Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания
Приведены результаты численного моделирования двухмерного вязкого турбулентного течения рабочего тела в трансзвуковой компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания. Представлен подробный анализ физики течения на рабочей и срывной ветвях характеристики компрессора, проведенный с исполь...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81021 |
| 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 течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания / С.В. Папазов, В.А. Яковлев, С.В. Ершов // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 4. — С. 3-9. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81021 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Папазов, С.В. Яковлев, В.А. Ершов, С.В. 2015-04-30T13:18:44Z 2015-04-30T13:18:44Z 2014 Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания / С.В. Папазов, В.А. Яковлев, С.В. Ершов // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 4. — С. 3-9. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81021 621.165+533.6 Приведены результаты численного моделирования двухмерного вязкого турбулентного течения рабочего тела в трансзвуковой компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания. Представлен подробный анализ физики течения на рабочей и срывной ветвях характеристики компрессора, проведенный с использованием визуализации расчетных данных, которая выполнялась с помощью изолиний чисел Маха и «численного шлирен-метода». Полученные результаты численного моделирования согласуются с известными теоретическими представлениями о сверхзвуковых течениях в компрессорах. Наведено результати чисельного моделювання двовимірної в’язкої турбулентної течії робочого тіла в трансзвуковій компресорній решітці у широкому діапазоні режимів обтікання. Подано докладний аналіз фізики течії на робочій та зривній гілках характеристики компресора, проведений із використанням візуалізації розрахункових даних, яка виконувалась за допомогою ізоліній чисел Маха та «чисельного шлірен-методу». The numerical results are presented for the two-dimension viscous turbulent flow of working medium through the transonic compressor cascade under wide range of flow conditions. The detailed analysis of flow nature for working and stalling branches of the compressor characteristic is presented using computational data visualization with the Mach number contours and “numerical Schliren” approach. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания Numerical simulation of flow in a compressor cascade under wide range of flow conditions Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания |
| spellingShingle |
Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания Папазов, С.В. Яковлев, В.А. Ершов, С.В. Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах |
| title_short |
Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания |
| title_full |
Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания |
| title_fullStr |
Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания |
| title_full_unstemmed |
Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания |
| title_sort |
численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания |
| author |
Папазов, С.В. Яковлев, В.А. Ершов, С.В. |
| author_facet |
Папазов, С.В. Яковлев, В.А. Ершов, С.В. |
| topic |
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах |
| topic_facet |
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы машиностроения |
| publisher |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Numerical simulation of flow in a compressor cascade under wide range of flow conditions |
| description |
Приведены результаты численного моделирования двухмерного вязкого турбулентного течения рабочего тела в трансзвуковой компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания. Представлен подробный анализ физики течения на рабочей и срывной ветвях характеристики компрессора, проведенный с использованием визуализации расчетных данных, которая выполнялась с помощью изолиний чисел Маха и «численного шлирен-метода». Полученные результаты численного моделирования согласуются с известными теоретическими представлениями о сверхзвуковых течениях в компрессорах.
Наведено результати чисельного моделювання двовимірної в’язкої турбулентної течії робочого тіла в трансзвуковій компресорній решітці у широкому діапазоні режимів обтікання. Подано докладний аналіз фізики течії на робочій та зривній гілках характеристики компресора, проведений із використанням візуалізації розрахункових даних, яка виконувалась за допомогою ізоліній чисел Маха та «чисельного шлірен-методу».
The numerical results are presented for the two-dimension viscous turbulent flow of working medium through the transonic compressor cascade under wide range of flow conditions. The detailed analysis of flow nature for working and stalling branches of the compressor characteristic is presented using computational data visualization with the Mach number contours and “numerical Schliren” approach.
|
| issn |
0131-2928 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81021 |
| citation_txt |
Численное моделирование течения в компрессорной решетке в широком диапазоне режимов обтекания / С.В. Папазов, В.А. Яковлев, С.В. Ершов // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 4. — С. 3-9. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT papazovsv čislennoemodelirovanietečeniâvkompressornoirešetkevširokomdiapazonerežimovobtekaniâ AT âkovlevva čislennoemodelirovanietečeniâvkompressornoirešetkevširokomdiapazonerežimovobtekaniâ AT eršovsv čislennoemodelirovanietečeniâvkompressornoirešetkevširokomdiapazonerežimovobtekaniâ AT papazovsv numericalsimulationofflowinacompressorcascadeunderwiderangeofflowconditions AT âkovlevva numericalsimulationofflowinacompressorcascadeunderwiderangeofflowconditions AT eršovsv numericalsimulationofflowinacompressorcascadeunderwiderangeofflowconditions |
| first_indexed |
2025-11-24T16:28:05Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:28:05Z |
| _version_ |
1850485079100358656 |
| fulltext |
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 3
1 С. В. Папазов
2 В. А. Яковлев, канд. техн. наук
2 С. В. Ершов, д-р техн. наук
1 Национальный технический университет
«Харьковский политехнический
институт»,
г. Харьков, e-mail: papazovsv@mail.ru
2 Институт проблем машиностроения
им. А. Н. Подгорного НАН Украины,
г. Харьков,
e-mail: yava@ipmach.kharkov.ua;
yershov@ipmach.kharkov.ua
Ключові слова: осьовий компресор, решітка про-
філів, в’язкий потік, чисельне моделювання, чисе-
льний шлірен-метод.
УДК 621.165+533.6
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕЧЕНИЯ В КОМПРЕССОРНОЙ
РЕШЕТКЕ В ШИРОКОМ
ДИАПАЗОНЕ РЕЖИМОВ
ОБТЕКАНИЯ
Наведено результати чисельного моделювання двовимір-
ної в’язкої турбулентної течії робочого тіла в трансзву-
ковій компресорній решітці у широкому діапазоні режи-
мів обтікання. Подано докладний аналіз фізики течії на
робочій та зривній гілках характеристики компресора,
проведений із використанням візуалізації розрахункових
даних, яка виконувалась за допомогою ізоліній чисел Маха
та «чисельного шлірен-методу».
Введение
Численное моделирование течения вязкого сжимаемого рабочего тела в проточных частях
трансзвуковых осевых компрессоров является сложной задачей вычислительной аэродинамики. Про-
ведение численных исследований необходимо для глубокого понимания газодинамических процес-
сов, которые происходят в проточных частях компрессоров, а также для улучшения их аэродинами-
ческих характеристик.
Для большинства реальных осевых компрессоров существует большой диапазон граничных
условий, для которых можно получить несколько решений, относящихся к рабочей или срывной ха-
рактеристикам. Одними из наиболее сложных для численных исследований являются неустойчивые,
склонные к отрывам течения в современных высоконагруженных компрессорах. Для структуры таких
течений характерны наличие больших положительных градиентов давления, массивных областей от-
рыва потока, интенсивных вторичных течений.
Численные исследования, представленные в настоящей работе, проведены с помощью про-
граммного комплекса F [1], построение которого основано на технологии решателя FlowER и являет-
ся его дальнейшим развитием. В комплексе F выполнена существенная модификация численного ме-
тода, заключающаяся в учете ограничений реализуемости для турбулентных напряжений [2] и в мо-
дификации численной реализации граничных условий на выходе [3] и на твердых границах. Благода-
ря этому стало возможным проведение расчетов течений в компрессорах при больших градиентах
давления, что позволило проводить численное моделирование обтекания лопаточных аппаратов не
только на рабочей, но и на срывной ветвях характеристики.
1. Постановка задачи численного исследования
Объектом исследования является прямая решетка профилей рабочего колеса трансзвукового
компрессора. Геометрические характеристики компрессорной решетки приведены ниже. Задача со-
стоит в проведении численного моделирования и анализе двухмерного вязкого турбулентного тече-
ния в компрессорной решетке профилей в широком диапазоне режимов обтекания.
Основные геометрические характеристики компрессорной решетки
Параметр Значение, м
Шаг решетки 0,06
Хорда лопатки 0,0994
Осевая хорда лопатки 0,0713
© С. В. Папазов, В. А. Яковлев, С. В. Ершов, 2014
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 4
Вид профилей лопаток решетки и расчет-
ная сетка показаны на рис. 1. Для двухмерного
течения рассматривались грубая, промежуточная
и мелкая Н-сетки с размерностями 24 000 ячеек
(100×240), 57 600 (160×360) и 180 000 (300×600)
соответственно. Следует отметить, что размерно-
сти сетки выбирались таким образом, чтобы на
следующем этапе исследований было возможно
проводить расчеты трехмерного течения с исполь-
зованием таких же сеток в тангенциальных сече-
ниях проточной части.
В качестве математической модели для
решения поставленной задачи используется сис-
тема уравнений Навье–Стокса, осредненных по
Рейнольдсу. Моделирование турбулентности
осуществляется с помощью дифференциальной
двухпараметрической модели переноса сдвиговых
напряжений k-ω SST Ментера [4].
Режим обтекания определяется варьиро-
ванием значения осевой скорости на границе вы-
хода расчетной области. На границе входа расчет-
ной области задаются значения полного давления,
статического давления и полной температуры. На
твердых стенках используется условие прилипа-
ния и адиабатичности.
Исходные уравнения решаются численно
неявной ENO схемой второго порядка аппроксимации. Для стационарных режимов использовалась
технология локального шага по времени, для нестационарных – временной шаг выбирался постоян-
ным.
2. Анализ численных результатов
На рис. 2 представлен график зависимости числа Маха на входе расчетной области от осевой
скорости на границе выхода расчетной области. Видно, что при осевой скорости потока на выходе,
Рис. 1. Расчетная сетка в межлопаточном
канале компрессорной решетки профилей
Рис. 2. График зависимости числа Маха на входе от величины осевой
скорости на границе выхода расчетной области
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 5
большей 142 м/с, течение на входе не меняется в силу «запирания» межлопаточного канала.
На рис. 3 представлена «численная шлирен-визуализация» [5] течения в компрессорной ре-
шетке профилей при изменении осевой скорости на выходе. Рабочий режим обтекания соответствует
рис. 3, и. В этом случае поток на входе характеризуется сверхзвуковой скоростью с числом Маха
приблизительно 1,24. Перед входной кромкой наблюдается отсоединенный скачок уплотнения, одна
из ветвей которого в виде внутреннего прямого скачка перегораживает межлопаточный канал и соз-
дает условия для отрыва потока на стороне разрежения соседней лопатки. В окрестности входной
кромки за отсоединенным скачком скорость снижается до дозвуковой. Непосредственно на входной
кромке со стороны разрежения образуются волны разрежения, в которых поток разгоняется до сверх-
звуковой скорости и затем замедляется в слабом присоединенном косом скачке (аналогичная картина
наблюдается на входной кромке и со стороны давления). Далее поток разгоняется вдоль стороны раз-
режения и тормозится во внутреннем почти прямом скачке, перегораживающем межлопаточный ка-
нал. За прямым скачком на стороне разрежения образуется отсоединенный отрыв потока небольшой
интенсивности.
При уменьшении осевой скорости на границе выхода расчетной области отсоединенный ска-
чок уплотнения смещается в направлении входной границы (рис. 3, е), течение становится неустой-
чивым, что характерно для срывной ветви характеристики, и в следе наблюдаются сходящие вихри
(рис. 3, д). При этом область отрыва пограничного слоя на стороне разрежения и толщина следа су-
щественно увеличиваются (рис. 3, г), точка отрыва смещается к входной кромке (рис. 3, в). Затем от-
соединенный скачок приобретает характер λ-скачка (рис. 3, б), а при дальнейшем загромождении ка-
нала отрывом – ослабевает (рис. 3, а), что связано с уменьшением скорости потока на входе (см.
рис. 2).
При увеличении осевой скорости на выходе по сравнению с расчетным режимом обтекания
внутренний прямой скачок смещается по потоку, причем на стороне давления за счет его взаимодей-
ствия с отсоединенным скачком образуется λ-конфигурация (рис. 3, л). Интенсивность отрыва погра-
ничного слоя на стороне разрежения увеличивается по сравнению с расчетным режимом обтекания
(рис. 3, к, л), но не так сильно, как на срывной ветви характеристики.
В области падения отсоединенного скачка на сторону разрежения образуется косой отражен-
ный скачок (рис. 3, м), а внутренний скачок при дальнейшем увеличении скорости потока на выходе
продолжает смещаться вниз по потоку (рис. 3, н). При этом на стороне давления также возникает от-
рыв потока, и на обеих сторонах лопатки скачки приобретают λ-образную форму (рис. 3, л, м, н).
При последующем увеличении осевой скорости на выходе можно наблюдать три ветви λ-
скачка на стороне разрежения выходной кромки (рис. 3, о), вторичные λ-скачки на ветвях λ-скачка на
стороне разрежения выходной кромки (рис. 3, п), предельное положение внутреннего скачка на вы-
ходном срезе решетки и отражение от стороны давления отраженного от стороны разрежения косого
скачка (рис. 3, п), полностью сверхзвуковое (в ядре потока) обтекание компрессорной решетки
(рис. 3, р).
На рис. 3, кроме скачков уплотнения, отрывов, отчетливо видны контактные разрывы, рас-
пространяющиеся вдоль потока от тройных точек λ-скачков, и вязкие кромочные следы.
На рис. 4 в увеличенном масштабе представлена визуализация чисел Маха для режима обте-
кания, при котором осевая скорость на границе выхода составляет 155 м/с.
В потоке наблюдается криволинейный отсоединенный головной скачок с дозвуковой обла-
стью перед входной кромкой. Видны волны разрежения на входной кромке, в которых происходит
разгон потока до сверхзвуковой скорости. Присоединенные скачки уплотнения на входной кромке
трудноразличимы, особенно на стороне давления.
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 6
а) б) в) г)
д) е) ж) з)
и) к) л) м)
н) о) п) р)
Рис. 3. Визуализация течения в решетке компрессора
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 7
Во внутреннем скачке уплотнения 2, конфигурация которого имеет сложную криволинейную
форму, можно выделить 4 области:
– область 2а – в этой области скачок уплотнения близок к прямому;
– область 2б – в этой области скачок уплотнения по своему характеру скорее косой, и за ним наблю-
дается небольшая сверхзвуковая скорость;
– область 2в – участок прямого скачка уплотнения, за которым поток тормозится до дозвуковой
скорости;
– область 2г – косой скачок, представляющий собой одну из ветвей λ-конфигурации.
Области отсоединенного отрыва на стороне разрежения и кромочного следа отчетливо разли-
чимы, но при этом отрыв на стороне давления не выявляется.
Рис. 4. Режим обтекания при осевой скорости на выходе 155 м/с. Изолинии чисел Маха:
1 – головной отсоединенный скачок уплотнения; 2 – скачок уплотнения со
сложной криволинейной структурой; 3 – область отрыва пограничного слоя
Рис. 5. «Численная шлирен-визуализация» течения
(режим обтекания при осевой скорости на выходе 155 м/с):
1 – головной отсоединенный скачок уплотнения; 2 – внутренний канальный
скачок уплотнения; 3 и 4 (4') – присоединенные скачки уплотнения на сторонах
разрежения и давления входной кромки; 5 – контактный разрыв; 6 – λ-скачок
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 8
а) б) в)
г) д) е)
Рис. 6 – Влияние сеточного разрешения на результаты
численного моделирования течения в компрессорной решетке:
а), б), в) – изолинии числа Маха; г), д), е) – изолинии градиента плотности; а), г) – сеточное разрешение
100×240; б), д) – сеточное разрешение 160×360; в), е) – сеточное разрешение 300×600
АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 4 9
На рис. 5 представлена «численная шлирен-визуализация» этого же течения. По сравнению с
визуализацией изолиниями чисел Маха в данном случае можно увидеть некоторые дополнительные
особенности, характерные для данного режима обтекания. В частности, наблюдаются контактные
разрывы, распространяющиеся от тройных точек внутреннего канального скачка, и присоединенный
отрыв на стороне давления за областью взаимодействия внутреннего канального скачка с погранич-
ным слоем.
Присоединенные скачки на входной кромке не только четко видны, но и можно проследить
взаимодействие внутреннего присоединенного скачка с внутренним канальным.
Приведенные выше результаты получены на мелкой сетке. Также было выполнено исследо-
вание влияния сеточного разрешения на численное решение. На рис. 6 показаны изолинии числа Ма-
ха (рис. 6, а–в) и градиента плотности (рис. 6, г–е) для трех рассмотренных сеток на рабочем режиме
обтекания компрессорной решетки (осевая скорость на выходе 142,5 м/с). Изолинии чисел Маха в
целом показывают качественно одинаковую картину течения. На промежуточной и особенно на мел-
кой сетке скачки получаются несколько тоньше. Отсоединенный отрыв потока на стороне разреже-
ния на мелкой сетке более прижат к поверхности лопатки.
«Численная шлирен-визуализация» показывает во многом подобные результаты по улучше-
нию разрешения скачков и отрыва потока при измельчении сетки. Но, кроме того, на мелкой сетке
можно четко видеть λ-образный скачок уплотнения на стороне разрежения и контактный разрыв, ис-
ходящий из тройной точки скачка, в то время как на грубой и промежуточной сетках можно только
догадываться о такой конфигурации. Исходя из этого, для расчетов сверхзвуковых течений в ком-
прессорных решетках следует рекомендовать сетки с размерностями порядка 100 000 ячеек и более в
тангенциальном сечении.
Заключение
Представлены результаты расчетов сверхзвукового течения в компрессорной решетке профи-
лей в широком диапазоне изменения осевой скорости на выходе. Полученные результаты численного
моделирования согласуются с известными теоретическими представлениями о сверхзвуковых тече-
ниях в компрессорах. Показано, что для расчета сверхзвуковых течений в компрессорных решетках
целесообразно использовать разностные сетки с разрешением порядка 100 000 и более ячеек в плос-
ком сечении. Анализ полученных численных результатов проведен с использованием изолиний чисел
Маха и «численного шлирен-метода». Сделан вывод, что «численная шлирен-визуализация» является
эффективным средством для проведения анализа сверхзвукового течения, поскольку дает точное
представление о конфигурации сверхзвукового течения и сложной волновой структуре, характерной
для данного вида течений.
Литература
1. Развитие комплекса программ расчета трехмерных течений вязкого сжимаемого газа в лопаточных аппара-
тах турбомашин / С. В. Ершов, В. А. Яковлев, А. И. Деревянко и др. // Энергетические и теплотехнические
процессы и оборудование. Вестн. НТУ «ХПИ»: Сб. науч. тр. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2011. – № 5. – С. 25–
32.
2. Ершов, С. В. Ограничение реализуемости для модели турбулентности SST k-ω / С. В. Ершов // Пробл. маши-
ностроения. – 2008. – Т. 11, № 2. – С. 14–23.
3. Ершов, С. В. Численная реализация граничных условий на проницаемых границах для уравнений газовой
динамики // Пробл. машиностроения. – 2011. – Т. 14, № 4. – С. 25–37.
4. Menter, F. R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications // AIAA J. – 1994. –
Vol. 32, № 8. – P. 1598–1605.
5. Пилипенко, А. А. Численное моделирование влияния числа Маха и угла атаки на режимы трансзвукового
турбулентного обтекания аэродинамических профилей / А. А. Пилипенко, О. Б. Полевой, А. А. Приходько //
Уч. зап. Центр. аэрогидродинам. ин-та. – 2012. – Т. 43, вып. № 1. – С. 3–31.
Поступила в редакию 11.11.14
|