Μελέτη συμπεριφοράς ανεμιστήρα μεταβλητού βήματος με χρήση προγράμματος υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Ντόνας, Κωνσταντίνος; Ntonas, Konstantinos

dc.contributor.author	Ντόνας, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Ntonas, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2017-08-31T07:03:33Z
dc.date.available	2017-08-31T07:03:33Z
dc.date.issued	2017-08-31
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45445
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.6948
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Παραγωγή και Διαχείρηση Ενέργειας”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Turbomachines	en
dc.subject	Cfd	en
dc.subject	Ansys	en
dc.subject	Compressor	en
dc.subject	Variable pitch fan	en
dc.subject	Στροβιλομηχανές	el
dc.subject	Μεταβλητής γωνίας ανεμιστήρας	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Συμπιεστές	el
dc.subject	Πεπερασμένοι όγκοι	el
dc.title	Μελέτη συμπεριφοράς ανεμιστήρα μεταβλητού βήματος με χρήση προγράμματος υπολογιστικής ρευστοδυναμικής	el
dc.title	A Study Of Variable Pitch Fan Using Computational Fluid Dynamics	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Mechanical engineering	en
heal.classification	TURBOMACHINES	en
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85082757
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/c767e3491768ec9502f702c4072d13744286a45d
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-03-13
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται η μελέτη της συμπεριφοράς και ο υπολογισμός των χαρτών λειτουργίας ενός μονοβάθμιου ανεμιστήρα για διάφορες γωνίες βήματος με χρήση του υπολογιστικού προγράμματος ANSYS. Αρχικά πραγματοποιείται σχεδιασμός του ανεμιστήρα, τόσο για το ρότορα, όσο και για το στάτορα. Για το σχεδιασμό χρησιμοποιείται το πρόγραμμα σχεδίασης BladeGen. Τα στοιχεία της σχεδίασης προέρχονται από γεωμετρικά χαρακτηριστικά τα οποία δίνονται στην βιβλιογραφία. Για τη σχεδίαση των πτερυγίων επιλέγεται η μέθοδος γωνίας και πάχους (angle and thickness) με χρήση δοκιμής και σφάλματος για κάθε ακτίνα, χρησιμοποιώντας έναν αριθμό σημείων από την ακμή πρόσπτωσης έως και την ακμή εκφυγής. Αρχικά δίνονται τιμές στα σημεία αυτά τόσο για τη συνάρτηση γωνίας όσο και για τη συνάρτηση πάχους. Αφού σχεδιαστεί το πτερύγιο ελέγχονται οι τιμές των γωνιών του πτερυγίου. Σε περίπτωση απόκλισης από τις πραγματικές τιμές, ορίζονται ξανά οι τιμές των σημείων. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρι να επιτευχθεί η επιθυμητή σύγκλιση. Μετά τη σχεδίαση ακολουθεί η διαδικασία της πλεγματοποίησης με χρήση του προγράμματος TurboGrid. Σε αντίθεση με τα υπόλοιπα προγράμματα πλεγματοποίησης τα οποία προσφέρει το λογισμικό της ANSYS, το συγκεκριμένο είναι προσαρμοσμένο σε μοντέλα στροβιλομηχανών, αναγνωρίζοντας αυτόματα βασικά στοιχεία της στροβιλομηχανής, όπως η πλήμνη, το κέλυφος και το πτερύγιο. Κατά τη διαδικασία της πλεγματοποίησης, δημιουργούνται στρώματα τα οποία είναι κάθετα στο πτερύγιο και στα οποία πραγματοποιείται δισδιάστατη πλεγματοποίηση. Αφού πραγματοποιηθεί η παραπάνω πλεγματοποίηση, το πρόγραμμα αυτόματα δημιουργεί, με βάση τα σημεία, σε κάθε στρώμα, ένα τρισδιάστατο πλέγμα, ενώνοντας τα σημεία των επιφανειών γραμμικά. Τέλος τα πλέγματα του ρότορα και του στάτορα, αφού δημιουργηθούν ξεχωριστά, συνδέονται στο πρόγραμμα CFX στο οποίο πραγματοποιείται η επίλυση των διαφορικών εξισώσεων. Σχετικά με το μέγεθος του πλέγματος, το οποίο είναι σημαντικός παράγοντας στην επίλυση ροής μέσα σε μια στροβιλομηχανή, είναι γνωστό ότι η αύξηση του μεγέθους του πλέγματος οδηγεί τόσο σε επίλυση με μεγαλύτερη ακρίβεια, όσο και σε μεγαλύτερο υπολογιστικό κόστος. Για τον υπολογισμό του μεγέθους του πλέγματος, η επιλογή γίνεται με βάση το σφάλμα από τα πειραματικά αποτελέσματα σε συνάρτηση με το χρόνο επίλυσης. Μετά από παραμετρική ανάλυση το μέγεθος του πλέγματος που επιλέχτηκε είναι 50000 κόμβων. Μετά την πλεγματοποίηση, πραγματοποιείται μοντελοποίηση του προβλήματος. Το πρόγραμμα το οποίο επιλύει το μοντέλο ροής και ενέργειας μέσα στο μονοβάθμιο ανεμιστήρα είναι το υπολογιστικό λογισμικό CFX. Συγκεκριμένα, το λογισμικό αυτό επιλύει το σύστημα διαφορικών εξισώσεων Navier-Stokes για περιστρεφόμενο πλαίσιο στον ρότορα και για σταθερό πλαίσιο στον στάτορα. Επιπλέον, στο σύστημα αυτό προστίθενται κατάλληλες εξισώσεις, οι οποίες περιγράφουν το μοντέλο της τύρβης. Το μοντέλο τύρβης που επιλέχθηκε είναι το SST, το οποίο προτείνεται για τη συγκεκριμένη εφαρμογή με βάση τη βιβλιογραφία. Για την επαλήθευση της μοντελοποίησης είναι αναγκαίος ο έλεγχος των αποτελεσμάτων της με πειραματικά δεδομένα, προκειμένου να εξακριβωθεί η ορθότητά της, έτσι ώστε να είναι δυνατή η περαιτέρω ανάλυση της βαθμίδας ανεμιστήρα. Η επαλήθευση πραγματοποιείται σε δύο σημεία, στο σημείο σχεδίασης στο 100% των στροφών και σε ένα σημείο εκτός σημείου σχεδίασης στο 50% των στροφών. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα προσεγγίζουν ικανοποιητικά τα πειραματικά και στα δύο σημεία ελέγχου. Δεδομένου λοιπόν ότι το μοντέλο της βαθμίδας ανεμιστήρα έχει ελεγχθεί και αξιολογηθεί, ως προς τα πειραματικά δεδομένα, πραγματοποιείται υπολογισμός αρκετών σημείων για κάθε μία εκ των στροφών 100%, 90%, 80%, 70% και 50%, προκειμένου να κατασκευαστεί ο χάρτης λειτουργίας του μονοβάθμιου ανεμιστήρα και να συγκριθεί με τον πειραματικό. Από την παραπάνω διαδικασία προκύπτει ότι οι δύο χάρτες έχουν ικανοποιητική ακρίβεια μεταξύ τους. Ως επόμενο βήμα, πραγματοποιείται η μελέτη της συμπεριφοράς της βαθμίδας σε διαφορετική γωνία βήματος. Ουσιαστικά πραγματοποιείται επιπρόσθετος σχεδιασμός της βαθμίδας για γωνία βήματος +5ο και -5ο, στις οποίες πραγματοποιείται προσομοίωση με σκοπό την δημιουργία χάρτη λειτουργίας για κάθε μία γωνία ξεχωριστά. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αντίστοιχα αποτελέσματα από τη βιβλιογραφία αποδεικνύοντας την ορθότητα των υπολογισμών. Τέλος, με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα δημιουργήθηκαν χάρτες έτσι ώστε να χρησιμοποιηθούν στο πρόγραμμα προσομοίωσης λειτουργίας PROOSIS ως χάρτες ανεμιστήρα για υψηλού λόγου παράκαμψης αεροπορικούς κινητήρες. Για το σκοπό αυτό αρχικά καθορίστηκε μια ακτίνα διαχωρισμού της ροής (splitter line) έτσι ώστε στο σημείο σχεδίασης να προκύπτει συγκεκριμένος λόγος παράκαμψης. Στη συνέχεια με βάση την ακτίνα αυτή, υπολογίστηκαν οι χάρτες τόσο του τμήματος της ροής που κατευθύνεται στον πυρήνα όσο και του τμήματος της ροής που κατευθύνεται στην παράκαμψη.	el
heal.abstract	The present master thesis is concerned with the generation of the performance maps of a single-stage, variable pitch fan at various pitch angles using the commercial CFD software ANSYS CFX. The geometry and measured performance of a specific fan described in a publicly available NASA Technical Report (NTR) is used as reference for this work. The modelling of the fan and the generation of the relevant maps are performed through the following steps: - The fan geometry is defined first using “blade gen”. For the blades, the “angle and thickness” method is employed where a number of layers are specified along the blade radius and for each layer a number of points are defined between the leading and trailing edges of the blade. For each point, the values of angle and thickness are set so that the resultant blade angles match the actual ones. - The construction of the computational mesh is performed with “turbogrid”. First, a 2-D mesh is generated for each layer defined along the blade length. Then a 3-D mesh is automatically generated by connecting together the points in each layer. The last step is the connection of the rotor and stator meshes. The final mesh size (50000 nodes) is determined parametrically according to the requirements for minimum execution time (overnight run) and maximum acceptable error (0.6%) between predicted and measured values. - CFX then solves the Navier-Stokes system of partial differential equations for the stationary and rotational frames of reference of the stator and rotor respectively. Based on the literature, the SST turbulence model is selected. - The model results are validated against the experimental measurements of NTR at 100% and 50% of the design speed. The predicted performance is generally less than 0.5% of the measured one. - Following the partial validation, the full map is then generated by calculating twelve operating points for five speed lines (100%, 90%, 80%, 70% and 50%). The map matches the one available from NTR both in terms of shape and absolute values demonstrating the suitability of the approach. - The previous steps are then repeated for two different fan pitch angles namely +5ο and -5ο. The maps generated show the expected physical behaviour as described in the literature for the effect of changing the blade pitch angle. - Finally, the corresponding core and bypass stream maps are generated for each pitch setting (reference, +5ο and -5ο) in order to be used in the relevant cycle performance simulation tool. These maps are constructed by specifying the radius of a splitter line so that a specified bypass ratio is obtained at design conditions. Based on this splitter radius the calculations at all other conditions are performed in order to obtain the corresponding maps.	en
heal.advisorName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Ριζιώτης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Μπούρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	101 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true