовича № 1 [10] для угла атаки 0°. Для аппроксимации расчетной области использована многоблочная расчетная сетка, близкая к О-типу, что позволило качественно аппроксимировать переднюю и заднюю кромки про- филя решетки (рис. 2). Сгущение сетки в окрестности профиля позволяло в достаточной мере разрешить течение в пограничном слое. Рис. 2 На рис. 3 представлено распределение чисел Маха в окрестности решет- ки, полученное для режима запирания. 19 Рис. 3 На рис. 4 приведены полученные в результате численного моделирова- ния зависимости коэффициента потерь полного давления  и угла поворота потока  от числа Маха на входе в решетку 1M . Численные результаты показаны сплошными линиями, а экспериментальные данные [10] – с помо- щью маркеров. а) б) Рис. 4 20 В работе [11] аналогичные результаты получены с использованием рас- четной сетки Н-типа, которая не позволяет с высокой точностью аппрокси- мировать формы кромок профиля. Сравнивая полученные результаты и ре- зультаты работы [11], можно сделать вывод, что нет необходимости в де- тальной аппроксимации кромок профиля, поскольку это не приводит к по- вышению точности расчета аэродинамических характеристик решетки. Течение в рабочем колесе Rotor 67. Рабочее колесо Rotor 67 представ- ляет собой ротор трансзвукового вентилятора [12]. Проектировочное значе- ние степени повышения полного давления составляет 1,63 при массовом рас- ходе 33,25 кг/с. Проектировочная скорость вращения составляет 16043 обо- ротов в минуту, что соответствует скорости движения концов лопаток 429 м/с. Ротор состоит из 22 лопаток. На рис. 5 представлена геометрическая модель рабочего колеса с рас- четной областью. В рамках данной геометрической модели не учитывалось наличие зазора между лопатками и поверхностью периферии. Аппроксима- ция расчетной области выполнена с помощью многоблочной расчетной сетки Н-типа, которая также приведена на рис. 5. Рис. 5 В качестве граничных условий задавались полное давление на входе в расчетную область, статическое давление на выходе из нее. На границах пе- риодичности области задавались условия периодичности. На всех твердых поверхностях задавались граничные условия прилипания с законом стенки для параметров модели турбулентности [13]. На рис. 6 представлено полученное в результате численного моделиро- вания распределение давления для значения расхода 32,25 кг/с. 21 Рис. 6 В результате проведенных расчетов получена зависимость степени по- вышения полного давления ~ от приведенного расхода m~ , который рассчи- тывается как отношение текущего значения расхода к проектировочному значению (рис. 7). Рис. 7 На рис. 7 сплошной линией показаны полученные результаты. Маркера- ми «» показаны экспериментальные данные [12], а «» – численные резуль- таты работы [14]. Выводы. Данная работа посвящена численному моделированию трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессо- ра Rotor 67 с применением открытого программного кода OpenFOAM. 22 Рассмотрен вопрос выбора модели турбулентности при численном моде- лировании трансзвуковых течений. Выполнено сравнительное тестирование моделей турбулентности Спаларта–Аллмараса, стандартной k – ε модели и SST модели Ментера на задаче о моделировании течения в трансзвуковом диффузоре. По результатам исследований предпочтение отдано модели тур- булентности Спаларта–Аллмараса. Выполнено численное моделирование течения в плоской диффузорной решетке профилей. Использована многоблочная расчетная сетка О-типа. По- лученные в результате зависимости аэродинамических характеристик удо- влетворительно согласуются с экспериментальными данными. Показано, что точность аппроксимации передней и задней кромок профиля не влияет на точность расчета аэродинамических характеристик решетки. Выполнено численное моделирование трехмерного трансзвукового тур- булентного течения в рабочем колесе Rotor 67. Геометрическая модель реа- лизована без зазора между лопатками и поверхностью периферии. Использо- вана многоблочная расчетная сетка H-типа. Полученная в результате зависи- мость степени повышения полного давления от расхода газа в рабочем коле- се согласуется с экспериментальными данными, а также результатами расче- тов других авторов. 1. Иноземцев А. А. Газотурбинные двигатели / А. А. Иноземцев, В. Л. Сандрацкий. – Пермь : ОАО «Авиадвигатель», 2006. – 1202 с. 2. Numerical simulation of natural convection phenomena / S. F. Corzo, S. M. Damián, D. Ramajo, N. M. Nigro // Mecánica Computacional. – 2011. – Vol. 30. – P. 277 – 296. 3. Lin Gao. Numerical Simulation of Turbulent Flow past Airfoils on OpenFOAM / Lin Gao, Jinglei Xu, Ge Gao // Procedia Engineering. – 2012. – Vol. 31. – P. 756 – 761. 4. Numerical Simulation of the Dynamic Stall of a NACA 0012 Airfoil Using DES and Advanced OES/URANS Modelling / G. Martinat, Y. Hoarau, M. Braza, J. Vos, G. Harran // Adv. in Hybrid RANS-LES Modelling. – 2008. – NNFM 97. – P. 271 – 278. 5. Numerical Flow Simulation of Centrifugal Pump in ANSYS and OpenFOAM / M. A. Habib, S. B. Barve, S. P. Shisode, S. U. Shinde // Іnternational Journal of Current Engineering and Technology. – 2014. – Special Issue 3. – P. 98 – 102. 6. Launder B. E. The Numerical Computation of Turbulent Flows / B. E. Launder, D. B. Spalding // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 1974. – Vol. 3. – P. 269 – 289. 7. Spalart P. R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flow / P. R. Spalart, S. R. Allmaras // AIAA Paper. – 1992. – Vol. 12, No 1. – P. 439 – 478. 8. Menter F. R. Two-equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications / F. R. Menter // AIAA Journal. – 1994. – Vol. 32, N 8. – P. 1598 – 1605. 9. Богар Т. Дж. Экспериментальное исследование параметров течения и характерных частот возмущений в сверхзвуковых диффузорах / Т. Дж. Богар, М. Сейбен, Дж. К. Кроутил // Аэрокосмическая техника. – 1984. – Т. 2, № 5. – С. 3 – 14. 10. Бунимович А. И. Аэродинамические характеристики плоских компрессорных решеток при большой дозвуковой скорости / А. И. Бунимович, А. А. Святогоров // Лопаточ. машины и струйн. аппараты. – М. : Машиностроение, 1967. – Вып. 2. – 97 с. 11. Кваша Ю. А. Численное моделирование плоского турбулентного течения газа в компрессорных ре- шётках / Ю. А. Кваша, С. В. Мелашич // Техническая механика. – 2007. – №2. – С. 67 – 73. 12. Laser Anemometer Measurements in a Transonic Axial-Flow Fan Rotor / A. J. Strazisar, J. R. Wood, M. D. Hathaway, K. L. Suder // NASA Technical Paper. – 1989. – N 2879. – 220 p. 13. OpenFoam User Guide [електронний ресурс]. – OpenFOAM Foundation. – Режим доступу: http://www.openfoam.org/docs/user/ 14. Reis A. J. F. Validation of NASA Rotor 67 with OpenFOAM's Transonic Density-Based solver / A. J. F. Reis // Dissertacao para obtencao do Grau de Mestre em Engenharia Mecanica. – Faculdade de Ciencias e Tecnolo- gia e a Universidade Nova de Lisboa : 2013. – 141 p. Институт технической механики Получено 16.09.14 Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 29.09.14 Государственного космического агентства Украины, Днепропетровск

Численное моделирование трансзвукового турбулентного течения в рабочем колесе осевого компрессора

Репозитарії

Схожі ресурси