Гидродинамическая верификация и валидация численных методов расчета течения в камере сгорания газотурбинного двигателя

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов


Авторы

Исаев А. И.*, Скоробогатов С. В.**

Иркутский филиал «Московского государственного технического университета гражданской авиации», ул. Коммунаров, 3, Иркутск, 664047, Россия

*e-mail: isaew_alexandr@mail.ru
**e-mail: maestro.ru@mail.ru

Аннотация

На сегодняшний день в инженерной практике широко используются программные пакеты для автоматизации инженерных расчетов. В их число входят системы, позволяющие решать сложные задачи вычислительной гидро-газодинамики. Специфика применяемого в них математического аппарата накладывает определенные ограничения в процессе работы. Так, на данный момент не существует универсальной математической модели, которая бы достоверно описывала все особенности турбулентных течений для всего спектра задач. Вместо этого существует большое количество полуэмпирических моделей, которые хорошо коррелируются с экспериментальными исследованиями только для определенного класса задач.

Наиболее широкое распространение получили модели осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. Данные модели, в то же время, имеют большое число вариаций, многие из которых нашли свое применение и в коммерческих программных пакетах. Такое разнообразие создает проблему выбора наиболее подходящей модели для конкретного решаемого случая, поэтому верификация и валидация является неотъемлемой частью процесса численного моделирования турбулентных течений.

Целью данной работы является методика выполнения верификации и валидации расчета течения в проточной части камеры сгорания газотурбинного двигателя с поперечной системой вихреобразования. Авторами выполнен обзор наиболее актуальных моделей турбулентности, используемых в программных пакетах вычислительной гидро-газодинамики. Перечислены их достоинства, недостатки и ограничения, связанные с вводимыми эмпирическими данными.

На основе построенной модели камеры сгорания, создана натурная модель для проведения гидродинамических исследований и расчетная сетка конечных элементов для выполнения расчетов в программной среде.

В статье представлены результаты экспериментальных исследований и результаты, полученные с помощью численных методов. Проведено их сопоставление и анализ. Исходя из этих данных, были выделены две модели соответствующие выбранному доверительному интервалу.

Следующим этапом выполнялась валидация моделей турбулентности, в результате которой была дана качественная оценка кинетике течения во всей расчетной области.

По итогу верификации, из всех рассмотренных моделей наилучшее соответствие с экспериментами обеспечивают SST k-w и стандартная k-e модели.

В результате валидации удалось установить, что модель SST k-w более корректно воспроизводит кинетику течения в проточной части камеры сгорания с поперечной системой вихреобразования.

Ключевые слова

верификация, валидация, вычислительная гидро-газодинамика, модели турбулентности, камера сгорания, газотурбинный двигатель

Библиографический список

  1. Spalart P.R. Strategies for turbulence modelling and simulation // International Journal of Heat and Fluid Flow, 2000, vol. 21, no. 3, pp. 252 – 263.

  2. Spalart P.R., Allmaras S.R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows // AIAA Paper No. 0439, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1992, pp. 5-12.

  3. Ларина Е.В., Крюков И.А., Иванов И.Э. Моделирование осесимметричных струйных течений с использованием дифференциальных моделей турбулентной вязкости // Труды МАИ. 2016. № 91. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=75565

  4. Launder B.E., Spalding D.B. Lectures in Mathematical Models of Turbulence, London, Academic Press, 1972, 169 p.

  5. Wilcox, David C (1998). Turbulence Modeling for CFD. Second edition, Anaheim: DCW Industries, 1998, pp. 174.

  6. Sumer B.M. Lecture notes on turbulence // Technical University of Denmark, 2007, available at: http://www.external.mek.dtu.dk/personal/bms/turb_book_update_30_6_04.pdf

  7. Bardina J.E., Huang P.G., Coakley TJ. Turbulence Modeling Validation, Testing, and Development, NASA Technical Memorandum 110446, 1997, 87 p.

  8. Orszag S.A., Yakhot V., Flannery W.S., Boysan F., Choudhury D., Maruzewski J., Patel B. Renormalization Group Modeling and Turbulence Simulations // In International Conference on Near-Wall Turbulent Flows, 1993, Tempe, Arizona, pp. 1031 – 1046.

  9. Yakhot V., Orszag S.A., Thangam S., Gatski T.B., Speziale C.G. Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique // Physics of Fluids, 1992, vol. 4, no. 7, pp. 510 – 520.

  10. Shih T.H., Liou W.W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J. A New Eddy-Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows: Model Development and Validation // Computers Fluids, 1995, no. 24 (3), pp. 227 – 238.

  11. Колмогоров А.Н. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости // Известия АН СССР. Физика. 1942. Т. 6. № 1 – 2. С. 56 – 58.

  12. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, La Canada, California, 1998, 477 p.

  13. Гарбарук A.B. Течения вязкой жидкости и модели турбулентности: методы расчёта турбулентных течений. – СПб.: Санкт Петербургский государственный политехнический университет, 2007. – 127 с.

  14. Кравчук М. О., Кудимов Н. Ф., Сафронов А. В. Вопросы моделирования турбулентности для расчета сверхзвуковых высокотемпературных струй // Труды МАИ. 2015. № 82. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=58536

  15. ANSYS Fluent Theory Guide section 4.4.1.1 “Standard k-ω Model Overview”, ANSYS Software Release 18.1, ANSYS Inc., 2017 (goo.gl/PoE8eT), available at: https://www.youtube.com/watch?v=4Co3XIqlpSs

  16. Menter, F. R., Zonal Two Equation k-ω Turbulence Models for Aerodynamic Flows, AIAA Paper 93-2906, 1993, 22 p.

  17. ANSYS Fluent Theory Guide section 4.6.2 “Transport Equations for the Transition SST Model”, ANSYS Software Release 18.1, ANSYS Inc., 2017 (goo.gl/HhAJXf), available at: https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/16.2.3/en-us/help/flu_th/flu_th.html

  18. Menter F.R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications // AIAA Journal, 1994, 32 (8), pp. 1598 – 1605.

  19. Menter F.R. Review of the SST Turbulence Model Experience from an Industrial Perspective // International Journal of Computational Fluid Dynamics, 2009, vol. 23, issue 4, pp. 305 – 316.

  20. Langtry R.B. and Menter F.R. Correlation-Based Transition Modeling for Unstructured Parallelized Computational Fluid Dynamics Codes // AIAA Journal, 2009, vol. 47, no. 12, pp. 2894 – 2906.

  21. Gibson M.M. and Launder B.E. Ground Effects on Pressure Fluctuations in the Atmospheric Boundary Layer // Journal of Fluid Mechanics, 1978, no. 86, pp. 491 – 511.

  22. Launder B.E.. Second-Moment Closure: Present... and Future? // International Journal of Heat and Fluid Flow, 1989, vol. 10, issue (4), pp. 282 – 300.

  23. Launder B.E., Reece G.J. and Rodi W. Progress in the Development of a Reynolds-Stress Turbulence Closure // Journal of Fluid Mechanics, 1975, no. 68 (3), pp. 537 – 566.

  24. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 368 с.

  25. Кобельков В.Н., Улас В.Д., Федоров Р.М. Термодинамика и теплопередача. Под ред. Р.М. Федорова. – М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2004. – 216 c.

  26. Frank M. White // Journal of Fluid Mechanics, 5th Edition. McGraw-Hill, 2003, 866 p.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход