Д.М. Харя, А.М. Данилишин

Актуальность. Чаще всего применяют математические модели, например [1], для определения характеристик центробежного компрессора (далее — ЦК) основанные на проведенных модельных испытаниях – натурные эксперименты с моделями (уменьшенными копиями при соблюдении критериев подобия), испытываемыми на специальных исследовательских стендах, что очень дорого и при недостаточно продуманной программе экспериментов не гарантирует получение решения, наилучшего из всех возможных.  Соответственно данные модели имеют погрешность при решении нетипичных ступеней центробежных компрессоров, поскольку затрагивают только достоверно изученные параметры испытанных модельных ступеней. В настоящее время возможно использование методов вычислительной газодинамики как наиболее современный и дешевый метод исследования ступеней центробежных компрессоров, позволяющий с достаточной точностью определить расчетную точку характеристики  [2,4]. Данные методы основаны на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, однако имеют недостатки связанные с моделированием турбулентного течения, поэтому для оценки погрешности численного расчета  следует проводить верификацию типовых модельных ступеней.  Такие задачи верификации численного расчета важны с точки зрения оценки погрешностей расчета, вызвавших их физических явлений и необходимости их сопоставления с каждым моделируемым объектом.

Рисунок 1. Эскиз проточной части ЦК

Цели и задачи работы. Целью данной работы является подготовка расчетной модельной ступени к верификации с экспериментальными данными с помощью пакета ANSYS CFX 16.2.

Объектом исследования ступень центробежного компрессора рис.1 имеющая в своем составе рабочее колесо радиального типа, безлопаточный диффузор и обратно-направляющий аппарат. Междисковые зазоры и лабиринтные уплотнения не включены, поскольку отсутствует их конфигурация.

Для выполнения работы выполнены следующие задачи: изучены чертежи модельной ступени компрессора, построены необходимые расчетные сетки элементов ступени, выполняется адаптация численной модели. Затем делаются CAD — модели лопатки рабочего колеса, безлопаточного диффузора и обратного направляющего аппарата компрессора. После чего  в модуле Geometry строится их проточная часть полученная ранее.

            В результате работы были построены качественные расчетные сетки с суммарным количество ячеек — 3631770. Затем все элементы были собраны в модуле CFX, где были расставлены все граничные условия и параметры расчета (рис. 3).  В соответствии с [3] между сеточным границами выбрано окружное осреднение параметров потока — Stage. Модель турбулентности – SST.  На входе задано полное давление и полная температура. На выходе задан массовый расход. Рабочая среда – совершенный газ – воздух. В контрольных сечениях были расставлены точки  мониторинга для контроля сходимости решения.

Рисунок. 3 Построенная расчетная модель проточной части ЦК с граничными условиями

Произведен пробный расчет  рис.4 с целью проверки значений y+<2, проверки стыкуемости интерфейсов и оценки режима работы.

Рис. 4.

Окончательные расчеты планируется провести в суперкомпьютерном центре – «Политехнический» при помощи гетерогенного кластера РСК «Торнадо». Пользуясь рекомендациям [4] получаем что для эффективного времени решения задачи требуется 72 ядра процессоров, т.е. ~3 узла кластера.

После проведения расчетов планируется произвести обработку результатов с построением характеристики компрессора. Затем произвести сопоставление и сравнение ее с опытной. Вычисляется погрешность.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ю.Б. Галеркин, Ю.В. Кожухов. Теория турбомашин. Основы теории турбокомпрессоров: учеб. пособие – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013.с.245
2. Галеркин Ю.Б., Кожухов Ю.В., Данилишин А.М. Сравнительный анализ результатов расчета вязкого трехмерного потока в комплексе программ Ansys CFX 14.0 и натурного эксперимента для центробежной компрессорной ступени промежуточного типа с учетом протечек. // Неделя науки СПбГПУ. Лучшие доклады: материалы научно-практической конференции с международным участием. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – 17-20 с.
3. Данилишин А.М., Кожухов Ю.В. Анализ влияния на характеристики центробежной компрессорной ступени параметров модели в AnsysCFX. Неделя науки СПбПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. ИЭиТС СПбПУ. Ч.2-СПб.: Изд-во Политехн. ун-та 2014. -228с. с212-214.
4. А.М. Данилишин, Ю.В. Кожухов, Л.В. Гилева, А.А. Лебедев. Верификация CFD-расчета на суперкомпьютере среднерасходных модельных ступеней. Суперкомпьютерные дни в России: Труды международной конференции (26-27 сентября 2016 г., г. Москва). – М.: Изд-во МГУ, 2016. – 1128 с. с. 816-828