پیش‌بینی جدایش جریان در مجرای توربینی فشارپایین در شرایط طراحی و دور از نقطة طراحی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / دانشکدة علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

2 دانشجوی کارشناس ارشد / دانشکدة علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

3 دانشجوی دکتری / دانشکدة علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

چکیده

در این مقاله، مطالعة عددی میدان جریان عبوری از مجرای یک توربین گازی فشارپایین تحت بار بالا در شرایط طراحی و خارج از نقطة طراحی انجام شده است. برای این منظور از بستة نرم‌افزاری اوپن ‌فوم استفاده شده است. در گام نخست، آثار ریزشدن شبکه بر نتایج روش‌های معادلات میانگیری رینولدز و شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ با مدل اسپالارت - آلماراس بررسی و با نتایج تجربی مقایسه شده است. نتایج نشان می‌دهد که در انتهای سطح فشاری تیغه، یک افت فشار غیرفیزیکی رخ می‌دهد که به‌شدت به تراکم شبکه و نوع مدل آشفتگی وابسته است. در گام دوم نشان داده می‌شود که تنها مدل اسپالارت - آلماراس قادر به پیش‌بینی جدایش جریان پدیدآمده از گذرش جریان در شبکه‌بندی با تراکم مختلف نزدیک دیواره است. نتایج عددی این مدل نقطة جدایش را در نزدیکی موقعیت 0/85 طول سطح مکش پیش‌بینی می‌کند. این در حالی است که اندازه‌گیری‌های تجربی نقطة جدایش را در نزدیکی موقعیت 0/7 طول سطح مکش تعیین کرده‌اند. در گام سوم، مدلسازی عملکرد خارج از نقطة طراحی تیغه با اعمال زوایای مثبت و منفی جریان ورودی نسبت به شرایط طراحی مجرا صورت می‌گیرد. نتایج حل عددی با مدل اسپالارت - آلماراس حاکی است که یک حباب جدایش روی سطح فشار به‌وجود می‌آید. محاسبة افت فشار کل در شرایط جریان ورودی با انحرافی بین 8+ و 20- درجه نسبت به حالت طراحی نشان می‌دهد که مدل‌های ω-k و اسپالارت-آلماراس کمترین افت فشار را در نقطة طراحی پیش‌بینی می‌کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Prediction of flow separation in a low-pressure turbine cascade at design and off-design operating conditions

نویسندگان [English]

  • Shidvash Vakilipour 1
  • Mehdi Habibnia Rami 2
  • Roozbeh Riazi 1
  • Masoud Mohammadi 3
چکیده [English]

In present investigation, the flow field passing through a highly loaded low pressure (LP) turbine cascade is numerically studied at design and off-design conditions. The Field Operation and Manipulation (OpenFOAM) platform is used as the Computational Fluid Dynamics (CFD) tool. Firstly, the influences of grid resolution on the results of RANS k-ε and k-ω models and LES utilizing Spalart-Allmaras subgrid scale model (LES-SA) are investigated and compared with those of the experimental measurements. Numerical results show that a pressure under-shoot is obtained near the end of blade pressure surface which is highly sensitive to grid resolution and flow turbulence modeling. Secondly, it is shown that the LES-SA model is able to resolve separation on the coarse and fine grid resolutions. The LES-SA results show the separation about S/C=0.85 whereas the experiments measure it about S/C=0.75.Thirdly, the off-design flow condition is modeled by imposing negative and positive inflow incidence angles. The numerical results of LES-SA model show that a separation bubble is generated on blade pressure side. The calculation of total pressure drop at incidence angles between -20 and +8 degrees illustrates that the k-ω and LES-SA models could estimate the minimum total pressure drop at the design point.

کلیدواژه‌ها [English]

  • low-pressure turbine cascade
  • large-eddy simulation (LES)
  • RANS turbulence models
  • flow separation
  • off-design performance

[1] Hodson, H. P., R. J. Howell. "Bladerow interactions, transition, andhigh-lift aerofoils in low-pressure turbines." Annual Review of Fluid Mechanics.37, 2005, pp. 71–98.

[2] Hodson, H. P., R. G. Dominy. "The off-design performance of alow-pressure turbine cascade." ASME Journal of Turbomachinery, 109(2), 1987, pp. 201–209.

[3] Stieger, R., H. P. Hodson. "The transition mechanism of highly loadedlow-pressure turbine blades." ASME Journal of Turbomachinery, 126 (4), 2004, pp. 536–543.

[4] Stieger, R., H. P. Hodson. "The unsteady development of a turbulentwake through a downstream low-pressure turbine blade passage." ASME Journal of Turbomachinery, 127 (2), 2005, pp. 388–394.

[5] Opoka, M. M., R. L. Thomas, H. P. Hodson. "Boundary layertransition on the high lift T106A low-pressure turbine blade with an oscillating downstream pressure field." ASME Journal of Turbomachinery, 130(2), 2008.

[6] Coul, J. D., H. P. Hodson. "Unsteady boundary-layer transition in low-pressure turbines." Journal of Fluid Mechanics. 681, 2011, pp. 370-410.

[7] Zhou, C., H. P., Hodson, C. Himmel. "The effects of trailing edge thickness on the losses of ultrahigh lift low pressure turbine blades." ASME Journal of Turbomachinery, 136, 2014, 081011-1–9.

[8] Wu, X. P. A. Durbin. "Evidence of longitudinal vortices evolvedfrom distorted wakes in a turbine passage." Journal of Fluid Mechanics, 446, 2001, pp. 199–228.

[9] Michelassi, V., J. G. Wissink, J. Fröhlich, W. Rodi. "Large-eddysimulation of flow around low-pressure turbine blade with incoming wakes." AIAA Journal, 41 (11), 2003, pp. 2143–2156.

[10] Lodefier, K., E. Dick. "Modelling of unsteady transition inlow-pressure turbine blade flows with two dynamic intermittencyequations." Journal of Flow, Turbulence and Combustion, 76 (2), 2005, pp. 103–132.

[11] Wissink, J. G., W. Rodi, H. P. Hodson. "The influence of disturbancescarried by periodically incoming wakes on the separating flow arounda turbine blade." Journal of Heat and Fluid Flow. 27 (4), pp. 721–729.

[12] Matsuura, K., C. Kato. "Large-eddy simulation of compressibletransitional flows in a low-pressure turbine cascade." AIAA Journal.45 (2), 2007, pp. 442–457.

[13] Velez, C., P. Coronado, H. Al-Kuran, M. Ilie. "Numericalcomputations of turbine blade aerodynamics; comparison of LES, SAS, SST, SA, and k-ε. AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibi, 2011.

[14] Ghidoni, A., A. Colombo, S. Rebay, F. Bassi. "Simulation of thetransitional flow in a low pressure gas turbine cascade with a high-order discontinuous galerkin method." ASME Journal of Fluids Engineering, 135 (7), 2013, pp. 071 101–8.

[15] Pacciani, R., M., Marconcini, A., Arnone, F. Bertini. "Predicting high-lift low-pressure turbine cascades flow using transition-sensitive turbulence closures." ASME Journal of Turbomachinery, 136: 2014, pp. 1–11.

[16] Zhang, W., Z., Zou, L., Qi, J., Ye, L. Wang. "Effects of freestream turbulence on separated boundary layer in a low-Re high-lift LP turbine blade." Computers and Fluids.109, 2015, pp.1–12.

[17] Nagabhushana Rao, V., P. G., Tucker, R. J., Jeferson-Loveday, J. D., Coull. "Large eddy simulations in low-pressure turbines: Effect of wakes at elevated free-stream turbulence." Int. Journal of Heat and Fluid Flow, 43, 2013, pp. 85–95.

[18] Fottner.L. "Test cases for computation of internal flows in aero enginecomponents." AGARD-AR-275, 1990, pp.112–123.

[19] Hildebrandt, T., L. Fottner. "A numerical study of the influenceof grid refinement and turbulence modeling on the flow field insidea highly loaded turbine cascade." ASME Journal of Turbomachinery. 121 (4), 1999, pp. 709–716.

[20] T106 LP Turbine Database, http://www-g.eng.cam.ac.uk/whittle/T106/Start.html (accessed November 01, 2015)

[21] OpenFOAM, The Open Source CFD Toolbox, User Guide, OpenCFD Ltd., 12 2014.Available online at http://www.openfoam.org (accessed November 02, 2015)

[22] Favre, A. "Equation des Gaz Turbulents Compressibles." Journal de Mecanique, 4(3), 1956, pp. 361-390.

[23] Wilcox, David C. Turbulence Modeling for CFD, 3rd ed. DCW Industries, Inc., 2006.

[24] Launder, B. E., D. B. Spalding. "The numerical computation ofturbulent flows." Journal of Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering Articles. 3 (2), 1974, pp. 269–289.

[25] Martin, M. Pino, Ugo Piomelli, and Graham V. Candler. "Subgrid-scale models for compressible large-eddy simulations." Theoretical and Computational Fluid Dynamics 13 (5), 2000, pp. 361-376.

[26] Spalart, P. R., S. R. Allmaras. "A one equation turbulence model foraerodynamic flows." La Recherche Aerospatiale.1, 1994, pp. 5–21.

[27] Stieger, R. D., D. Hollis, H. P. Hodson. "Unsteady surface pressuresdue to wake-induced transition in a laminar separation bubble ona low-pressure cascade." ASME Journal of Turbomachinery, 126 (4), 2004, pp. 544–550.

[28] Calzada, P. D. L., A. Alonso. "Numerical investigation of heat transferin turbine cascades with separated flows." ASME Journal of Turbomachinery, 125 (2), 2003, pp. 260–266.

[29] A. Raab, Duden, I., L. Fottner. "Controlling the secondary flow in a turbine cascade by three-dimensional airfoil design and endwallcontouring." ASME Journal of Turbomachinery, 121, 1999, pp. 191–199.