Численный эксперимент в программном комплексе ANSYS CFX для рабочего колеса и безлопаточного диффузора модельной центробежной компрессорной ступени средней быстроходности

Л.В. Решетникова, Г.И. Жалмурзиева, Ю.В. Кожухов

До недавнего времени основным источником получения характеристик турбомашин являлся эксперимент. Однако, он обладает рядом существенных недостатков. Экспериментальное определение характеристик центробежного компрессора получается дорогим, длительным и ограниченным числом измеряемых параметров. В последнее время появилась возможность исследования потоков методами вычислительной газовой динамики, или CFD — методами. Использование CFD – методов при правильной постановке даёт результаты, близкие к экспериментальным. При этом сроки расчётов намного ниже, чем в случае проведения эксперимента.

Целью данной работы является численный эксперимент для рабочего колеса и безлопаточного диффузора модельной центробежной компрессорной ступени и, в последующем, сравнение полученных результатов с экспериментальными. Исследования выполняются с применением пакета программ Ansys CFX (правообладатель лицензии — Отделение вычислительных ресурсов ИТК СПбГПУ).

Работа производилась в несколько этапов:

  1. Построение и корректировка трехмерной модели рабочего колеса при помощи программы BladeGen, входящую в состав пакета Ansys CFX.
  2. Построение блочно-структирированной расчётной сетки рабочего колеса в программе TurboGrid и ее перенесение в программу CFX-Pre для дальнейшего задания граничных условий и расчёта течения.
  3. Построение трехмерной модели безлопаточного диффузора в программе ProEngineer.
  4. Построение блочно-структирированной расчётной сетки безлопаточного диффузора в программе ICEM CFD и ее перенесение в программу CFX-Pre для дальнейшего задания граничных условий.
  5. Построение неструктурированной расчётной сетки с призматическими слоями у стенок входного патрубка в программе ICEM CFD по рекомендациям [1] и ее перенесение в программу CFX-Pre для дальнейшего задания граничных условий.

Общее число элементов всей расчётной области составило 1452466 элементов. Расчётная область показана на рисунке 1.

Рассчитан один из режимов в правой части характеристики со значением условного коэффициента расхода Ф=0,108, при расчётном значении Фр=0,048. На рисунке 2 показаны линии тока и значения скорости в ступени на данном режиме.

Рис. 1. Общий вид расчётной области ступени центробежного компрессора: а) меридиональная проекция, б) радиальная проекция

Рис. 1. Общий вид расчётной области ступени центробежного компрессора:
а) меридиональная проекция, б) радиальная проекция

Рис. 2. Линии тока и значения скоростей в ступени на режиме при Ф=0,108: а) меридиональная проекция, б) радиальная проекция

Рис. 2. Линии тока и значения скоростей в ступени на режиме при Ф=0,108:
а) меридиональная проекция, б) радиальная проекция

На рис. 2 а) видно, что на входе в безлопаточный диффузор на данном режиме образуется отрыв потока на задней стенке. На следующих этапах работы к расчётной области будут добавлены лабиринтные уплотнения, поворотное колено и обратно-направляющий аппарат и будет произведен расчёт во всём диапазоне работы ступени с сопоставлением с данными натурного эксперимента.

Работа выполнена при поддержке Советом по грантам Президента Российской Федерации (грант № МК-5839.2012.8).