dr inż. Paweł Jonak

Application and evaluation of fully turbulent and transition-sensitive turbulence models for turbomachinery flows

Streszczenie:

Turbina niskiego ciśnienia (LPT) jest jednym z najważniejszych elementów silnika lotniczego. Osiągi aerodynamiczne turbiny mają zatem kluczowe znaczenie dla producentów silników lotniczych. Obecnie do projektowania aerodynamicznego elementów turbin najczęściej stosowane są metody RANS (ang. Reynolds-averaged Navier-Stokes). Wykorzystywane są zarówno modele w pełni turbulentne jak i modele uwzględniające przejście laminarno-turbulentne w warstwie przyściennej. Ocena dokładności modeli opartych na podejściu RANS ma zatem kluczowe znaczenie dla jakości procesu projektowania aerodynamicznego turbin niskiego ciśnienia.

W pracy doktorskiej przedstawiono walidację trzech modeli turbulencji (k-ε, k-ω i k-ω SST) dla przepływu przez płaską palisadę o nieskończenie dużej liczbie łopat utwierdzonych na płaskiej płycie. Dokonano szczegółowej analizy przepływu wtórnego w pobliżu podstawy łopat. Wyniki symulacji numerycznych porównano z danymi eksperymentalnymi. Analizy porównawcze pokazały, że w klasie modeli w pełni turbulentnych modele k-ω i k-ω SST najlepiej opisują dynamikę przepływu w pobliżu podstawy łopat. Następnie dokonano analiz przepływu przez czterostopniową turbinę niskiego ciśnienia z zastosowaniem modeli k-ω i k-ω SST. Wyniki symulacji numerycznych porównano z wynikami pomiarów uzyskanymi w Laboratorium Badań Napędów Lotniczych Polonia Aero zlokalizowanym w Zielonce, Polska. Ocenę jakości wyników numerycznych wykonano poprzez porównanie masowego natężenia przepływu, rozkładów ciśnień na powierzchni łopat na wlocie do turbiny a także uśrednionych masowo ciśnień całkowitych oraz temperatur całkowitych w wybranych przekrojach turbiny. Wykazano, że modele k-ω i k-ω SST w poprawny sposób pozwalają wyznaczyć uśrednione masowo wielkości w wybranych przekrojach na wlocie i wylocie z turbiny. Wyniki przeprowadzonych analiz pozwoliły również stwierdzić, że przepływ wtórny jaki powstaje przy podstawie i na końcówkach łopat w wieńcu kierowniczym w znaczący sposób wpływa na wielkość strat ciśnienia całkowitego.

Warstwa przyścienna na znacznej części powierzchni łopat w wieńcu kierowniczym i wirnikowym turbiny może mieć charakter laminarny lub może dojść do zjawiska przejścia laminarno-turbulentnego. W związku z tym, konieczne jest opracowanie wiarygodnych modeli przejścia laminarno-turbulentnego, które w poprawny sposób opisywałyby dynamikę procesu turbulizacji warstwy przyściennej. W pracy doktorskiej przedstawiono również rozwinięcie algebraicznego modelu przejścia laminarno-turbulentnego dla przepływu w oderwanej warstwie przyściennej celem poprawy oszacowań punktu przejścia laminarno-turbulentnego w obecności dużego poziomu turbulencji w przepływie poza warstwą i dla dużego dodatniego gradientu ciśnienia w kierunku głównym przepływu. Uzyskane wyniki symulacji numerycznych zostały porównane z referencyjnymi wynikami LES (ang. large eddy simulation) oraz z wynikami uzyskanymi przy użyciu w pełni turbulentnego modelu k-ω i modelu przejścia laminarno-turbulentnego LCTM (ang. local correlation-based transition model) autorstwa Mentera i in. dla przepływu przez płaską palisadę z łopatami utwierdzonymi na płycie. Zarówno model algebraiczny jak i model LCTM pozwalają uzyskać dobrą zgodność z referencyjnymi wynikami LES na uśrednionych masowo rozkładach ciśnień całkowitych wzdłuż kanału międzyłopatkowego. Jednak model algebraiczny jest dokładniejszy od modeli LCTM i k-ω w oszacowaniach poziomu strat ciśnienia całkowitego w rdzeniach struktur wirowych i kątów prędkości na wylocie z palisady. Dlatego też ulepszony algebraiczny model przejścia laminarno-turbulentnego możne stanowić alternatywę dla powszechnie stosowanych modeli przejścia laminarno-turbulentnego opartych na rozwiązaniu dodatkowych równań transportu.