Выбор сеточной модели и оценка влияния измерительных приборов в задачах моделирования вязкого потока в малорасходных ступенях центробежного компрессора

С.В. КАРТАШОВ, sergey.v.kartashov@gmail.com; канд. техн. наук Ю.В. КОЖУХОВ, kozhukhov_yv@mail.ru
ФГАОУ ВО СПбПУ Петра Великого

В работе рассматриваются выбор сеточной модели и оценка влияния измерительных приборов, расположенных в проточной части (ПЧ) при численном моделировании (RANS-­подход) вязкого потока газа в малорасходной ступени центробежного компрессора с условным коэффициентом расхода Ф = 0,008 в программном комплексе Numeca Fine/Turbo. Проведена оценка влияния измерительных приборов – трубок полного давления, расположенных в трех сечениях по диаметру диффузора. Сделан вывод о незначительном влиянии измерительных приборов по сравнению с другими видами потерь в малорасходной ступени центробежного компрессора. Рассмотрен вопрос сеточной независимости решения расчетной модели в рабочем тракте ступени и притрактовых областях. Показано, что обеспечение сеточной независимости решения в притрактовых областях малорасходной ступени важно не менее, чем в лопаточных аппаратах проточной части. Оценено влияние безразмерного расстояния первого пристеночного слоя y+ при использовании низкорейнольдсовой модели турбулентности Spalart­Allmaras.

Ключевые слова: центробежный компрессор, малорасходная ступень, вычислительная газодинамика, измерительные приборы, сеточная модель, лабиринтные уплотнения, сеточная независимость, Numeca Fine/Turbo, модель турбулентности Spalart­Allmaras.

The choice of a grid model and estimation of the influence of measurement devices at simulating a viscous flow in low­flow stages of a centrifugal compressor

S.V. KARTASHOV, sergey.v.kartashov@gmail.com; PhD Yu.V. KOZHUKHOV kozhukhov_yv@mail.ru
FGAOU VO Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

The paper deals with the choice of a grid model and estimation of the influence of measurement devices placed in the flow part  (FP) at numerical simulating (RANS­approach) a viscous gas flow in a low­flow stage of a centrifugal compressor at conditional flow coefficient Ф = 0.008 using the Numeca Fine/Turbo program. The influence of measurement devices ­ total pressure tubes placed in three sections along the diameter of the diffuser was estimated.  The conclusion obtained is that the measurement devices affected slightly the losses as compared with other types of losses in the low­flow stage of the centrifugal compressor. The problem of the grid independence of the solution of a calculation model in the working path of the stage as well as in the adjacent areas was examined. It was shown that ensuring the grid independence of the solution in the adjacent areas of the low­flow stage was of no less importance than in blade apparatuses of the flow part. The influence of the dimensionless distance of the first near­wall layer y+, when using the Spalart­Allmaras low Reynolds number model of turbulence was evaluated.

Keywords: centrifugal compressor, low-flow stage, computational gas­dynamics, measurement devices, grid model, labyrinth packing, grid independence, Numeca Fine/Turbo, Spalart-Allmaras turbulence model

Список литературы

1. Бурдюгов С.И., Ерышкин Ю.П., Касьянов С.В., Макаров А.А. Опыт пусконаладочных работ многоступенчатых ЦБК с магнитным подвесом// Компрессорные технологии. 2019. №1. С. 12–17.
2. Иванов В.М., Кожухов Ю.В., Данилишин А.М., Садовский Н.И. Моделирование и валидация рабочего процесса в модельной малорасходной ступени центробежного компрессора// Новое в российской электроэнергетике. 2019. №6. С. 12–19.
3. Карташов С.В., Кожухов Ю.В. Обоснование выбора расчетной области в задачах моделирования вязкого потока в малорасходных ступенях центробежного компрессора// Холодильная техника. 2020. №1. С. 22–27.
4. Кожухов Ю.В., Никитин Е.Г. Применение суперкомпьютерных технологий при исследовании методами вычислительной газодинамики пространственного течения малорасходной ступени СВД­22 центробежного компрессора// Труды Международной суперкомпьютерной конференции «Научный сервис в сети Интернет: все грани параллелизма». – Пос. Абрау­Дюрсо, 2013. С. 312–320.
5. Кожухов Ю.В., Чеглаков И.В. Исследование рабочего процесса в малорасходной центробежной компрессорной ступени СВД­22 в программном комплексе Fine/Turbo с верификацией данных расчета// Международный технологический форум «Инновации. Технологии. Производство»: сб. мат. науч.­техн. конф., посвященной 100­летию со дня рождения главного конструктора П. А. Колесова, 2015 г. – Т. 1. – Рыбинск: РГАТУ им. П.А. Соловьева, 2015. Т. 1. С. 135–139.
6. Неверов В.В., Чеглаков И.В., Любимов А.Н. Проектирование центробежных компрессорных машин с использованием методов вычислительной газодинамики// Компрессорная техника и пневматика 2018. №4. С. 24–28.
7. Неверов В.В., Кожухов Ю.В., Яблоков А.М., Лебедев А.А. Расчетная модель при численной оптимизации рабочих колес центробежных компрессоров// Научно­технические ведомости СПбГПУ. 2016. Вып. 4(254). С. 45–58.
8. Рахманина Л.А., Аксенов А.А. Исследование влияния неравномерного распределения абсолютной скорости потока на входе в осерадиальное рабочее колесо центробежного компрессора с применением методов численного моделирования в Ansys CFX// Компрессорные технологии. 2019. №2. С. 18–25.
9. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. – Л. : Машиностроение, 1981. – 351 с.
10. Свобода Д.Г., Жарковский А.А. Экспериментальные и расчетные исследования осевого насоса с быстроходностью ns=560 // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. №4(2). С. 579–582.
11. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры. Применение, теория, расчет: пер.с нем. Е.С. Фролов, Б.Д. Захаров. – М.: Гос.науч.­техн.изд­во машиностроит. лит., 1959. – 678 с.
12. Aschenbruck J., Hauptmann T., Seume J. 2015, Influence of a Multi­Hole Pressure Probe on the Flow Field in Axial­Turbines// Proceedings of 11th European Turbomachinery Conference, March 23–27, 2015, Madrid, Spain, ETC2015­155.
13. Ayhan Nazmi Ilikan, Erkan Ayder. Effect of the Computational Domain Selection on the Calculation of Axial Fan Performance// 16th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, United States, Apr 2016.
14. Denton J.D. Some Limitations of Turbomachinery CFD// ASME. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. Volume 7: Turbomachinery, Parts A, B and С. P. 735–745. doi:10.1115/GT2010­22540.
15. Kozhukhov Yu.V., Danilishin A.M., Kartashov S.V., Lebedev A.A., Malev K.G., Mironov Yu.R. Design optimization opportunity of the end stage output plenum chamber of the centrifugal compressor for gas pumping unit// AIP Conference Proceedings, 2007.
16. Le Sausse P., Fabrie P., Arnou D., Clunet F. CFD comparison with centrifugal compressor measurements on a wide operating range// EPJ Web of Conferences, 2013. Vol. 45. P. 01059.
17. Lettieri C.C., Baltadjiev N.N., Casey M.M., Spakovszky Z.Z. Low­Flow­Coefficient Centrifugal Compressor Design for Supercritical CO2// ASME. J. Turbomach. 2014. № 136 (8).
18. Neverov V.V., Kozhukhov Yu.V., Yablokov A.M., Lebedev A.A. Optimization of a centrifugal compressor impeller using CFD: The choice of simulation model parameters// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017.
19. Pinto R. N., Afzal A., D’Souza L. V., Ansari Z., Mohammed Samee A. D. Computational Fluid Dynamics in Turbomachinery: A Review of State of the Art// Archives of Computational Methods in Engineering. 2016. №24(3). P. 467–479.

References

1. Burdugov S.I., Eryshkin Yu.P., Kasyanov S.V., Makarov A.A. Commissioning works of multi­stage centrifugal compressors with magnetic suspension// Compressor technologies. 2019. № 1.P. 12–17.
2. Ivanov V.M., Kozhukhov Yu.V., Danilishin A.M., Sadovsky N.I. Simulation and validation of a stage rotor in the model low­flow stage of a centrifugal compressor//The new in Russian electroenergetics. 2019. № 6. P. 12–19.
3. Kartashov S.V., Kozhukhov Yu. V. Basis of the computational domain selection in the problems of modeling a viscous flow in low­flow stages of a centrifugal compressor//Kholodilnaya Tekhnika. 2020. №1. P. 22–27.
4. Kozhukhov Yu.V., Nikitin E.G. The use of supercomputer technologies at studying a space flow of the low­flow SVD­22 stage of a centrifugal compressor using methods of computational gas­dynamics//Proceedings of Inter. Supercomputer Conf. “Scientific Service in Internet Network: All Facets of Parallelism”. Abrau­Durso, 2013. P. 312­320.
5. Kozhukhov Yu.V., Cheglakov I.V. Study of a stage rotor in a low­flow centrifugal compressor stage SVD­22 in the Fine/Turbo program complex with verification of calculation data//International technological forum “Innovations. Technologies. Production”: Collection of Proceedings of Scient. Techn. Conf. dedicated to 100th anniversary of P.A. Kolesov, chief designer, 2015 – Rybinsk: RGATU n.a. P.A. Solovyev, 2015. V.1, P. 135­139.
6. Neverov V.V., Cheglakov I.V., Lyubimov A.N. Design of centrifugal compressor machines using methods of computational gas­dynamics//Compressor engineering and pneumatics. 2018. № 4. P. 24–28.
7. Neverov V.V., Kozhukhov Yu.V., Yablokov A.M., Lebedev A.A. Design model at numerical optimization of rotors of centrifugal compressors//Scientific and Technical Bulletin of St. Petersburg State Polytechnic University SPbGPU. 2016. Issue 4(254). P. 45–58.
8. Rakhmanina L.A., Aksenov A.A. Study of the effect of the irregular distribution of the absolute flow rate at the inlet of the axial­radial impeller of a centrifugal compressor using Ansys CFX numerical simulation methods // Compressor technologies. 2019. № 2. P. 18–25.
9. Ris V.F. Centrifugal compressor machines. – L.: Mashinostroenie, 1981. – 351 p.
10. Svoboda D.G., Zharkovsky A.A. Experimental and calculation studies of an axial pump at speed of ns=560// Bulletin of Samarsky scientific center, Russian Academy of Sciences. 2013. V. 15. № 4(2). P. 579–582.
11. Eckert B. Axial and centrifugal compressors. Application, theory, calculation/Transl. from German by Frolov E.S., Zakharov B.D. – M.: Gos. nauch.­tekhn. Izd­vo mashinostroit. lit., 1959, ­ 678 p.
12. Aschenbruck J., Hauptmann T., Seume J. 2015, Influence of a Multi­Hole Pressure Probe on the Flow Field in Axial­Turbines// Proceedings of 11th European Turbomachinery Conference, March 23–27, 2015, Madrid, Spain, ETC2015­155.
13. Ayhan Nazmi Ilikan, Erkan Ayder. Effect of the Computational Domain Selection on the Calculation of Axial Fan Performance// 16th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, United States, Apr 2016.
14. Denton J.D. Some Limitations of Turbomachinery CFD// ASME. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. Volume 7: Turbomachinery, Parts A, B and С. P. 735–745. doi:10.1115/GT2010­22540.
15. Kozhukhov Yu.V., Danilishin A.M., Kartashov S.V., Lebedev A.A., Malev K.G., Mironov Yu.R. Design optimization opportunity of the end stage output plenum chamber of the centrifugal compressor for gas pumping unit// AIP Conference Proceedings, 2007.
16. Le Sausse P., Fabrie P., Arnou D., Clunet F. CFD comparison with centrifugal compressor measurements on a wide operating range// EPJ Web of Conferences, 2013. Vol. 45. P. 01059.
17. Lettieri C.C., Baltadjiev N.N., Casey M.M., Spakovszky Z.Z. Low­Flow­Coefficient Centrifugal Compressor Design for Supercritical CO2// ASME. J. Turbomach. 2014. № 136 (8).
18. Neverov V.V., Kozhukhov Yu.V., Yablokov A.M., Lebedev A.A. Optimization of a centrifugal compressor impeller using CFD: The choice of simulation model parameters// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017.
19. Pinto R. N., Afzal A., D’Souza L. V., Ansari Z., Mohammed Samee A. D. Computational Fluid Dynamics in Turbomachinery: A Review of State of the Art// Archives of Computational Methods in Engineering. 2016. №24(3). P. 467–479.