The paper gives recommendations on the creation of numerical models of the working process in axial turbines. The recommendations are based on the comparison between the flow structure and the model parameters: the 3D-mesh parameters and turbulence models. The recommendations make it possible to improve the efficiency of gas-dynamic design and development of aviation uncooled turbines

Baturin, O.V.

Matveev, V.N.

Novikova, Yu.D.

Popov, G.M.

Батурин, О.В.

Матвеев, В.Н.

Новикова, Ю.Д.

Попов, Г.М.

Russian

Samara University

156 УДК 62-135, 004.942 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНЕЧНО-ОБЪЁМНОЙ СЕТКИ НА МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ОСЕВЫХ ТУРБИНАХ ©2018  Г.М. Попов, В.Н. Матвеев, О.В. Батурин, Ю.Д. Новикова Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва  ESTIMATION OF THE EFFECT OF FINITE-VOLUME MESH PARAMETERS  ON THE SIMULATION OF THE WORKING PROCESS OF AXIAL TURBINES Popov G.M., Matveev V.N., Baturin O.V., NovikovaYu.D. (Samara National Research University, Samara, Russian Federation)  The paper gives recommendations on the creation of numerical models of the working process in axial turbines. The recommendations are based on the comparison between the flow structure and the model parameters: the 3D-mesh parameters and turbulence models. The recommendations make it possible to improve the efficiency of gas-dynamic design and development of aviation uncooled turbines. CFD-модели рабочего процесса турбин широко используются многими исследовате-лями при проектировании, доводке и опти-мизации турбин. К CFD-моделям турбин предъявляются определённые требования. С одной стороны, они должны точно описы-вать физические процессы, происходящие в турбинах и позволять предсказывать инте-гральные характеристики турбин. С другой стороны, численные модели должны иметь минимальное расчётное время [1, 2]. Осо-бенно, если эти модели используются в про-цессе проектирования и оптимизации тур-бин, где может потребоваться большое ко-личество вычислений и обращений к мате-матической модели [3]. Для решения задачи выбора парамет-ров численной модели был разработан ме-тод, основанный на сопоставлении структу-ры потока в турбинах (рис.  1)  и параметров численной модели: параметров сетки и мо-дели турбулентности. В частности, на моделирование течения в межлопаточном канале, а также вычисле-ние профильных потерь на среднем диаметре турбин преобладающее влияние оказывают параметры двухмерной сетки межлопаточно-го канала. В то время как на моделирование течения в области торцевых стенок (в облас-ти вторичных течений) и на расчёт вторич-ных потерь влияние оказывают параметры распределения элементов по высоте проточ-ной части). Указанная декомпозиция пара-метров численной модели, элементов струк-туры потока и потерь позволяет выполнять исследования по подбору параметров чис-ленной модели на основе физического пред-ставления о течении в межлопаточном кана-ле турбине, а не простого изменения пара-метров сетки по всем направлениям.   Рис. 1. Структура потока  в характерных областях течения  В рамках работы с помощью указанно-го метода было выполнено исследование по влиянию параметров CFD-модели на моде-лирование течения в трёх турбинных решёт-ках. Особенностью исследования было то, что для каскадов были известны данные их экспериментального исследования: зависи-мость коэффициента профильных потерь ζпр от изоэнтропической приведённой скорости λ2S (ζпр = f(λ2S) (рис. 2), а также распределе-ние потерь по высоте проточной части,  что 157 позволяло провести детальную валидацию расчётных моделей [4]. В ходе исследований по валидации для каждой из решёток было создано 25 сеточных моделей, каждая из ко-торых была рассчитана с использованием 6-ти моделей турбулентности.   Рис. 2. Сопоставление экспериментальных и расчётных характеристик ζПР = f(λ2S), полученных с использованием базовых сеток и различных моделей турбулентности  Затем подобные исследования по вали-дации численных моделей были проведены для 9-ти неохлаждаемых турбин. Исследова-ния проводились с учётом результатов, по-лученных при исследовании каскадов. В хо-де исследования анализировалось влияние параметров сетки и моделей турбулентности на расчётные интегральные характеристики турбин, такие как пропускная способность и КПД.  Для каждой из турбины было создано не менее 7 расчётных сеток, каждая из кото-рых была посчитана с использованием 3-х моделей турбулентности В ходе расчётов анализировалось не только точность моделирования параметров турбин и решёток, но также время расчёта и эффективность распараллеливания числен-ных моделей. Все результаты, полученные в ходе ис-следования, были обработаны и обобщены с помощью методов математической стати-стики [5], что позволило выработать реко-мендации по созданию как «лёгких», но бы-стрых численных моделей рабочего процесса турбин, которые могут быть использованы на этапе доводки и оптимизации, так и более «тяжёлых»,  но точных моделей турбин,  ко-торые могут быть использованы для деталь-ного изучения особенностей рабочего про-цесса в турбинах ГТД. Библиографический список 1. Kuzmenko, M. L. Multistage axial flow compressor optimization using 3D CFD code / M. L. Kuzmenko, I. N. Egorov, Yu. N. Shmotin, P. V. Chupin, K. S. Fedechkin //Proceedings of the 6th ASMO UK/ISSMO conference on Engi-neering Design Optimization. – 2016. 2.  Kuzmenko,  M.L.  Optimization  Studies  of  the Aircraft High-Bypass ratio Turbo Engine Fan  /  M.  L.  Kuzmenko,  I.  N.  Egorov,  Yu.  N.  Shmotin, G. V. Kretinin, K. S.Fedechkin// Pro-ceedings of the ASME Turbo Expo. – 2010. 3. Marchukov, E.Yu. Multidisciplinary opti-mization of the working process of uncooled axial turbine according to efficiency and strength criteria / E.Yu. Marchukov, I.N. Ego-rov, G.M. Popov, A.V. Salnikov, E.S. Goriach-kin, D.A. Kolmakova// Proceedings of the ASME Turbo Expo. – 2017. – Paper No. GT2017-64843. – p. 1-13. 4. Венедиктов, В.Д. Исследование газоди-намики и разработка способов повышения КПД охлаждаемых турбин авиационных вы-сокотемпературных двигателей [Текст]: ав-тореферат дис. ... докт. техн. наук / Венедик-тов Владимир Дмитриевич. – Москва, 1983. – 32 с. 5. Выгодский, М.Я. Справочник по выс-шей математике / М.Я. Выгодский. - М.: АСТ: Астрель, 2006. - 991 с.       

ESTIMATION ОF THE ЕFFЕСТ ОF FINITE-VOLUME MESH PARAMETERS ON THE SIMULATION OF THE WORKING PROCESS OF AXIAL TURBINES

http://repo.ssau.ru/bitstream/Mezhdunarodnaya-nauchnotehnicheskaya-konferenciya-Problemy-i-perspektivy-razvitiya-dvigatelestroeniya/OCENKA-VLIYaNIYa-PARAMETROV-KONEChNOOBEMNOI-SETKI-NA-MODELIROVANIE-RABOChEGO-PROCESSA-V-OSEVYH-TURBINAH-73130/1/ilovepdf_com-156-157.pdf

ESTIMATION ОF THE ЕFFЕСТ ОF FINITE-VOLUME MESH PARAMETERS ON THE SIMULATION OF THE WORKING PROCESS OF AXIAL TURBINES

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Samara University