Υπολογιστική προσομοίωση της ροής κατά την αλληλεπίδραση κινητής και σταθερής πτερύγωσης στις στροβιλομηχανές

Abstract

Το Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών του ΕΜΠ έχει μακρά παράδοση στην ανάπτυξη λογισμικού ΥΡΔ – είτε οικείου είτε ανοικτού κώδικα – το οποίο διαχειρίζεται συμπιεστές και ασυμπίεστες ροές, ατριβείς ή συνεκτικές, χρονικά μεταβαλλόμενες ή μόνιμες. Η παρούσα εργασία χρησιμοποιεί το πακέτο λογισμικού ΥΡΔ ανοικτού κώδικα OpenFOAM, το οποίο είναι γενικής χρήσης, ώστε με κατάλληλες τροποποιήσεις να μπορέσει να εφαρμοστεί σε πτερυγώσεις στροβιλομηχανών, και πιο συγκεκριμένα σε προβλήματα αλληλεπίδρασης κινητής και σταθερής πτερύγωσης. Μέχρι πρότινος, τέτοιου είδους προβλήματα προσεγγίζονταν είτε με επίλυση της ροής χωριστά για κάθε πτερύγωση της βαθμίδας, είτε με περιφερειακή μεσοποίηση των ροϊκών μεγεθών στη διεπιφάνεια αλληλεπίδρασης (mixing plane), είτε λαμβάνοντας στιγμιότυπα της κινητής πτερύγωσης (“frozen” rotor) προκειμένου να ληφθεί υπόψη η αλληλεπίδραση αλλά παράλληλα να μειωθεί το υπολογιστικό κόστος. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιείται παρεμβολή των μεταβλητών της ροής σε πραγματικό χρόνο με ταυτόχρονη κίνηση του πλέγματος της κινητής πτερύγωσης. Η μέθοδος αυτή είναι ακριβέστερη αλλά και ακριβότερη απο τις προαναφερθείσες, αφού η ροή είναι μη- μόνιμη, το χρονικό βήμα κίνησης του πλέγματος είναι πολύ μικρό, ενώ σε κάθε επανάληψη γίνεται η παρεμβολή των ροϊκών μεταβλητών από το κινούμενο πλέγμα στο ακίνητο και αντίστροφα. Στην αρχική της φάση, η παρούσα εργασία, ασχολείται με τη γένεση πλέγματος σε 3Δ πτερυγώσεις ενώ, στη συνέχεια, προσαρμόζει ορισμένα γενικής χρήσεως εργαλεία του OpenFOAM προκειμένου να εφαρμοστούν για την επιβολή συνθηκών περιφερειακής περιοδικότητας. Έμφαση, δίνεται στον τρόπο που υλοποιείται η επικοινωνία των πλεγμάτων της κινητής και της σταθερής πτερύγωσης. Ως εκ τούτου παρουσιάζονται δυο εφαρμογές προσομοίωσης της ροής σε βαθμίδα αξονικού συμπιεστή, προκειμένου να γίνει εμφανής ο τρόπος λειτουργίας και η επιτυχής επικοινωνία των δυο πλεγμάτων. Παρά το σχετικά υψηλό κόστος τέτοιου είδους προσομοιώσεων, η διαδικασία επίλυσης της ροής επιταχύνεται σημαντικά με χρήση παράλληλης επεξεργασίας.

The Parallel CFD & Optimization Unit of the Lab. of Thermal Turbomachines of NTUA has a long tradition in developing CFD software – either in-house or open source- that can handle compressible and incompressible flows, either viscous or inviscid, steady or unsteady. This diploma thesis uses OpenFOAM, an open source generic purpose CFD software, in order to simulate the flow in turbomachinery problems, by laying emphasis to rotor-stator-interaction problems. So far, it was fairly standard to simulate each component separately, but since there are strong interactions between the components, especially between stator and rotor, many attempts have been made lately to introduce this interaction into the computation by different coupling procedures. In order to lower the computing cost, these simulations are usually performed steady state by applying an averaging procedure in the circumferential direction (“mixing plane”) or quasi- steady where the rotor and stator are modeled at a fixed position relative to each other (“frozen rotor”), while rotational terms are included in the moving frames though transient effects are neglected. In this thesis, a real-time interpolation scheme is used for the flow variables between the rotor and stator flow domains, combined with mesh rotation. The latter method, while engaging more computational resources comparing to other methods, takes into consideration both the interaction and unsteady effects, and increases accuracy. The current thesis also emphasizes in mesh generation for flow domains around 3D blades by expanding/generalizing an in-house software. Moreover, it uses general purpose utilities (or utilities implemented with respect to turbomachinery problems) of OpenFOAM in order to maintain peripheral periodicity in flow domains, while focusing on the process used for the communication of the meshes. Two cases of an axial compressor stage are presented in order to demonstrate the success of the interpolation method. The computational cost of the simulation is significantly reduced by parallel processing.