The turbulence models review for aerodynamic, thermal and structural problems in jet engine turbines.

Abstract


Analysis of the aerodynamic, thermal and aeroelasticity (including vibration) processes in gas turbine stage is principal for a design and creating turbines and jet engine integrally. In this article was the review showed for the basic problems, which are solved by engineers for the gas turbines design and take a numerical analysis of flow. The special aspects was showed which appearance in the vanes and blades channels for turbojets turbine. The fundamental structure of the boundary layer and vortices on the low and high pressure faces of blade was demonstrated also. A target of this article is a review of current classification of the turbulence models and a review of best practices which include this turbulence models usage for the scientific and engineering problems. Authors describe the basic classification and the small specification with the application domain for each turbulence model (for aircraft). The general equation was demonstrated for URANS with a description of the Spalart – Allmaras, k-ε, k-ω, Menter’s SST, SST Gamma-ReTheta turbulence models. For LES, DES and DNS was showed description with the features only.The article contains the publications analysis with the turbulence models for three basic problems: aerodynamics, cooling problem (heat exchange) and structural problems (aeroelasticity, vibration resistance, stress limits, fatigue resistance). The turbulence models with high frequency of usage was presented in the current review moreover review contains the reasons of the models usage, the models hypothesizes, the changes of models (if it exists) and the solution accuracy. The solution accuracy was analyzed between different models of turbulence and between softwares for CFD. All arguments and conclusions was based on the different publications summary which was used for the review creating, and on data (numerical and graphical results) which was included in the researched CFD-articles. A little bit of the comparative analysis between CFD-softwares was created with the software’s user guides, the public reports and articles which includes the numerical researches in this problem. All results of the current review was presented in the general conclusions in end of article.

Full Text

Газовые турбины являются неотъемлемой частью газотурбинных двигателей (ГТД), позволяющей преобразовать энтальпию продуктов сгорания в механическую работу на валу. В связи с этим к ним предъявляется множество требований, затрагивающих как эффективность использования энергии, так и надежность, т.е. безотказную работу в течение всего периода эксплуатации ГТД [1; 2].Надежность, как правило, складывается из множества факторов. Это и надежность отдельных узлов (валов, подшипников, лопаток), и качество материалов, и режимы работы всего турбокомпрессора. Но самым важным фактором, от которого зависит большинство перечисленных, является наличие эффективной системы охлаждения. Без нее в современных ГТД пятого, шестого поколения и поколения 6+ невозможно представить работу турбин высокого давления (ТВД) по причине существенных температур рабочего тела на выходе из камеры сгорания (более 2000 К) [3]. Лопатки ТВД современных ГТД работают в условиях, превышающих температуру плавления материалов, из которых они изготовлены, на 150–200 градусов.Проектирование системы охлаждения тесно связано с анализом течения потока продуктов сгорания в межлопаточных каналах, а также с анализом потока охлаждающего воздуха, пропускаемого через лопатки и выдуваемого на их поверхность.Качественно и количественно верное моделирование течения способно спрогнозировать режимы охлаждения лопаток, а значит, способно дать оценку величин локальных коэффициентов теплоотдачи как на внутренних, так и на внешних поверхностях лопатки, а также на остальных поверхностях, участвующих в теплообмене (диск турбины, корпус, бандажные полки и т.д.).Информация о возможных коэффициентах теплоотдачи позволяет вычислить величины конвективных тепловых потоков, а значит определить теплонапряженность деталей и требуемую степень их охлаждения. Помимо этого, на основании тепловых расчетов можно осуществлять предварительный подбор материалов конструкции либо оптимизировать систему охлаждения.Здесь возникает фундаментальная проблема, заключающаяся в верном выборе моделей турбулентности, так как именно с их помощью определяются скорости потока, а затем и коэффициенты теплоотдачи. При этом основной задачей становится не только детальное описание ядра потока, но и как можно более точное описание течения вблизи стенки, т.е. анализ гидродинамических и тепловых пограничных слоев.

About the authors

M. A. Savin

Perm National Research Politechnic University

A. I. Plotnikov

Perm National Research Politechnic University

M. A. Oshivalov

Perm National Research Politechnic University

References

  1. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учебник для студентов специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки». Серия: Газотурбинные двигатели. – М.: Машиностроение, 2007. – 396 с.
  2. Кулагин И.И. Теория авиационных газотурбинных двигателей. – М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1955. – 416 с.
  3. Харченко Р.В. Способ проектирования межпрофильных торцевых поверхностей охлаждаемой ступени турбины с интенсивными вторичными течениями: дис. … канд. техн. наук. – Рыбинск, 2021. – 151 с.
  4. Численное моделирование сопряженного теплообмена при обтекании лопаток газовых турбин / Р.Б. Кузьмин, Ю.В. Полежаев, А.Ф. Поляков, Д.Л. Ревизников // Теплофизика высоких температур. – 1995. – Т. 33, № 4. – С. 608–615.
  5. Григор Б.П. Особенности обтекания газовым потоком рабочих лопаток турбин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва. – 2006. – № 2-1(10). – С. 65–68.
  6. Разработка конструктивных мероприятий, обеспечивающих снижение вторичных потерь в венцах газовой турбины / В.В. Вятков, Д.В. Карелин, С.А. Ковалев, Т.В. Томилина // Омский научный вестник. – 2012. – № 2 (110). – С. 157–160.
  7. Вторичные течения в трансзвуковой решетке. Сравнение результатов экспериментов и расчетов / Ф. Басси, С. Оснаги, А. Пердичицци, М. Савини // Современное машиностроение. – 1990. – № 6. – С. 1–9.
  8. Блэр М.Ф. Экспериментальное исследование теплоотдачи и пленочного охлаждения торцевых стенок крупногабаритных турбин // Труды американского общества инженеров-механиков – Теплоотдача. – 1974. – № 4. – С. 92–99.
  9. Исследование рабочего процесса в ступени осевой турбины с помощью универсального программного комплекса Ansys CFX: метод. указания / сост. О.В. Батурин, Д.А. Колмакова, В.Н. Матвеев, Г.М. Попов, Л.С. Шаблий – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. – 100 с.
  10. Axial Turbine Aerodynamics for Aero-engines. Flow Analysis and Aerodynamics Design / Zhengping Zou, Songtao Wang, Huoxing Liu, Weihao Zhang // Shanghai Jiao Tong University Press. – Shanghai: Springer, 2018. – P. 572.
  11. Тихонов Н.Т., Мусаткин Н.Ф., Матвеев В.Н. Теория лопаточных машин авиационных газотурбинных двигателей. – Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2001. – 155 с.
  12. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных и лопаточных машин. – М.: Машиностроитель, 1970. – 612 с.
  13. Гусаров С.А. Оценка канальных потерь в решетках осевых малоразмерных турбин // Труды МАИ. – 2012. – № 53. – С. 11.
  14. Daniel Back da Trindade, Pamela Buga?a, Domenico Simone. Review of loss models for high pressure turbines // Journal of KONES Powertrain and Transport. – 2018. – Vol. 25, no. 2. – P. 37–44. doi: 10.5604/01.3001.0012.2772
  15. Simcenter STAR-CCM+ 16.06.008-R8. User Guide. – Siemens, 2020.
  16. Галимзянов Ф.Г., Галимзянов Р.Ф. Теория внутреннего турбулентного движения. – Уфа: Эксперт, 1999. – 352 с.
  17. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. – СПб.: Балтийский гос. техн. ун-т «Военмех», 2005. – 91 с.
  18. Юн А.А. Теория и практика моделирования турбулентных течений. – М.: URSS, 2009. – 272 с.
  19. Numerical Simulation of Performance of an Axial Turbine First Stage / Vinícius Guimarães Monteiro, Edson Luiz Zaparoli, Cláudia Regina de Andrade, Rosiane Cristina de Lima // J. Aerosp. Technol. Manag., São José dos Campos. – 2012. – Vol. 4, no. 2. – P. 175–184. doi: 10.5028/jatm.2012.04025411
  20. Duane R. Epp. Towards a Design Tool for Turbomachinery : A thesis for the degree of Masters of Applied Science Graduate Department of Aerospace Engineering. – Toronto, 2010. – P. 61.
  21. David C. Wilcox. Formulation of the k-? Turbulence Model Revisited // AIAA JOURNAL. – 2008. – Vol. 46, no. 11. – P. 2823–2838.
  22. Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. – СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2012. – 88 с.
  23. The SST Turbulence Model with ImprovedWall Treatment for Heat Transfer Predictions in Gas Turbines / Florian Menter, Jorge Carregal Ferreira, Thomas Esch, Brad Konno // Proceedings of the International Gas Turbine Congress 2003 Tokyo November 2–7. – 2003. – P. 1–7.
  24. ANSYS Fluent 12.0 Theory Guide [Электронный ресурс]. – URL: https://www.afs.enea.it/ project/neptunius/docs/fluent/html/th/node57.htm (дата обращения: 20.12.2022).
  25. Vesselin Krassimirov Krastev, Luca Silvestri, Giacomo Falcucci. A Modified Version of the RNG k–ε Turbulence Model for the Scale-Resolving Simulation of Internal Combustion Engines // Energies. – 2017. – No. 10 (2116). – P. 16. doi: 10.3390/en10122116
  26. Сергеенко К.М., Головизнин В.М., Глотов В.Ю. LES-моделирование турбулентного теплообмена при течении свинцового теплоносителя в круглой трубе при различных числах Рейнольдса // Математическое моделирование. – 2018. – Т. 30, № 7. – С. 29–46.
  27. Численный расчет давления на поверхности сильно нагруженной лопатки турбины в расчетных и нерасчетных условиях / С. Вакилипур, М. Хабибниа, М.Х. Сабур, Р. Риази, М. Мохаммади // Теплофизика и аэромеханика. – 2017. – Т. 24, № 3. – С. 483–496.
  28. Маслов В.П. Закон Колмогорова и масштабы Колмогорова и Тейлора в анизотропной турбулентности. Возникновение турбулентности как результат трехмасштабного взаимодействия // Теоретическая и математическая физика. – 1993. – Т. 94, № 3. – С. 368–374.
  29. Шевченко М.И. Проектирование охлаждаемых деталей ГТД с опережающей верификацией теплогидравлических моделей на примере охлаждаемых лопаток газовой турбины: дис. … канд. техн. наук. – М., 2016. – 193 с.
  30. Сипатов А.М., Гомзиков Л.Ю. Оценка теплового состояния рабочей лопатки турбины высокого давления на основе трехмерного моделирования // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2010. – Т. 12, № 4. – С. 215–226.
  31. Чупин П.В. Разработка метода расчета внешнего теплообмена лопаток газовых турбин, основанного на решении осредненных уравнений Навье – Стокса и модели ламинарно-турбулентного течения газа: дис. … канд. техн. наук. – Рыбинск, 2010. – 141 с.
  32. Fusheng Meng, Qun Zheng, Jian Zhang. Effects of Blade Fillet Structures on Flow Field and Surface Heat Transfer in a Large Meridional Expansion Turbine // Energies, 2019. – № 12 (3035). – P. 19. doi: 10.3390/en12153035
  33. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Наука, 1974. – 712 с.
  34. CHT analyses of an industrial gas turbine blade: comparison between an in-house developed decoupled procedure and CFD coupled simulations / L. Andrei, A. Andreini, A. Bonini, R. Da Soghe, B. Facchini, L. Mazzei, A. Ciani, L. Innocenti // 10th European Turbomachinery Conference, Finland, – 2013. – P. 13.
  35. A decoupled CHT procedure: application and validation on a gas turbine vane with different cooling configurations / L. Andreia, A. Andreinia, B. Facchinia, L. Winchlera // Energy Procedia. – 2014. – No. 45. – P. 1087–1096.
  36. Кривоносова В.В., Кортиков Н.Н. Анализ и совершенствование системы охлаждения сопловой лопатки газовой турбины // Научно-технические ведомости CПбПУ. – 2018. – Т. 24, № 3. – С. 80–90. doi: 10.18721/JEST.240307
  37. Marwan Effendy, Yufeng Yao, Denis R. Marchant. Detached-Eddy Simulation of Trailing-Edge (TE) Cutback Turbine Blade Cooling // MATEC Web of Conferences 135. – 2017. – P. 13. doi: 10.1051/matecconf/201713500008
  38. Luque S., Povey T. A Novel Technique for Assessing Turbine Cooling System Performance / S. Luque, T. Povey // Journal of Turbomachinery. – 2011. – Vol. 133. – P. 839–849. doi: 10.1115/GT2009-60022
  39. Нигматуллин Р.З., Терентьева Л.В. Моделирование тонального шума турбины низкого давления // Авиационные двигатели. – 2019. – № 2 (3). – С. 3–14.
  40. Mohammad Arabnia. Aerodynamic Shape Optimization of Axial Turbines in Three Dimensional Flow: A Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy. – Montreal, Quebec, 2012. – P. 142.
  41. Попова Д.Д., Попов Д.А., Самойленко Н.А. Исследование влияния параметров сеточной модели и модели турбулентности на качество моделирования аэродинамических процессов в области радиального зазора рабочих лопаток турбины // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2021. – № 66. – С. 67–78. doi: 10.15593/2224-9982/2021.66.07
  42. Яковлева С.Ю. Повышение КПД ступени газовой турбины при воздушном наддуве радиального зазора рабочего колеса : дис. … канд. техн. наук. – Рыбинск, 2016. – 138 с.
  43. Amir Nejat, Ali Izadi, Vahid Esfahanian. Assessment of various rotor tip geometries on a single stage gas turbine performance // Energyequipsys. – 2013. – Vol. 1. – P. 19–34.
  44. Ершов С.В., Яковлев В.А., Гризун М.Н. Численное моделирование ламинарно-турбулентного перехода в высоконагруженной трансзвуковой турбинной решетке // Авиационно-космическая техника и технология. – 2017. – № 7 (142). – С. 59–69.
  45. Claudia Florentina Balan. CFD validation of a new gas turbine stage design with experimental data: Master’s Degree Thesis. – Stockholm, 2022. – P. 83.
  46. Large Eddy Simulation of a high pressure turbine stage: effects of subgrid scale modeling and mesh resolution / Dimitrios Papadogiannis, Florent Duchaine, Frederic Sicot, Laurent Gicquel, Gaofeng Wang, Stephane Moreau // ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition, Germany. – 2014. – P. 13.
  47. Large-scale integrated LES-RANS simulations of a gas turbine engine / J. Schlüter, S. Apte, G. Kalitzin, E.V.D. Weide, J.J. Alonso, H. Pitsch // Annual Research Briefs. – 2005. – P. 111–120.
  48. Шуваев Н.В. Методика численного моделирования аэроупругого взаимодействия компрессорных лопаток газотурбинного двигателя с дозвуковым набегающим потоком воздуха : дис. … канд. техн. наук. – Пермь, 2014. – 133 с.
  49. Zhao F., Nipkau J., Vahdati M. Influence of acoustic reflection on flutter stability of an embedded blade row // 11th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics and Thermodynamics ETC11, Madrid, Spain, March 23–27. – 2015. – P. 13.
  50. Iroizan Ubulom. Influence of fluid-structure interaction modelling on the stress and fatigue life evaluation of a gas turbine blade // Journal of Power and Energy. – 2021. – Vol. 235(5). – P. 1019–1038. doi: 10.1177/0957650920967559
  51. Разработка метода прогнозирования уровня вибронапряжений в лопатках ГТД / Р.В. Журавлев, Р.А. Диденко, Н.С. Лугинина, Д.В. Габов // Труды МАИ. – 2013. – № 65. – С. 1–19.
  52. Iroizan Adasi Ubulom. Fluid-structure and Thermal Interactions Modelling for an HP Turbine Blade Fatigue Life Evaluation: A Thesis Submitted in Fulfilment of the Requirement for the Degree of Doctor of Philosophy. – Canberra, 2019. – P. 234. doi: 10.26190/unsworks/21181
  53. Быков Ю.А., Гнесин В.И. Численное моделирование связанных аэротермоупругих колебаний турбинной лопатки // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2011. – № 5/7 (53). – С. 4–8.
  54. Dhopade P., Neely A.J., Young J. Fluid-Structure Interaction of Gas Turbine Blades // 17th Australasian Fluid Mechanics Conference, New Zealand, Auckland. – 2010. – P. 4.
  55. Computational Fluid Dynamic Analysis of a Vibrating Turbine Blade / Osama N. Alshroof, Gareth L. Forbes, Nader Sawalhi, Robert B. Randall, Guan H. Yeoh // International Journal of Rotating Machinery. – 2012. – Vol. 2012. – P. 15. doi: 10.1155/2012/246031
  56. Gregory Janse van Vuuren. Extracting blade condition information from the pressure field around a turbine blade : Master of Mechanical Engineering Thesis. – Pretoria, 2019. – P. 95.
  57. Aschenbruck J., Meinzer C.E., Seume J.R. Influence of regeneration-induced variances of stator vanes on the vibration behavior of rotor blades in axial turbines // 10thEuropean Conference on Turbomachinery Fluid dynamics and Thermodynamics, April 15–19, Lappeenranta, Finland. – 2013. – P. 13.
  58. Учет влияния сжимаемости газа в γ-модели ламинарно-турбулентного перехода / Е.С. Матяш, А.А. Савельев, А.И. Трошин, М.В. Устинов // Журнал вычислительной математики и математической физики. – 2019. – Т. 59, № 10. – С. 1779–1791. doi: 10.1134/S0044466919100119
  59. Wilhelm D. Rotating Flow Simulations with OpenFOAM // International Journal of Aeronautical Science and Aerospace Research (IJASAR). – 2015. – P. 1–7.
  60. Guillermo Giraldo. CFD Modeling, Analysis, and Online Simulation For Beginners [Электронный ресурс]. – URL: https://www.simscale.com/blog/cfd-analysis-for-beginners/ (дата обращения: 18.12.2022).
  61. Scope of CFD Analysis: Career and Job Opportunities [Электронный ресурс]. – URL: https://cfdflowengineering.com/scope-of-cfd-modeling-career-and-job-opportunities/ (дата обращения: 18.12.2022).
  62. Michelle Segrest, Ralph-Peter Müller. The Evolution of Digital Turbomachinery Design [Электронный ресурс]. – URL: https://empoweringpumps.com/cfturbo-the-evolution-of-digital-turbomachinery-design/ (дата обращения: 18.12.2022).
  63. Amrita Pathak. 10 Best CFD Analysis Software for Advanced Product Development [Электронный ресурс]. – URL: https://geekflare.com/best-cfd-analysis-software/ (дата обращения: 18.12.2022).
  64. Особенности моделирования движения многофазного потока в воздухозаборнике газотурбинного двигателя / Г.Г. Еникеев, А.Т. Бикмеев, А.А. Соловьев, А.А. Касаткин, К.Р. Юлмухаметов // Вестник УГАТУ. – 2011. – Т. 15, № 4 (44). – С. 18–24.
  65. Тонков Л.Е., Чернова А.А., Копысов С.П. Моделирование несимметричных отрывных течений при старте сопла двигателя // Труды Математического центра имени Н.И. Лобачевского: лекционные материалы молодежной научной школы-конференции в рамках Десятой Всероссийской конференции «Сеточные методы для краевых задач и приложения», Казань, 17–22 сентября 2012 года. – Казань: Отечество, 2013. – Т. 48. – С. 84–97.
  66. Сравнение эффективности вычислительных алгоритмов пакетов OpenFOAM и STAR-CCM+ при моделировании сверхзвуковых струйных течений / А. Аль-Зуби, Й. Белке, М.Д. Калугин, В.Н. Корчагова, М.В. Крапошин // CAD/CAM/CAE Observer. – 2018. –№ 4 (120). – С. 58–66.
  67. Помилуйко А.С. Математическое моделирование сверхзвуковых течений газа с использованием пакета OPENFOAM: дис. … магистр по направлению 16.04.01. – Томск, 2019. – 48 с.
  68. OpenFOAM: User Guide v2112 The open source CFD toolbox [Электронный ресурс]. – URL: https://www.openfoam.com/documentation/guides/v2112/doc/ (дата обращения: 18.12.2022).
  69. Asteris Apostolidis. Turbine cooling and heat transfer modelling for gas turbine performance simulation: Ph.D. thesis. – Cranfield, 2015. – P. 206.
  70. Применение полуэмпирических моделей турбулентности для моделирования турбулентной конвекции / С.М. Дмитриев, О.Л. Крутякова, А.С. Козелков, А.А. Куркин, В.В. Курулин, Д.А. Уткин // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2019. – № 2 (125). – С. 18–33.

Statistics

Views

Abstract - 162

PDF (Russian) - 90

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies