Применение модели турбулентности GEKO в численном расчете осевых компрессоров
Ключевые слова:
осевой компрессор, вычислительная газодинамика, модель турбулентности, пограничный слой, отрыв потока
Аннотация
Цель исследования — определение возможности применения модели турбулентности GEKO в газодинамическом расчете осевых компрессоров численным методом. Для достижения цели выполнены расчеты валидационных изолированных примеров на различных конфигурациях модели турбулентности. Результаты расчетов показали, что модель турбулентности GEKO позволяет отлаживать наступление отрыва, делая его более ранним, более поздним или совсем исключая его. При этом такая настройка сохраняет базовую калибровку пограничного слоя. Методология исследования заключается в выполнении вариативных расчетов на разных сочетаниях настроек модели турбулентности и последующем сравнительным с экспериментальными данными анализе. Исследование показало, что результаты расчетов экспериментального осевого компрессора находятся на номинальном режиме. Отмечено, что калибровка модели турбулентности GEKO позволяет уточнить расчетную величину коэффициента напора ступени и приблизиться к экспериментальному значению. Механизм уточнения заключается в предсказании более корректных углов отставания в рабочей решетке за счет более корректного предсказания отрыва потока со спинки на оптимальной конфигурации расчетной модели. Таким образом, модель турбулентности позволяет в некотором полезном диапазоне отладить решение для достижения более точного результата. Изучены закономерности калибровки расчетной модели, которые могут быть использованы в газодинамических расчетах при проектировании осевых компрессоров.
Литература
1. Архипов Д.В., Тумашев Р.З. Расширение диапазона устойчивой работы осевого компрессора изменением параметров решеток в концевых областях лопаточных венцов // Известия высш. учеб заведений. Серия «Машиностроение». 2017. № 12. С. 66—76.
2. Иванов В.М. и др. Повышение качества проектирования малорасходных ступеней центробежных компрессоров за счет верификации и валидации расчетных CFD моделей // Известия Самарского научного центра РАН. 2020. Т. 22. № 6. С. 48—56.
3. Старцев А.Н. Аэродинамическое проектирование осевого компрессора // Авиационные двигатели. 2021. № 3. С. 19—34.
4. Кирсанов Е.Д. и др. Исследование влияния моделей турбулентности на точность трехмерного расчета осевого компрессора в Ansys CFX // Новые импульсы развития: вопросы научных исследований. 2020. № 3. С. 41—44.
5. Милешин В.И. и др. Расчетно-экспериментальное исследование влияния надроторных устройств лабиринтного типа на характеристики высоконагруженной первой ступени компрессора // Bестник ПНИПУ. Серия «Аэрокосмическая техника». 2019. № 58. С. 28—43.
6. Милешин В.И. Расчетное исследование влияния числа Рейнольдса на характеристики первой типовой ступени компрессора высокого давления // Вестник МАИ. 2018. Т. 25. № 2. С. 86—98.
7. Стабников А.С. Алгебраическая модель ламинарно-турбулентного перехода для расчета турбулентных течений на основе метода моделирования отсоединенных вихрей // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2022. Т. 15. № 1. С. 16—29.
8. Быков Л.В. Современные подходы к расчету характеристик течения при ламинарно-турбулентном переходе в пограничном слое // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 1. С. 104—120.
9. Визняк Е.А. и др. Влияние изменения модельных коэффициентов модели турбулентности k-ω SST Ментера на параметры обтекания аэродинамического профиля // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2022. № 4. С. 21—29.
10. Аксeнов А.Н., Шабаров А.Б. Демпфирование коэффициента турбулентной вязкости при расчете течений в осевых трансзвуковых компрессорах // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2010. № 2. С. 31—39.
11. Аксенов А.В. Шабаров А.Б. Моделирование локально-неравновесных процессов в турбулентных течениях в трансзвуковых осевых компрессорах // Теплофизика и аэромеханика. 2009. Т. 16. № 4. С. 679—685.
12. Spencer R. e. a. Importance of Non-equilibrium Modelling for Compressors // Proc. Turbomachinery Tech. Conf. and Exposition, 2021.
13. Пятунин К.Р., Архарова Н.В. Влияние подхода к моделированию турбулентности на точность расчёта уровня шума вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя // Вестник Самарского университета. Серия «Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение». 2018. № 4. С. 102—114.
14. Пятунин К.Р. и др. Влияние подхода к моделированию турбулентности на точность прогнозирования уровня шума вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя // Акустический журнал. 2020. Т. 66. № 6. С. 638—646.
15. Menter F. e. a. Development of a Generalized k-ω Two-equation Turbulence Model // Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. 2020. Pp. 101—109.
16. Azad R.S., Kassab S.Z. Turbulent Flow in a Conical Diffuser: Overview and Implications // Phys. Fluids A. 1989. V. 1. Pp. 564—573.
17. Huang T.T., Groves N.C. Propeller/stern Boundary Layer Interaction on Axisymmetric Bodies: Theory and Experiment. Fort Belvoir: Defense Technical Information Center, 1976.
18. Buice C.U., Eaton J.K. Experimental Investigation of Flow Through an Asymmetric Plane Diffuser // J. Fluids Eng. 2000. V. 122. Pp. 433—435.
19. Hataway M.D., Okiishi T.H. Aerodynamic Design and Performance of a Two-stage, Axial-flow Compressor (Baseline). Fort Belvoir: Defense Technical Information Center, 1983
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
---
Для цитирования: Богданец С.В., Седунин В.А. Применение модели турбулентности GEKO в численном расчете осевых компрессоров // Вестник МЭИ. 2025. № 2. С. 110—118. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-2-110-118
#
1. Arkhipov D.V., Tumashev R.Z. Rasshirenie Diapazona Ustoychivoy Raboty Osevogo Kompressora Izmeneniem Parametrov Reshetok v Kontsevykh Oblastyakh Lopatochnykh Ventsov. Izvestiya Vyssh. Ucheb Zavedeniy. Seriya «Mashinostroenie». 2017;12:66—76. (in Russian).
2. Ivanov V.M. i dr. Povyshenie Kachestva Proektirovaniya Maloraskhodnykh Stupeney Tsentrobezhnykh Kompressorov za Schet Verifikatsii i Validatsii Raschetnykh CFD Modeley. Izvestiya Samarskogo Nauchnogo Tsentra RAN. 2020;22;6:48—56. (in Russian).
3. Startsev A.N. Aerodinamicheskoe Proektirovanie Osevogo Kompressora. Aviatsionnye Dvigateli. 2021;3:19—34. (in Russian).
4. Kirsanov E.D. i dr. Issledovanie Vliyaniya Modeley Turbulentnosti na Tochnost' Trekhmernogo Rascheta Osevogo Kompressora v Ansys CFX. Novye Impul'sy Razvitiya: Voprosy Nauchnykh Issledovaniy. 2020;3:41—44. (in Russian).
5. Mileshin V.I. i dr. Raschetno-eksperimental'noe Issledovanie Vliyaniya Nadrotornykh Ustroystv Labirintnogo Tipa na Kharakteristiki Vysokonagruzhennoy Pervoy Stupeni Kompressora. Bestnik PNIPU. Seriya «Aerokosmicheskaya Tekhnika». 2019;58:28—43. (in Russian).
6. Mileshin V.I. Raschetnoe Issledovanie Vliyaniya Chisla Reynol'dsa na Kharakteristiki Pervoy Tipovoy Stupeni Kompressora Vysokogo Davleniya. Vestnik MAI. 2018;25;2:86—98. (in Russian).
7. Stabnikov A.S. Algebraicheskaya Model' Laminarno-turbulentnogo Perekhoda dlya Rascheta Turbulentnykh Techeniy na Osnove Metoda Modelirovaniya Otsoedinennykh Vikhrey. Nauchno-tekhnicheskie Vedomosti SPbGPU. 2022;15;1:16—29. (in Russian).
8. Bykov L.V. Sovremennye Podkhody k Raschetu Kharakteristik Techeniya pri Laminarno-turbulentnom Perekhode v Pogranichnom Sloe. Teplofizika Vysokikh Temperatur. 2018;56;1:104—120. (in Russian).
9. Viznyak E.A. i dr. Vliyanie Izmeneniya Model'nykh Koeffitsientov Modeli Turbulentnosti k-ω SST Mentera na Parametry Obtekaniya Aerodinamicheskogo Profilya. Vestnik YUUrGU. Seriya «Mashinostroenie». 2022;4:21—29. (in Russian).
10. Aksenov A.N., Shabarov A.B., Dempfirovanie Koeffitsienta Turbulentnoy Vyazkosti pri Raschete Techeniy v Osevykh Transzvukovykh Kompressorakh. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya «Estestvennye Nauki». 2010;2:31—39. (in Russian).
11. Aksenov A.V. Shabarov A.B. Modelirovanie Lokal'no-neravnovesnykh Protsessov v Turbulentnykh Techeniyakh v Transzvukovykh Osevykh Kompressorakh. Teplofizika i Aeromekhanika. 2009;16;4:679—685. (in Russian).
12. Spencer R. e. a. Importance of Non-equilibrium Modelling for Compressors. Proc. Turbomachinery Tech. Conf. and Exposition, 2021.
13. Pyatunin K.R., Arkharova N.V. Vliyanie Podkhoda k Modelirovaniyu Turbulentnosti na Tochnost' Rascheta Urovnya Shuma Ventilyatora Dvukhkonturnogo Turboreaktivnogo Dvigatelya. Vestnik Samarskogo Universiteta. Seriya «Aerokosmicheskaya Tekhnika, Tekhnologii i Mashinostroenie». 2018;4:102—114. (in Russian).
14. Pyatunin K.R. i dr. Vliyanie Podkhoda k Modelirovaniyu Turbulentnosti na Tochnost' Prognozirovaniya Urovnya Shuma Ventilyatora Turboreaktivnogo Dvukhkonturnogo Dvigatelya. Akusticheskiy Zhurnal. 2020;66;6:638—646. (in Russian).
15. Menter F. e. a. Development of a Generalized k-ω Two-equation Turbulence Model. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. 2020:101—109.
16. Azad R.S., Kassab S.Z. Turbulent Flow in a Conical Diffuser: Overview and Implications. Phys. Fluids A. 1989;1:564—573.
17. Huang T.T., Groves N.C. Propeller/stern Boundary Layer Interaction on Axisymmetric Bodies: Theory and Experiment. Fort Belvoir: Defense Technical Information Center, 1976.
18. Buice C.U., Eaton J.K. Experimental Investigation of Flow Through an Asymmetric Plane Diffuser. J. Fluids Eng. 2000;122:433—435.
19. Hataway M.D., Okiishi T.H. Aerodynamic Design and Performance of a Two-stage, Axial-flow Compressor (Baseline). Fort Belvoir: Defense Technical Information Center, 1983
---
For citation: Bogdanets S.V., Sedunin V.A. Application of the GEKO Turbulence Model for Numerical Calculation of Axial-flow Compressors. Bulletin of MPEI. 2025;2:110—118. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-2-110-118
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. Иванов В.М. и др. Повышение качества проектирования малорасходных ступеней центробежных компрессоров за счет верификации и валидации расчетных CFD моделей // Известия Самарского научного центра РАН. 2020. Т. 22. № 6. С. 48—56.
3. Старцев А.Н. Аэродинамическое проектирование осевого компрессора // Авиационные двигатели. 2021. № 3. С. 19—34.
4. Кирсанов Е.Д. и др. Исследование влияния моделей турбулентности на точность трехмерного расчета осевого компрессора в Ansys CFX // Новые импульсы развития: вопросы научных исследований. 2020. № 3. С. 41—44.
5. Милешин В.И. и др. Расчетно-экспериментальное исследование влияния надроторных устройств лабиринтного типа на характеристики высоконагруженной первой ступени компрессора // Bестник ПНИПУ. Серия «Аэрокосмическая техника». 2019. № 58. С. 28—43.
6. Милешин В.И. Расчетное исследование влияния числа Рейнольдса на характеристики первой типовой ступени компрессора высокого давления // Вестник МАИ. 2018. Т. 25. № 2. С. 86—98.
7. Стабников А.С. Алгебраическая модель ламинарно-турбулентного перехода для расчета турбулентных течений на основе метода моделирования отсоединенных вихрей // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2022. Т. 15. № 1. С. 16—29.
8. Быков Л.В. Современные подходы к расчету характеристик течения при ламинарно-турбулентном переходе в пограничном слое // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 1. С. 104—120.
9. Визняк Е.А. и др. Влияние изменения модельных коэффициентов модели турбулентности k-ω SST Ментера на параметры обтекания аэродинамического профиля // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2022. № 4. С. 21—29.
10. Аксeнов А.Н., Шабаров А.Б. Демпфирование коэффициента турбулентной вязкости при расчете течений в осевых трансзвуковых компрессорах // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2010. № 2. С. 31—39.
11. Аксенов А.В. Шабаров А.Б. Моделирование локально-неравновесных процессов в турбулентных течениях в трансзвуковых осевых компрессорах // Теплофизика и аэромеханика. 2009. Т. 16. № 4. С. 679—685.
12. Spencer R. e. a. Importance of Non-equilibrium Modelling for Compressors // Proc. Turbomachinery Tech. Conf. and Exposition, 2021.
13. Пятунин К.Р., Архарова Н.В. Влияние подхода к моделированию турбулентности на точность расчёта уровня шума вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя // Вестник Самарского университета. Серия «Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение». 2018. № 4. С. 102—114.
14. Пятунин К.Р. и др. Влияние подхода к моделированию турбулентности на точность прогнозирования уровня шума вентилятора турбореактивного двухконтурного двигателя // Акустический журнал. 2020. Т. 66. № 6. С. 638—646.
15. Menter F. e. a. Development of a Generalized k-ω Two-equation Turbulence Model // Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. 2020. Pp. 101—109.
16. Azad R.S., Kassab S.Z. Turbulent Flow in a Conical Diffuser: Overview and Implications // Phys. Fluids A. 1989. V. 1. Pp. 564—573.
17. Huang T.T., Groves N.C. Propeller/stern Boundary Layer Interaction on Axisymmetric Bodies: Theory and Experiment. Fort Belvoir: Defense Technical Information Center, 1976.
18. Buice C.U., Eaton J.K. Experimental Investigation of Flow Through an Asymmetric Plane Diffuser // J. Fluids Eng. 2000. V. 122. Pp. 433—435.
19. Hataway M.D., Okiishi T.H. Aerodynamic Design and Performance of a Two-stage, Axial-flow Compressor (Baseline). Fort Belvoir: Defense Technical Information Center, 1983
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
---
Для цитирования: Богданец С.В., Седунин В.А. Применение модели турбулентности GEKO в численном расчете осевых компрессоров // Вестник МЭИ. 2025. № 2. С. 110—118. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-2-110-118
#
1. Arkhipov D.V., Tumashev R.Z. Rasshirenie Diapazona Ustoychivoy Raboty Osevogo Kompressora Izmeneniem Parametrov Reshetok v Kontsevykh Oblastyakh Lopatochnykh Ventsov. Izvestiya Vyssh. Ucheb Zavedeniy. Seriya «Mashinostroenie». 2017;12:66—76. (in Russian).
2. Ivanov V.M. i dr. Povyshenie Kachestva Proektirovaniya Maloraskhodnykh Stupeney Tsentrobezhnykh Kompressorov za Schet Verifikatsii i Validatsii Raschetnykh CFD Modeley. Izvestiya Samarskogo Nauchnogo Tsentra RAN. 2020;22;6:48—56. (in Russian).
3. Startsev A.N. Aerodinamicheskoe Proektirovanie Osevogo Kompressora. Aviatsionnye Dvigateli. 2021;3:19—34. (in Russian).
4. Kirsanov E.D. i dr. Issledovanie Vliyaniya Modeley Turbulentnosti na Tochnost' Trekhmernogo Rascheta Osevogo Kompressora v Ansys CFX. Novye Impul'sy Razvitiya: Voprosy Nauchnykh Issledovaniy. 2020;3:41—44. (in Russian).
5. Mileshin V.I. i dr. Raschetno-eksperimental'noe Issledovanie Vliyaniya Nadrotornykh Ustroystv Labirintnogo Tipa na Kharakteristiki Vysokonagruzhennoy Pervoy Stupeni Kompressora. Bestnik PNIPU. Seriya «Aerokosmicheskaya Tekhnika». 2019;58:28—43. (in Russian).
6. Mileshin V.I. Raschetnoe Issledovanie Vliyaniya Chisla Reynol'dsa na Kharakteristiki Pervoy Tipovoy Stupeni Kompressora Vysokogo Davleniya. Vestnik MAI. 2018;25;2:86—98. (in Russian).
7. Stabnikov A.S. Algebraicheskaya Model' Laminarno-turbulentnogo Perekhoda dlya Rascheta Turbulentnykh Techeniy na Osnove Metoda Modelirovaniya Otsoedinennykh Vikhrey. Nauchno-tekhnicheskie Vedomosti SPbGPU. 2022;15;1:16—29. (in Russian).
8. Bykov L.V. Sovremennye Podkhody k Raschetu Kharakteristik Techeniya pri Laminarno-turbulentnom Perekhode v Pogranichnom Sloe. Teplofizika Vysokikh Temperatur. 2018;56;1:104—120. (in Russian).
9. Viznyak E.A. i dr. Vliyanie Izmeneniya Model'nykh Koeffitsientov Modeli Turbulentnosti k-ω SST Mentera na Parametry Obtekaniya Aerodinamicheskogo Profilya. Vestnik YUUrGU. Seriya «Mashinostroenie». 2022;4:21—29. (in Russian).
10. Aksenov A.N., Shabarov A.B., Dempfirovanie Koeffitsienta Turbulentnoy Vyazkosti pri Raschete Techeniy v Osevykh Transzvukovykh Kompressorakh. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya «Estestvennye Nauki». 2010;2:31—39. (in Russian).
11. Aksenov A.V. Shabarov A.B. Modelirovanie Lokal'no-neravnovesnykh Protsessov v Turbulentnykh Techeniyakh v Transzvukovykh Osevykh Kompressorakh. Teplofizika i Aeromekhanika. 2009;16;4:679—685. (in Russian).
12. Spencer R. e. a. Importance of Non-equilibrium Modelling for Compressors. Proc. Turbomachinery Tech. Conf. and Exposition, 2021.
13. Pyatunin K.R., Arkharova N.V. Vliyanie Podkhoda k Modelirovaniyu Turbulentnosti na Tochnost' Rascheta Urovnya Shuma Ventilyatora Dvukhkonturnogo Turboreaktivnogo Dvigatelya. Vestnik Samarskogo Universiteta. Seriya «Aerokosmicheskaya Tekhnika, Tekhnologii i Mashinostroenie». 2018;4:102—114. (in Russian).
14. Pyatunin K.R. i dr. Vliyanie Podkhoda k Modelirovaniyu Turbulentnosti na Tochnost' Prognozirovaniya Urovnya Shuma Ventilyatora Turboreaktivnogo Dvukhkonturnogo Dvigatelya. Akusticheskiy Zhurnal. 2020;66;6:638—646. (in Russian).
15. Menter F. e. a. Development of a Generalized k-ω Two-equation Turbulence Model. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design. 2020:101—109.
16. Azad R.S., Kassab S.Z. Turbulent Flow in a Conical Diffuser: Overview and Implications. Phys. Fluids A. 1989;1:564—573.
17. Huang T.T., Groves N.C. Propeller/stern Boundary Layer Interaction on Axisymmetric Bodies: Theory and Experiment. Fort Belvoir: Defense Technical Information Center, 1976.
18. Buice C.U., Eaton J.K. Experimental Investigation of Flow Through an Asymmetric Plane Diffuser. J. Fluids Eng. 2000;122:433—435.
19. Hataway M.D., Okiishi T.H. Aerodynamic Design and Performance of a Two-stage, Axial-flow Compressor (Baseline). Fort Belvoir: Defense Technical Information Center, 1983
---
For citation: Bogdanets S.V., Sedunin V.A. Application of the GEKO Turbulence Model for Numerical Calculation of Axial-flow Compressors. Bulletin of MPEI. 2025;2:110—118. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-2-110-118
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-12-16
Выпуск
Раздел
Турбомашины и поршневые двигатели (технические науки) (2.4.7)
