Некорректное определение расхода моделями RANS

[tik4 0]

Добрый день, уважаемые формучане :) по ходу практического примения CFX в реальных задачах проектирования турбомашин возникла одна проблема - занижение расхода воздуха RANS моделями в каналах сложной формы. Использовались в основном 2 модели: SST и RNG k-e. Особенно критична разница в расходах охлаждающего воздуха в лопатках турбины (струйный обдув изнутри через дефлектор и вытекание через выходную щель - разница расходов - в 1.5 ... 2 раза меньше, чем по торированной гидравлике и косвенным данным эксперимента) Параметры сетки, вроде бы, по Фень-шую - и призмы на 10-15 слоев прилили и сетки по 30 млн узлов, а расхода нет. Эффектиность пленочного охлаждения SST, кстати, тоже определяет неправильно, но ее вправить проще. Как можно "подкрутить" например SST, чтобы пропустить повышенный расход? Я, к сожалению, недостаточно глубоко знаком с математикой, хотя на пальцах пойму :)

Изменено 22 февраля 2012 пользователем tik4

[IGL 8]

А как мерили расход?

Как сопоставляли его с экспериментом?

[CFDenis 0]

тут скорее не вопрос мод. туб. а эксперимента......

откуда у вас данные по распределению расходов по каналам ?

не говоря уже о отверстиях?

есть модельные эксп. "по стакану" но там тоже расход мереется только через всю с-му......

и опять же там нет внешнего обтекания лопатки вовсе.......

сопоставлять с 1-М расчетами тоже смысла нет.

так что здесь "область неопределенности"

хотя вы пишите отличие в 2 раза это конечно слишком.

отличия систематические ? те не ряде расчетов? некомформное сопряжение сеток есть?

вообще если нет косяков с сетками то расход от модели к модели менятся не будет +- 1 %.

что касается коэфициента теплоотдачи попробуйте в2ф Дурбина вроде как она тепловой ПС должна считать корректней 2-х параметрических моделей.

ну и можно еще поэксперементировать с переходными моделями.

но это все требует идентификации и конечно не на сетки в 30 мил. для охл. лопатки в полной постановке ,

а на модельных задачах.....

[tik4 0]

для начало главное - про эксперимент

опишу вкратце всю систему охлаждения, чтобы было понятно

воздух проходит через трубу, подводимую сверху через корпуса к лопатке. Далее проходит через дефлектор и делится на 2 части - часть уходит в выходную кромку, часть уходит вниз и через отверстие идет на наддув лабиринта, препятствуя перетеканию газа под статорной лопаткой. Есть замеры давления и температуры перед лабиринтом и за лабиринтом (несколько по окружности) - показывают достаточно низкую температуру, примерно эквивалентную температуре охл воздуха, т.е. говорят, что система работает исправно. Примерно то же самое показывают гидравлические расчеты (одномерный расчет скоростей и давлений в каналах, Гидрой кличут :)) Однако CFX показывает примерно в 1.5 (может и больше, я сейчас точную цифру не помню) раза меньший расход через лопатку (для выходной кромки разница поменьше, для наддува лабиринта побольше), чем по гидравлике и за лабиринтом мы имеем по расчету уже газ (температура слишком большая), т.е. вранье. Значит либо завышено сопротивление при прохождении через отверстия в дефлекторе, либо одно из двух :) При этом расчетный зазор на лабиринте подобран более менее правильно, т.к. газ через него бежит вполне исправно, а по идее должен бы бежать воздух (т.к. он имеет большее давление).

насчет стаканов не совсем верно - можно взять многополостную лопатку и поочередно перекрывать полости заглушками, продувая одну из них, выдерживая примерно рабочий перепад по наруже... тут правда надо тщательно промерять объект, ведь допуски на отверстия никто не отменял. Можно, кстати, вообще продувать отдельные ряды отверстий, закрывая остальные в полости, методик на самом деле много, можно даже снаружи обдувать (такие эксперименты по замеру эффективности пленки проводились, правда в ЦИАМ) :) и насчет 1-d тоже не совсем верно - имея обширную базу продувок и экспериментов, можно все качественно настроить...

кстати тут нашел <noindex>http://www.ugatu.ac.ru/publish/vu/stat/uga...%2842%29/09.pdf</noindex>

там тоже говорится про завышенное сопротивление, по крайней мере мере SST, сейчас роюсь в зарубежных статьях, но там пока не вижу именно по данной проблеме

далее:

Есть многочисленные расчеты лопаток в составе турбины, которые показывают местные затекания газа в отверстия перфорации на пере лопатки из-за значительных потерь давления на дефлекторе (в расчете воздух через отверстия в дефлекторе просто "не хочет" бежать), тогда как ни одномерка таких затеканий не дает, ни осмотры под лупой лопаток после испытаний (видны были бы следы разгаров отверстий и сколы покрытия), т.е. есть подозрения, что сопротивление все ж таки завышено

теперь вопрос стоит так - можно ли подрегулировать стандартные двупараметрические RANS модели, чтобы пропустить бОльший расход?

Изменено 23 февраля 2012 пользователем tik4

[tik4 0]

если интересуют сеточные параметры, то это треугольная сетка от 0.1 до 0.2 мм внутри лопатки + призмы 0.1 мм общей высотой 15 слоев шаг 1.2 (хотя 10 слоев с шагом 1.4...1.5 картину по расходу не меняло). Диаметры отверстий в дефлекторе порядка 0.7 мм.

Изменено 23 февраля 2012 пользователем tik4

[IGL 8]

а вы не могли бы показать модель?

[tik4 0]

а вы не могли бы показать модель?

модели на руках нет :) могу скинуть пару картинок, это перфорированная лопатка, правда несколько отличная от описанной выше, но принципиально отличий нет. На подобной конструкции получено расчетное затекание газа в отв. перф., о котором я говорил. Отличия расхода в 1.5 раза же было получено на подобной лопатке, но без перфорации в пере

Изменено 23 февраля 2012 пользователем tik4

[IGL 8]

Тогда следующие вопросы

модель точно соответствует реальной геометрии? (вплоть до штуцеров замера давления)

граничные условия в модели соответствуют тому, что происходит в эксперименте?

где вы смотрите расход в результатах расчета?

где измеряются давления до и после лопатки в эксперименте и в расчете?

Как оценивали достаточность количества элементов? (сходимость по сетке) Как я понял у вас в каналах 7 ячеек по диаметру?

Если CFX точно считает течения в элементарных гидросопротивлениях, то он должен и в лабиринтах также хорошо считать при достаточности сетки.

[tik4 0]

Тогда следующие вопросы

модель точно соответствует реальной геометрии? (вплоть до штуцеров замера давления)

граничные условия в модели соответствуют тому, что происходит в эксперименте?

где вы смотрите расход в результатах расчета?

где измеряются давления до и после лопатки в эксперименте и в расчете?

Как оценивали достаточность количества элементов? (сходимость по сетке) Как я понял у вас в каналах 7 ячеек по диаметру?

Если CFX точно считает течения в элементарных гидросопротивлениях, то он должен и в лабиринтах также хорошо считать при достаточности сетки.

1. модель соответствует номинальной геометрии. Но если учитывать, что допуска на отверстия (являющиеся жиклерами) идут всегда в плюс, то расход реальной лопатки меньше номинального быть не может

2. Граничные условия берутся напрямую из эксперимента (замеры полных параметров по тракту, замеры статики в подводящих полостях), турбина считалась насквозь.

3. Расходы оцениваются как по границам (интерфейсам, входам-выходам и т.д.), так и по контрольным поверхностям вытащенным из NX, ОЧЕНЬ мелко засеченным в ICEM, и затем втащенным в POST.

4. Полные параметры на входе оценивались гребенками на вх кромках, статики на выходе - на полках лопатки

5. Насчет достаточности... вопрос довольно-таки мутный, ибо как показывает практика более мелкая сетка не всегда приближает расчет к реальности, а часто наоборот. К сожалению использование более мелкой сетки во внутренних полостях сопряжено со значительным ростом сеточного размера + ввиду того, что геометрия лопаток втаскивается в ICEM часто с большим количеством ошибок и применение элементов менее 0.1 мм чревато утеканием их в дыры, хотя проверка топологии пишет ВСЕ ОК. Текущий сеточный размер одной лопатки уже немаленький (30 млн узлов, 60...70 млн эл), т.е. на всю турбину 300 млн. эл набегает :( естественно буду проверять влияние загущения (хотя бы на тестовых задачах), но хотелось бы придумать что-нибудь при текущих сетках, ибо задача, скорей, инженерная, а не глубоко научная. К тому же при использовании моделей турбулентности физики в принципе мало, сплошная эмпирика, вот и хочу узнать как эту эмпирику можно в нужную сторону "загнуть".

6. Проблема не расчете лабиринта, а в том, что до лабиринта из лопатки ВОЗДУХА уже мало, меньше чем должно быть, т.е проблема, вероятно в зоне дефлектора... но не факт :)

вот примерная схема ступени, красным цветом газ, черным охлаждение и снизу его как раз меньше, чем должно быть. Вся статорная лопатка вместе с лабиринтом находилась в одном стационарном домене, на поверхности лабиринта была задана скорость вращения ротора

Изменено 23 февраля 2012 пользователем tik4

[a_schelyaev 366]

Если интеерсно, то можно в другом пакете параллельно прогнать эту задачу.

[tik4 0]

Если интеерсно, то можно в другом пакете параллельно прогнать эту задачу.

можно конечно, боюсь только от перемены мест слагаемых сумма не изменится. Хотя то, что это такие пляски с бубном и на разных решателях может все по-разному выйти вполне возможно. В понедельник подгрузим коллегу, спеца по Numeca :) Мне один умный человек советовал включить ламинарный подслой фиксированной толщины и "все побежит", вот только я не совсем понял как это сделать :(

Экспериментировал еще переходной моделью Gamma theta model и просто с Gamma model с различными вариациями Рейнольдса при котором, по-видимому, происходит переход, но расход больше, чем в k-e так и не пошел.

[tik4 0]

хотя, наверное, включение ламинарного подслоя не поможет, т.к. проблема, вероятно, в избыточном сопротивлении такой системы как на рисунке. Может струя неправильно отражается или что-то в этом духе :)

Изменено 24 февраля 2012 пользователем tik4

[a_schelyaev 366]

Все может быть. Возможно сетка недостаточно деликатно отражает имеющиеся градиенты в течении. Или схема размазывает решение....

Если не жалко модель, то присылайте на адрес alex (грязное животное( flowvision.ru

только еще опишите где что втекает и с какой скоростью.

[tik4 0]

подзагустил тут на днях сетку до 0.07 мм (1/10 диаметра отверстий) равномерно во всем исследуемом фрагменте - а расход еще уменьшился...немного, процентов на 5%... так что густить дальше видимо не стоит, хотя на 0.04 мм еще попробую) пора поднимать Идельчика (продувки сеток и перфорированных пластин) и слегка покумекать :)

[IGL 8]

Я всё таки считаю что Ваша КЭ модель не соответствует реальной или же граничные условия в эксперименте не соответствуют задаваемым в расчете.

Вы пробовали просто лопатку (или всё колесо, если такое технологически возможно) продувать и мерить расходы и температуры?

[Miki 3]

1 проверяйте фаски на отверстиях и радиусные кромки где есть

2 ка вы разрешили отверстия в дефлекторе ? он тонкий, покажите сечение сетки через отверстие в дефлекторе (крупно)

если там тоже тетра 0,1 мм то вероятно можно на этом разговор закончить

но поедем дальше

3 непонятно что с чем вы сравниваете холодный эксперимент с холодной продувкой ? или горячий ?

4 замеряйте перепады по участкам от входа и далее по схеме и сравнивайте с аналитикой

5 выход из лопатки куда ? где часть модели с выходом ? те куда выпускаете в статику в полное , какой уровень давления ?

или считает вместе с проточной частью ? тогда как в эксперименте сделано ?

внесите ясность в геометрию модели и эксперимента и условия сравнения

сравниваете с гидравликой ? Харьковская gidrav.exe которая что ли ? мама родная, как интересно вы там сделали давлению по щелям выхода в проточную часть ? взяли у газодинамиков или сами считали ? как делали в схеме выпуск через выходную щель ?

схему точно хорошо тестили на косяки ?

геометрия смутно напоминает 99 машину, если да , то по любому ищите косяки. еще в 4 году все прекрасно получалось и на SST и на к-e

разница не более 5% с холодной продувкой, даже при тех расчетных ресурсах

[tik4 0]

1 проверяйте фаски на отверстиях и радиусные кромки где есть

2 ка вы разрешили отверстия в дефлекторе ? он тонкий, покажите сечение сетки через отверстие в дефлекторе (крупно)

если там тоже тетра 0,1 мм то вероятно можно на этом разговор закончить

но поедем дальше

3 непонятно что с чем вы сравниваете холодный эксперимент с холодной продувкой ? или горячий ?

4 замеряйте перепады по участкам от входа и далее по схеме и сравнивайте с аналитикой

5 выход из лопатки куда ? где часть модели с выходом ? те куда выпускаете в статику в полное , какой уровень давления ?

или считает вместе с проточной частью ? тогда как в эксперименте сделано ?

внесите ясность в геометрию модели и эксперимента и условия сравнения

сравниваете с гидравликой ? Харьковская gidrav.exe которая что ли ? мама родная, как интересно вы там сделали давлению по щелям выхода в проточную часть ? взяли у газодинамиков или сами считали ? как делали в схеме выпуск через выходную щель ?

схему точно хорошо тестили на косяки ?

геометрия смутно напоминает 99 машину, если да , то по любому ищите косяки. еще в 4 году все прекрасно получалось и на SST и на к-e

разница не более 5% с холодной продувкой, даже при тех расчетных ресурсах

1. Фаски если есть, то уж очень маленькие - дефлектор согнут из листа толщиной 0.3 мм

2. Разрешения пробовал разные, сейчас засетил вплоть до область 0.04 мм, но еще не оценивал. Однако даже при размере элемента 0.07 расход несколько меньше, чем например при 0.15 мм, а при 0.3 (т.е. весьма угловатая дырка) особой разницы с другими размерами не видно, т.е. сетка влияет слабо

3. с размерами так- строится ГОРЯЧАЯ геометрия, с нее делается гидравлика (харьковская, но с уймой своих доработок), граничка по наруже берется из 3d Навье-Стокса (свои решатели) + традиционный CFX. Плюс модель торируется по холодным продувкам. Стоит также помнить, что сам дефлектор холодный, т.е. его размеры практически в работе не меняются. Естественно, что это не истина последней инстанции, вполне возможно правда посередине = CFX + его погрешность 5...10 % + еще что-нибудь. НО расчетные затекания по первой сопловой (т.е. высокие потери в дефлекторе), при том, что на реальной лопатке такого не видать выглядят странно. И низкие расходы по второй сопловой также подозрительны, по меньшей мере.

4. Про геометрию расчета - расчет проводился ВСЕЙ турбины насквозь со ВСЕМИ (ну или почти всеми) присоединенными полостями. Граничные условия брались из замеров по эксперименту - граничка по тракту + замеры статики в корпусах в полостях подвода. Было выявлено 2 достаточно больших странности - расчетное затекание по 1-й сопловой (СПИНКЕ!), чего в эксперименте не было и в гидравлике тоже (причем по гидравлике с запасом). Расчет CFX проводился по ХОЛОДНЫМ размерам с пересчетом экспериментальных эпюр с горячих размеров на холодные по проточке (однако температуры не сказать, чтоб высокие были). Площади отверстий перфорации в дефлекторе как я уже сказал почти в работе не меняются, перфорация в пере расширяется, но там еще есть покрытие. Т.е. мы считаем холодное перо без покрытия, считая, что оно по размерам геометрически компенсирует расширение лопатки. Далее в CFX был подозрительно низкий расход по второй сопловой, где выдув только в щель и на наддув лабиринта. Сравнивали расход с гидравликой, но разница в 1.5 раза... Насчет наддува лабиринта там есть свои геометрические непонятки, тут несовпадение можно пока опустить...

Двигатель не АЛ-31Ф, навскидку не вспомню там схему охлаждения сопловой, если приведете картинку скажу в чем может быть разница :) по 1РЛ там вообще циклонно-вихревое охлаждение, по 1СЛ не помню, но попроще, чем здесь и с другими расходами, раза в 2 меньше :) расчетные ресурсы, как показывает практика, не сильно влияют на погрешность результата. Тот же выдув на плоскую пластину воздуха через дырку ни NUMECA ни CFX так толком смоделировать не могут (вблизи дырки вообще вранье, а дальше эффективность пленки либо завышается, либо занижается, сильно зависит от сетки, причем густая сетка врет больше грубой и т.д.), а уж чего там в лопатке делается...

Я всё таки считаю что Ваша КЭ модель не соответствует реальной или же граничные условия в эксперименте не соответствуют задаваемым в расчете.

Вы пробовали просто лопатку (или всё колесо, если такое технологически возможно) продувать и мерить расходы и температуры?

а я бы не стал безоговорочно верить CFD пакетам, особенно без настройки под конкретные задачи - жизнь показывает, что они работают далеко не везде, несмотря на заверения разработчиков :)

Поработаем с Идельчиком, дальше видно будет :) буду рад оказаться не правым :)

Изменено 1 марта 2012 пользователем tik4

[IGL 8]

Возможно рабочее тело не совпадает с экспериментальным. Чем дуете то?

[tik4 0]

Возможно рабочее тело не совпадает с экспериментальным. Чем дуете то?

внутрь - воздухом из-за компрессора :) соответственно охл. воздух AIR IDEAL GAS, по проточной части - среда со свойствами газа из КС (Сp (T))

продул по Идельчику перфорированную пластину и выдув через жиклер в открытое пространство.

По жиклеру (L/D = 2, Fж/Fт = 0.2, Re = 9000) - расчет завышает сопротивление на 20...25 % в зав. от модели турб.

По пластине (36 отв. D = 0.745 мм, L/D = 0.4, Fперф/Fк = 0.2, Re = 29000 - примерно в таких же условиях работает дефлектор) разница с Идельчиком еще больше... вот как-то так :) в понедельник или вторник могу скинуть Res (или хотя бы def) и Идельчика (если все это влезет) - можете сами сравнить.

Изменено 3 марта 2012 пользователем tik4

[IGL 8]

очень будет интересно посмотреть