بررسی عملکرد مدل‌های مختلف اغتشاشی در تعیین توزیع فشار بر روی سطح یک پره با زاویه چرخش زیاد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، عملکرد مدل‌های مختلف جریان مغشوش برای شبیه سازی جریان سیال در پره استاتور توربین مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور جریان سیال تراکم‌ناپذیر در پره‌ استاتور یک توربین با چرخش زیاد و رینولدز 105×23/2  به وسیله نرم‌افزار محاسباتی فلوئنت (Fluent) شبیه سازی عددی شده است. در این شبیه سازی، معادلات ناویر- استوکس با روش حجم محدود روی شبکه محاسباتی ترکیبی (Hybrid) گسسته شده است. مدل‌های مختلف اغتشاشی مورد بررسی قرار گرفته عبارتند از مدل تک معادله‌ای Spalart-Allmaras، مدل‌های دو معادله‌ای Standard k- ε، Realizable k- ε، RNG k- ε و SST k-ω و مدل پنج معادله‌ای تنش رینولدز (RSM). عملکرد مدل‌های مختلف جریان مغشوش با مقایسه ضریب فشار بدست آمده از حل‌های عددی با نتایج آزمایشگاهی در 4 ناحیه مختلف پره استاتور انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد که دقت یک مدل اغتشاشی در پیش بینی ضریب فشار در نواحی مختلف پره استاتور یکسان نمی‌باشد. اگرچه عملکرد مدل‌های مختلف در نواحی مختلف جریان متفاوت است، تمامی مدل‌ها در پیش بینی ضریب فشار در نواحی گرادیان بالای سرعت از دقت کمتری برخوردارند. با مقایسه عملکرد مدل‌ها در تمامی نواحی مختلف پره استاتور، بهترین توافق بین جواب‌های شبیه سازی و نتایج آزمایشگاهی در دو مدل اغتشاشی SST و RSM مشاهده شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Different Turbulence Models Performance on High-turning Turbine Blade Loading Calculations

نویسندگان [English]

  • R Saberi 1
  • M Fathali 2
چکیده [English]

In this research, the performances of different turbulence models for simulating flow field in turbine stator have been numerically investigated. To this end, incompressible fluid flow around a high-turning stator blade in Reynolds 2.23×105 has been simulated using FLUENT CFD software. Navier-Stokes equation is discretized on a Hybrid computational grid based on the finite volume approach. Considered turbulence models in this research are “Spalart-Allmaras”, “Standard k-ε”, “Realizable k-ε”, “RNG k-ε” , “SST k-ω” and “five-equation Reynolds-Stress Model (RSM)”. The performances of these models are evaluated by comparing the pressure coefficients obtained from numerical simulations with corresponding experimental data at four different stator regions. It has been observed that the ability of a turbulence model to predict flow field is not uniform throughout the stator blade. Moreover, all models show relatively poor performance in flow field regions with intense velocity gradients. Comparing the overall accuracy of different models, SST k-ω and RSM turbulence models show the best agreement with the experimental data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gas turbine
  • Turbulence Model
  • High-turning Blade
  • Blade Pressure Distribution
[1] Walsh, P. Fletcher, “Gas turbine performance”, 2nd ed. Fairfield, NJ: Blackwell Science Ltd.and ASME Press; 2004 [chapter 1, pp. 1-60,chapter 8, pp. 345-366].
[2] M. Mahmoodi, M.R. Ansari, “Numerical investigation of turbine blade trailing edge flow ejection effects on mach number distribution of gas turbine blade surface: using RNG k-ε turbulence model”, Mechanical and erospace
Engineering Journal, Vol. 1, No. 2, pp. 47-60,2005
[3] K. Takeishi, M. Matsuura, S. Aoki, T. Sato, “An experimental study of heat transfer and film cooling on low aspect ratio turbine nozzles”, Journal of Turbomachinery 112, pp.448-496, 1990
[4] S. Burguburu, C. Toussaint, G. Leroy, “Numerical optimization for turbomachinery blades aerodynamic design using a gradient method coupled with a Navier-Stokes solver”,ISABE, Vol. 1117, 2001
[5] G. Brereton, T. Shih, “Turbulence modeling in simulation of gas-turbine flow and heat transfer”, ANNALAS of the New York Academy of Sciences journal of Heat Transfer in Gas Turbine Systems, Vol. 934, pp. 52-63,May 2001
[6] S. Goel, J.I. Cofer, H. Singh, “Turbine airfoil design optimization”, ASME paper 96-GT-158,1996
[7] S. Y. Cho, E.S. Yoon, B. S. Choi, “A study on an axial-type 2-D turbine blade shape for reducing the blade profile loss”, KSME International Journal, Vol. 16, No.8, pp. 1154-1164, 2002
[8] Stephen B. Pope; Turbulent Flows, 1 st Edition,Cambridge University Press, 2000
[9] Baldwin, B. S., Lomax, H., “Thin layer approximation and algebraic model for separated turbulent flows”, AIAA 16th Aerospace Sciences Meeting, Huntsville, Al,January 1978
[10] S. Djouimaa, L. Messaoudi, Paul W. Giel, “Transonic turbine blade loading calculations using different turbulence models: Effects of reflecting and non-reflecting boundary conditions”, Elsevier journal of Applied
Thermal Engineering, No. 27, pp. 779-787,2007
[11] B. Launder, D. Spalding, “The numerical computation of turbulent flows”, Comput.Meth. Appl. Mech. Eng., pp. 269-289, 1974
[12] F. Menter, “Performance of popular turbulence models for attached and separated adverse pressure gradient flows”, AIAA Journal 30(8),pp. 2066-2072, 1992
[13] P. Bradshaw, “Understanding and prediction of turbulent flow”, International journal of heat and fluid flow 18, pp. 45-54, 1997
[14] Shih, W. Liou, A. Shabbir, Z. Yang, J. Zhu, “A new k-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows: model development and validation, Technical report NASA-TM-106721”, Institute for
Computational Mechanics in Propulsion and Center for Modeling of Turbulence and Transition Lewis Research Center, 1994
[15] F. Menter, “Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications”, AIAA Journal 32(8), pp. 1598-1605, 1994
[16] D. Wilcox; Turbulence Modeling for CFD, 2 nd Edition, DCW Industries, 2000
[17] B. Lakshminarayana, “Fluid Dynamicand Heat Transfer of Turbomachinery”, John Wiley and Sons, New York, 1996
[18] D. Lastiwka, “Influence of rotor blade scaling on the numerical simulation od a high pressure gas turbine” M.A. Thesis, Ottawa-Carleton Institute for Mechanical and Aerospace Engineering University of Ottawa, Ottawa,Ontario, Canada, May 14, 2009
[19] D. Dunn, Snedden, Von Backstrom, “Turbulence model comparisons for a low pressure 1.5 stage test turbine”, 19th Conference of the International Society for Air Breathing Engines, Montreal, Quebec, Canada, 7-11 September 2009
[20] S. W. Lee, B. J. Chae, “Effects of squealer rim height on aerodynamic losses downstream of a high-turning turbine rotor blade”, Elsevier journal of Experimental Thermal and Fluid Science ,doi:10.1016/j.expthermflusci.2008.03.004
[21] I. Celik, J. Li, “Assessment of numerical uncertainty for the calculation of turbulent flow over a backward facing step”, International Numerical Method in Fluids, No.49, pp. 1015-1031, 2005
[22] Ansys (2006), Fluent 6.3 User’s Guide, Ansys Inc.