Валідація відкритої бібліотеки OpenFoam гідротурбін для високонапірного відцентрового компресора

Abstract

Спеціальний програмний модуль до OpenFoam додано достатньо давно, більш ніж 10 років тому, й достатньо велика кількість робіт присвячена його використанню для вирішення проблем турбінобудування. Неточності моделювання можуть виникати за збільшення швидкості до надзвукової течії. Метою роботи є валідація відкритої бібліотеки OpenFoam гідротурбін для розрахунку течії у високонапірному відцентровому компресорі та знаходження оптимальних за ККД та співвідношенням повних тисків параметрів та моделі розрахунку. Для числового розрахунку використано осереднення за Рейнольдсом рівнянь Нав'є-Стокса, що застосовані в CFD-бібліотеці OpenFoam v. 2212. В роботі для замикання рівнянь математичної моделі використано дві найбільш вживаних для подібних задач моделі турбулентності: k-ε модель та SST-модель. Моделювання здійснено за допомогою модифікованої версії солвера sonicFoam, який доступний у OpenFoam. Максимальна помилка розрахунку співвідношення повного тиску в робочій зоні для усіх моделей склала 3 %. Усі моделі погано поводяться у зоні низьких витрат. Нахил усіх кривих відповідає експериментальній характеристиці. Розрахунок за моделями з дуже гарними сітками в середньому приводить до збільшеного на 2 % співвідношення тисків. Використання OpenFoam дозволяє точно (максимальна похибка не перевищує 5 %) прогнозувати інтегральні параметри високонапірного відцентрового компресора. Найбільш точно ККД прогнозує модель SST із використанням сіток більше ніж 2,56 млн. елементів, але такої кількості елементів не достатньо для якісного прогнозу характеристик компресора за малих витрат. У подальших дослідженнях раціонально використовувати сітки, що складаються щонайменше з 5 млн. елементів та використовувати SST-модель турбулентності.

A special program module was added to OpenFoam more than 10 years ago, and a large number of studies have been devoted to its use for solving turbine engineering problems. Modeling inaccuracies can occur when the velocity is increased to supersonic flow. The aim of this work is to validate the OpenFoam open library of hydraulic turbines for the a high-pressure centrifugal compressor flow calculation and finding the parameters and calculation model that are optimal in terms of efficiency and total/total pressure ratio. For the numerical calculation, we used Reynolds averaging of the Navier-Stokes equations, which are used in the CFD library OpenFoam v. 2212. In this work, the two most commonly used turbulence models for such problems are used to close the equations of the mathematical model: the k-e model and the Shear stress transport (SST) model. The simulation was performed using a modified version of the sonicFoam solver, which is available in OpenFoam. The maximum error in calculating the total pressure ratio in the working zone for all models was 3 %. All models behave poorly in the low mass flow rate zone. The slope of all curves corresponds to the experimental characteristic. The calculation using the models with very fine meshes on average determines a 2 % increase in the total-to-total pressure ratio. Using OpenFoam, the integrated parameters of a high-pressure centrifugal compressor can be predicted accurately (maximum error does not exceed 5 %). The most accurate efficiency is predicted by the SST model using meshes of more than 2.56 million elements, but this number of elements is not enough to predict the compressor's performance at low flow rate zone. In further research, it is rational to use grids consisting of at least 5 million elements and use the SST turbulence model.