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.

[YadiskFiles label=»AGARD_AR_355.pdf» href=»https://yadi.sk/i/r9vWvEktmEjLG» name=»AGARD_AR_355.pdf» size=»22.02 MB» path_hash=»17768ff51e6c22278d179cf97089f5ae» counter=»true»]

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.

[YadiskFiles label=»Rotor 37 with CCG.pdf» href=»https://yadi.sk/i/2O1uKnOomEjJT» name=»Rotor 37 with CCG.pdf» size=»1.18 MB» path_hash=»9b2536f5f524e4b70ecfa5e5477d3ec9″ counter=»true»]

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).

[YadiskFiles label=»Chunill Hah_LES.pdf» href=»https://yadi.sk/i/PnGqX89cmEjLX» name=»Chunill Hah_LES.pdf» size=»736.62 KB» path_hash=»a579d933bcbbccb9a4b526d38df6d36a» counter=»true»]

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.

[YadiskFiles label=»Marcelo_Petrobras.pdf» href=»https://yadi.sk/i/eQWqGNQNmEjLS» name=»Marcelo_Petrobras.pdf» size=»1.36 MB» path_hash=»9ae325c39a5ef6ad5172aae275766455″ counter=»true»]

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.

[YadiskFiles label=»Khalil_ke.pdf» href=»https://yadi.sk/i/q0q6YCfOmEjLr» name=»Khalil_ke.pdf» size=»2.87 MB» path_hash=»12c871b5014376435d335b8f041af650″ counter=»true»]

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).

[YadiskFiles label=»Honeywell_TBR.pdf» href=»https://yadi.sk/i/VAkQA02bmEjLN» name=»Honeywell_TBR.pdf» size=»680.49 KB» path_hash=»74ab5fd8f0f8786bd122f7157bde41d6″ counter=»true»]

Перейдем непосредственно к постановке задачи в ANSYS CFX.

Загрузите сетку по этой ссылке [YadiskFiles label=»nasarotor37.cfx5″ href=»https://yadi.sk/d/rUp94JX_mEbS6″ name=»nasarotor37.cfx5″ size=»144.53 MB» path_hash=»77f31fada4886a8c5b947c20fd5dc769″ counter=»true»].

Изначально я ее подготовил в препроцессоре ANSYS TurboGrid, но затем переконвертировал в формат ANSYS ICEM CFD. Данная операция напрямую не связана с постановкой описываемой задачи. И объясняется только тем, что я использовал базовую сетку TurboGrid в дополнительных расчетах, в которых мне необходимо было достроить определенные сеточные области непосредственно в ICEM CFD.

Для желающих самостоятельно построить расчетную сетку в TurboGrid я могу по запросу переслать исходные кривые (для проточной части, профилей лопаток и пр.).

Все поверхности, на которых мы будем определять граничные условия, я заранее перенес в ICEM CFD в отдельные parts (выборки).

Определите новый материал userAir (рабочую среду). Мы зададим динамическую вязкость воздуха как функцию от температуры, используя следующие CEL-выражения:

visair = muzero*(T/tzero)^1.5*(tzero+sair)/(T+sair)
tzero = 518.67 [R]
sair = 198.6 [R]
muzero = 1.2028e-5 [lb/(ft s)]

materialНа рисунке ниже представлен график зависимости динамической вязкости от температуры, полученный на основе введенной аналитической формулы.

visair

Определяем параметры расчетного домена. В закладке Material выбираем материал userAir. Задаем опорное давление равное 0 атм. Указываем скорость вращения — 17188.7 об/мин.

domain

Определяем ось вращения — ось  z.

Переходим в закладку Fluid Models. Выбираем опцию Total Energy (решение полного уравнения энергии). Включаем опцию Incl. Viscous Work Term (учет вязкой диссипации — работы вязких сил). А также дополнительную опцию — High Speed (compressible). Это повысит устойчивость численного решения. Выбираем SST k-ω модель турбулентности.

sst

Далее определим граничные условия на соответсвующих поверхностях.

На входе (поверхность INFLOW) определяем полное давление (в неподвижной СК), равное 1 атм. Задаем направление потока (в декартовых координатах). И определяем характеристики турбулентного потока на входе в компрессор через интенсивность турбулентности и отношение молекулярной вязкости к турбулентной. Определяем значение температуры воздуха на входе — 288.2 К.

inlet

На выходе (поверхность OUTFLOW) задаем статическое давление равное 112050 Па. В Frame Type указываем Rotating (вращающаяся СК).

outflow

Поверхности BLADE и HUB определяем идентичным образом — это адиабатная стенка с условиями прилипания.  Frame Type = Rotating.

На поверхности SHROUD также задаем условие стенки, но дополнительно включаем опцию Wall Velocity = Counter Rotating Wall (это означает, что стенка неподвижна в неподвижной СК).

shroudОсталось определить условия периодичности на поверхностях PER1 и PER2, соответственно.

Выполняем начальную инициализацию (все настройки задаем по умолчанию). И определяем шаг по времени с опцией автовычисления (Auto TimeScale). Критерий сходимости: RMS = 1e-06.

Для мониторинга сходимости задачи я рекомендовал бы вам создать дополнительные «интегральные» мониторы, например, расход и πk:

MassFlow = massFlow()@In*36
PressureRatio = (0 [psi] + massFlowAve(Total Pressure in Stn Frame)@Out)/(0 [psi] + massFlowAve(Total Pressure in Stn Frame)@In)

Ниже представлены результаты моделирования для одного из расчетных вариантов.

mach_number
rotor37

С уважением, Денис Хитрых.

Моделирование течения в осевом трансзвуковом компрессоре NASA Rotor 37: 9 комментариев

  1. огромнейшее спасибо, очень полезная тема.
    Попутные вопросы по статье: зачем задавать новый газ -воздух с функцией динамической вязкости?
    Зачем заданная ось вращения через компоненты? разве так которая создана по умолчанию не подходит?

    • Александр, добрый день. Я внес все необходимые изменения (уточнения) в описание мастер-класса. Что касается расчетной сетки, то это была вынужденная мера, связанная с тем, что я проводил еще и серию дополнительных расчетов для измененной геометрии расчетной области, в которые были введены дополнительные сеточные области, которые физически невозможно построить в ANSYS TurboGrid. Я довольно часто в своей расчетной практике использую такой подход, когда совмещаю расчетные сетки TurboGrid и ICEM CFD.

    • Александр, сегодня прогнал расчет. Сходимость получил менее чем за 200 итераций. Версия ANSYS 16.2. Проблем нет. Прилеплю к посту несколько иллюстраций для подтверждения своих слов. С уважением, Денис.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *