Моделирование течения в осевом трансзвуковом компрессоре NASA Rotor 37

Сегодня мы рассмотрим с вами задачу расчета течения в проточной части трансзвукового компрессора NASA Rotor 37, разработанного 40 лет назад Рейдом (Reid) и Муром (Moore) (Исследовательский центр NASA Lewis).

Начну с «классического» отчета AGARD-AR-355, который был опубликован в 1998 году.  В данном отчете приведены сравнительные результаты моделирования течения в проточном тракте Rotor 37, выполненные в разные годы, в таких пакетах как, TASCflow, TRACE-S, HAH3D, TRANSCode и др.

Dae-Woong Kim с коллегами (2013) численно исследовали методы повышения эффективности ступени Rotor 37 с использованием пакета ANSYS CFX. В частности, рассматривался вариант с бандажным уплотнением.

В работе Chunill Hah из NASA Glenn Research Center описываются результаты исследования нестабильности течения в трансзвуковом компрессоре NASA Rotor 37 с использованием LES модели турбулентности, интегрированной в специализированный расчетный H3D. Это одна из первых работ подобного рода на тот момент (2007).

Marcelo R. Simões из Petrobras совместно c коллегами исследовал применимость различных моделей турбулентости (k-ε, k-ω и SST) для моделирования течения в проточном тракте NASA 37 с использованием пакета ANSYS CFX (2009). Результаты моделирования сравнивались с доступными экспериментальными данными.

Работа Mohamed Khalil (2009) интересна по двум причинам. Во-первых, это хороший пример научного интернационализма. Во-вторых, автору удалось получить весьма адекватные результаты с использованием высокорейнольдсовой k-ε модели турбулентности.

Последняя работа не имеет прямого отношения к Rotor 37. Однако в ней представлены достаточно интересные результаты по опыту применения TBR методов ANSYS CFX для исследования течения в ступени гибридного трансзвукового компрессора Rotor 35 / Stator 37. Это так же одна из первых открытых работ, в которой численные результаты для методов TBR сравниваются с данными экспериментов (Honeywell, 2013).

Перейдем непосредственно к постановке задачи в ANSYS CFX.

Читать далее

История исследования явления кавитации. Часть 2

Вначале пытались подойти к проблеме кавитации с точки зрения гидродинамики и принимали во внимание только внешние обстоятельства – скорость потока воды, давление в потоке и зависимость того и другого от времени. Позднее поняли, что необходимо также учитывать и физические условия в жидкости – температуру, плотность, поверхностное натяжение, вязкость. Эти факторы, каждый по-своему, влияют на процесс образования паровых пузырей, на их устойчивость и интенсивность воздействия с твёрдой поверхностью.

Одни из первых опытов с растяжением жидкости провели Бертелло (1850 г.), Рейнольдс (1885 г.), Вортингтон (1892 г.), Диксон (1909 г.) и Мейер (1911 г.). Бертелло и Диксон для этих целей использовали прямую стальную капиллярную трубку. Им удалось растянуть воду до 50 и 200 атм., соответственно. Вортингтон «растянул» этиловый спирт давлением в 17 атм. Рейнольдс вращал U-образную трубку с жидкостью и вызывал растяжение действием центробежных сил.

В 1932 году Ньютон Гейнес разработал акустический метод создания кавитационных пузырей c использованием магнитострикционного генератора. Метод оказался удачным и используется в лабораторных исследованиях до настоящего времени. Опыты Гейнеса показали, что после нескольких минут работы генератора торцовая поверхность никелевого стержня оказывалась повреждённой, а характер повреждений в точности напоминал обычные язвовидные кавитационные повреждения.

Особо важный вклад в понимание кавитации внес британский физик и Нобелевский лауреат Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей), который занимался теоретическим изучением явления кавитации в период с 1908 по 1924 г. г.

В 1917 году Рэлей опубликовал статью, в которой на основе энергетического подхода рассмотрел случай захлопывания пустой полости в безграничном объеме жидкости под действием постоянного давления. Считая полость сферически симметричной и, исходя из условия, что кинетическая энергия движущейся жидкости равна работе, действующих на полость сил давления
equ01Рэлей определил скорость движения стенки полости в функции ее радиуса
equ02где ρ – плотность жидкости, R – радиус полости; P0 – внешнее давление, приложенное к полости.

Далее, рассматривая уравнение движения сферически симметричного потока
equ03и, используя граничное условие, что на стенке полости r = R, Рэлей получил выражение для максимального давления, возникающего при схлопывании пустой полости:
equ04Для  P0 = 10 атм. и  Rmax/R давление воды вне захлопывающейся сферы по расчетам Рэлея равно 5500 атм. Отметим, что работа Рэлея заложила теоретические основы изучения кавитации на многие годы вперед.

Читать далее