Application of the GEKO Turbulence Model for Numerical Calculation of Axial-flow Compressors
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-2-110-118Keywords:
axial compressor, computational fluid dynamics, turbulence model, boundary layer, flow separationAbstract
The aim of the study is to determine the possibility of using the GEKO turbulence model in the fluid dynamic computation of axial-flow compressors by a numerical method. To achieve the goal, isolated validation examples were calculated on various configurations of the turbulence model. The calculation results have shown that the GEKO turbulence model enables the user to adjust the flow separation onset, making it earlier, later, or completely excluding it. With such adjustment, the boundary layer basic calibration is retained. The research methodology consists in carrying out variant calculations on different configurations of the turbulence model, followed by a comparative analysis with experimental data. The study has shown that the results of calculations of an experimental axial-flow compressor are in the nominal mode. It is noted that by calibrating the GEKO turbulence model it is possible to refine the calculated stage pressure coefficient value and come closer to the experimental value. The refinement mechanism consists in predicting more correct lagging angles in the rotor blade cascade due to a more correct prediction of flow separation from the blade suction side on the optimal configuration of the computational model. Thus, the turbulence model makes it possible to adjust the computation in some useful range to achieve a more accurate solution. The computation model calibration regularities have been studied, which can be used in fluid dynamic calculations when designing axial-flow compressors.
References
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
Downloads
Published
2024-12-16
Issue
Section
Turbomachines and Piston Engines (Technical Sciences) (2.4.7)
