ВАЛІДАЦІЯ ВІДКРИТОЇ БІБЛІОТЕКИ OPENFOAM ГІДРОТУРБІН ДЛЯ ВИСОКОНАПІРНОГО ВІДЦЕНТРОВОГО КОМПРЕСОРА
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Спеціальний програмний модуль до OpenFoam додано достатньо давно, більш ніж 10 років тому, й достатньо велика кількість робіт присвячена його використанню для вирішення проблем турбінобудування. Неточності моделювання можуть виникати за збільшення швидкості до надзвукової течії. Метою роботи є валідація відкритої бібліотеки OpenFoam гідротурбін для розрахунку течії у високонапірному відцентровому компресорі та знаходження оптимальних за ККД та співвідношенням повних тисків параметрів та моделі розрахунку. Для числового розрахунку використано осереднення за Рейнольдсом рівнянь Нав'є-Стокса, що застосовані в CFD-бібліотеці OpenFoam v. 2212. В роботі для замикання рівнянь математичної моделі використано дві найбільш вживаних для подібних задач моделі турбулентності: k-ε модель та SST-модель. Моделювання здійснено за допомогою модифікованої версії солвера sonicFoam, який доступний у OpenFoam. Максимальна помилка розрахунку співвідношення повного тиску в робочій зоні для усіх моделей склала 3 %. Усі моделі погано поводяться у зоні низьких витрат. Нахил усіх кривих відповідає експериментальній характеристиці. Розрахунок за моделями з дуже гарними сітками в середньому приводить до збільшеного на 2 % співвідношення тисків. Використання OpenFoam дозволяє точно (максимальна похибка не перевищує 5 %) прогнозувати інтегральні параметри високонапірного відцентрового компресора. Найбільш точно ККД прогнозує модель SST із використанням сіток більше ніж 2,56 млн. елементів, але такої кількості елементів не достатньо для якісного прогнозу характеристик компресора за малих витрат. У подальших дослідженнях раціонально використовувати сітки, що складаються щонайменше з 5 млн. елементів та використовувати SST-модель турбулентності.
Блок інформації про статтю
Посилання
Rogovyi A. S., Azarov A. S., Demchuk R. M. Udosoknalennya kharakterystyk robochoho kolesa vysokonapirnoho vidtsentrovoho kompresora proektuvannyam za dopomohoyu SAPR [Improving characteristics of the impeller of a high-pressure centrifugal compressor by designing with the help of CAD]. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Hydraulic machines and hydraulic units. Kharkiv, NTU "KhPI" Publ., 2023, no. 1, pp. 25–30. doi: 10.20998/2411-3441.2023.1.04
Rogovyi A. S. Rozrobka teoriyi ta metodiv rozrakhunku vykhorokamernykh nahnitachiv: dys d-ra tekhn. nauk 05.05.1 [Development of the theory and designing methods of vortex chamber superchargers. Dr. eng. sci. diss.]. Kharkiv, 2017. 364 p.
Rezvaya K., Cherkashenko M., Drankovskiy V., Tynyanova I., Makarov V. Using mathematical modeling for determination the optimal geometric parameters of a pump-turbine water passage. 2020 IEEE 4th International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS) (2020, Istanbul). Istanbul, 2020, pp. 212–216. doi: 10.1109/IEPS51250.2020.9263139
Rogovyi A., Shudryk O., Tulska A., Basova Y., Rezvaya K., Makarov V., Machado J. Using modern mechanical design methods for determining the main characteristics of a cryogenic centrifugal pump. International Journal of Mechatronics and Applied Mechanics. 2023, vol. 13, pp. 198–208.
Shevchenko N. H., Kalyuzhnyy V. V., Andriyevs'ka V. S. Chysel'ne modelyuvannya techiyi tekhnolohichnoyi ridyny u trubakh koltyubinhovoyi ustanovky [Numerical simulation of process fluid flow in the pipes of a coiled tubing installation]. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Hydraulic machines and hydraulic units. Kharkiv, NTU "KhPI" Publ., 2023, no. 1, pp. 60–65. doi: 10.20998/2411-3441.2023.1.10
Heinrich M., Schwarze R. Simulation of the compressor stage of a turbocharger: validation of the Open Source Library OPENFOAM. In Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. 2013, vol. 55232, p. V06BT37A010.
Adam J., Heinrich M., Schwarze R. Influence of different design parameters on side channel compressor performance. Forschung im Ingenieurwesen. 2022, vol. 86, pp. 819–827.
Krupa E., Rezvaya K., Makarov V. Parameter Estimation of Hydraulic Equipment of Hydro-Electric Power Station Based on Numerical Simulation of the Spatial Flow. Conf. Proc. 2021 IEEE 2nd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) (13–17 September 2021, Kharkiv, Ukraine). Kharkiv, 2021, pp. 681–685.
Kondus V., Pavlenko I., Kulikov O., Liaposhchenko O. Development of a High-Rotational Submersible Pump for Water Supply. Water. 2023, vol. 15, no. 20, p. 3609. doi: 10.3390/w15203609
Page M., Beaudoin M., Giroux A. M. Steady-state capabilities for hydroturbines with OpenFOAM. International Journal of Fluid Machinery and Systems. 2011, vol. 4, no. 1, pp. 161–171.
Nilsson H. Evaluation of OpenFOAM for CFD of Turbulent Flow in Water Turbines. Proc. 23rd IAHR Symposium (October 2006, Yokohama, Japan). Yokohama, 2006, pp. 1–9.
Petit O., Page M., Beaudoin M., Nilsson H. The ERCOFTAC centrifugal pump OpenFOAM case-study. Proc. of the 3rd IAHR International Meeting of the Workgroup on Cavitation and Dynamic Problem in Hydraulic Machinery and Systems (14–16 October 2009, Brno, Czech Republic). Brno, 2009, pp. 14–16.
Mangani L., Cerutti M., Maritano M., Spel M. Conjugate heat transfer analysis of NASA C3X film cooled vane with an object- oriented CFD code. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. 2010, vol. 4, pp. 1805–1814.
Borm O., Kau H. P. Unsteady aerodynamics of a centrifugal compressor stage: Validation of two different CFD solvers. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. 2012, vol. 8, pp. 2753–2764.
Oliani S., Casari N., Carnevale M. ICSFoam: An OpenFOAM library for implicit coupled simulations of high-speed flows Computer Physics Communications. 2023, vol. 286, pp. 108673.
Li Z. L., Lu X. G., Wu Y. F., Han G. Quantitative investigation of the turbulence model effect on high-pressure-ratio centrifugal compressor performance prediction. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2023, vol. 142, pp. 106644.
Fan M., Dazin A., Bois G., Romanò F. Effect of inlet leakage flow on the instability in a radial vaneless diffuser. Physics of Fluids. 2023, vol. 35, issue 1, p. 014105.
Fatieieva N. M., Shevchenko N. H., Fatyeyev O. M. Nadiynist' hidropnevmoahrehativ metalorizal'noho ustatkuvannya [Reliability of the hydraulic and pneumatic aggregates of the metal cutting equipment]. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Hydraulic machines and hydraulic units. Kharkiv, NTU "KhPI" Publ., 2016, no. 41 (1213), pp. 84–87.
Fatieieva N., Fatyeyev O., Ponomarov V. Advantages of using hydraulic equipment of modular mounting in the modernization of machine hydrosystems. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Hydraulic machines and hydraulic units. Kharkiv, NTU "KhPI" Publ., 2022, no. 1, pp. 33–41.
OpenFOAM, 2022. Version 2212. Available at: http://www.openfoam.com (accessed 20.11.2023).
Chernetskaya-Beletskaya N., Rogovyi A., Baranov I., Krut A., Miroshnikova M., Bragin N. Increasing the efficiency of highly concentrated coal-water fuel based on the simulation of non- Newtonian fluid flow. MATEC Web of Conferences. 2019, vol. 294, p. 01009.
Rogovyi A., Azarov A., Ovcharov Ye., Shudryk O., Tolstyi P. Kartyny techiyi hazu u vysokonapirnomu vidtsentrovomu kompresori [Gas flow patterns in a high-pressure centrifugal compressor]. Visnyk Nats. tekhn. un-tu "KhPI". Seriya: Mashynoznavstvo ta SAPR [Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: Engineering and CAD]. Kharkiv, NTU "KhPI" Publ., 2023, no. 1, pp. 82–91.
De la Hoz J. S., Valencia G., Forero J. D. Reynolds Averaged Navier–Stokes Simulations of the Airflow in a Centrifugal Fan Using OpenFOAM. Int. Rev. Model. Simul. 2019, vol. 12, pp. 230–242.
Besagni G., Inzoli F. Computational fluid-dynamics modeling of supersonic ejectors: Screening of turbulence modeling approaches. Applied Thermal Engineering. 2017, vol. 117, pp. 122–144.
Wilhelm D. Rotating flow simulations with OpenFOAM. International Journal of Aeronautical Science & Aerospace Research. 2015, vol. 1 (001).
Borm O., Jemcov A., Kau H. P. Density based Navier Stokes solver for transonic flows. Proc. of 6th OpenFOAM workshop, Pennstate university (June 2011, USA). P. 1–30.