1
Ćw. 5 Przepływ przez układ łopatek
(stator – rotor) z uwzględnieniem wymiany
ciepła
Tworzenie geometrii – GAMBIT
Przygotowanie geometrii – wykorzystamy geometrię
przygotowaną w programie GAMBIT dla przypadku
przepływu przez kanał łopatkowy turbiny.
1. Utworzyć dwie dodatkowe powierzchnie: Lop-
stator i Lop-rotor
Lop-stator
Lop-stator
2. Utworzyć siatkę na powierzchniach Lop-stator i
Lop-rotor
3. Warunki brzegowe: pozostawić bez zmian
4. Warunki na Continuum: KaŜdej łopatce (statora i
rotora) przyporządkować osobno jako Continuum typ
SOLID (odpowiedni materiał wybierze się we
FLUENCIE)
5. Wyeksportować siatkę 2d i zakończyć pracę w
Gambicie.
Obliczenia - Fluent
Ustawienia ogólne:
•
2d, Serial
•
Wczytanie i sprawdzenie siatki
Ustalenie interfejsów (Mesh Interfaces):
•
utworzyć interface z krawędzi inter-stator oraz
inter-rotor
•
Interface Options: Periodic Repeats
•
Skalowanie siatki (wymiary w cm)
•
Ustawienie solvera: Density Based, Absolute,
Steady, Planar
•
Jednostki ciśnienia: bar (10
5
Pa)
•
Models: model turbulencji Spalarta Allmarasa
•
Włączone równanie energii
•
Materials : Fluid: powietrze, ideal-gas; Solid: stal i
tytan. W tym celu z bazy danych kopiujemy
materiał na łopatki statora – stal (steel) oraz rotora
– tytan (titanium)
•
Cell Zone Conditions - Ustawienie pozornie
ruchomego rotora (lop-rotora): w zakładce Motion
Type ustawiamy opcję Moving Reference Frame i
wartość prędkości ruchu łopatki (Translational
Velocity Speed) Y = -250 m/s
•
dla łopatek statora jako materiał wybieramy stal a
dla rotora – tytan
•
Operating Conditions: 0 bar
•
Solution Methods: Formulation: Implicit, Flux
Type: Roe-FDS, Gradient: Green-Gauss Cell
Based, Flow: First Order Upwind, Modified
Turbulent Viscosity: First Order Upwind
•
Solution controls: Courant Number = 5
Warunki brzegowe - Boundary Conditions:
•
wlot: pressure_inlet: Gauge Total Pressure = 5 bar,
Supersonic/Initial Gauge Pressure = 4.9 bar, Total
Temperature = 900 K
•
wylot: pressure_outlet: Gauge Pressure = 3.5 bar,
Backflow Total Temperature = 900 K
•
definiujemy wymianę ciepła na ściankach łopatek -
w sumie na 4 krawędziach: stator-g, stator-d, rotor-
g, rotor-d. We wszystkich wypadkach w zakładce
Thermal, w polu Thermal Conditions uaktualniamy
opcję COUPLED a w polu Material Name
wybieramy Steel dla statora i Tytanium dla rotora.
Pozostałe parametry pozostawiamy domyślne.
2
Wyjaśnienie - Wymiana ciepła pomiędzy płynem a
ścianką
Tp – temperatura płynu
Ts – temperatura na ściance
Tw – temperatura ciała stałego
α
- współczynnik przejmowania ciepła
λ
- współczynnik przewodzenia ciepła
Po stronie przepływu w pewnej niewielkiej odległości
od ścianki panuje temperatura płynu róŜna od
temperatury ścianki. To co się dzieje przy ściance
charakteryzuje współczynnik przejmowania ciepła
(alfa). W rezultacie przy ściance występuje skok
temperatury od Tp do Ts. Od strony ciała stałego
mamy przewodzenie. W odległości dn od ścianki w
obszarze ciała stałego temperatura się zmienia
zgodnie z równaniem dyfuzji ciepła.
Obliczenia:
•
iterujemy do zbieŜności 10
-3
i przechodzimy do
analizy wyników
Łopatki pełne
Rozkłady temperatur w kanale i na łopatkach statora i rotora dla
przypadku wymiany ciepła w łopatkach - zakres temperatur 800-
900K
Rozkład temperatury w przekroju x=0.02 - łopatka ma mniejszą
temperaturę niŜ płyn po stronie dolnej a wyŜszą niŜ płyn po
stronie górnej.
Rozkład temperatury w przekroju x=0.05 - łopatka ma wyŜszą
temperaturę niŜ płyn po stronie dolnej i górnej.
Rozkład temperatury na powierzchni łopatek statora i rotora
Łopatki puste
Rozkłady temperatur w kanale i na łopatkach statora i rotora dla
przypadku łopatek izolowanych - zakres temperatur 800-900K
3
Rozkład temperatury na powierzchni łopatek statora i rotora
Porównanie rozkładów temperatur - łopatki z przepływem ciepła
(pełne) i łopatki izolowane (puste)
1
Ćw. 5 Przepływ przez układ łopatek
(stator – rotor) z uwzględnieniem wymiany
ciepła
Tworzenie geometrii – GAMBIT
Przygotowanie geometrii – wykorzystamy geometrię
przygotowaną w programie GAMBIT dla przypadku
przepływu przez kanał łopatkowy turbiny.
1. Utworzyć dwie dodatkowe powierzchnie: Lop-
stator i Lop-rotor
Lop-stator
Lop-stator
2. Utworzyć siatkę na powierzchniach Lop-stator i
Lop-rotor
3. Warunki brzegowe: pozostawić bez zmian
4. Warunki na Continuum: KaŜdej łopatce (statora i
rotora) przyporządkować osobno jako Continuum typ
SOLID (odpowiedni materiał wybierze się we
FLUENCIE)
5. Wyeksportować siatkę 2d i zakończyć pracę w
Gambicie.
Obliczenia - Fluent
Ustawienia ogólne:
•
2d, Serial
•
Wczytanie i sprawdzenie siatki
Ustalenie interfejsów (Mesh Interfaces):
•
utworzyć interface z krawędzi inter-stator oraz
inter-rotor
•
Interface Options: Periodic Repeats
•
Skalowanie siatki (wymiary w cm)
•
Ustawienie solvera: Density Based, Absolute,
Steady, Planar
•
Jednostki ciśnienia: bar (10
5
Pa)
•
Models: model turbulencji Spalarta Allmarasa
•
Włączone równanie energii
•
Materials : Fluid: powietrze, ideal-gas; Solid: stal i
tytan. W tym celu z bazy danych kopiujemy
materiał na łopatki statora – stal (steel) oraz rotora
– tytan (titanium)
•
Cell Zone Conditions - Ustawienie pozornie
ruchomego rotora (lop-rotora): w zakładce Motion
Type ustawiamy opcję Moving Reference Frame i
wartość prędkości ruchu łopatki (Translational
Velocity Speed) Y = -250 m/s
•
dla łopatek statora jako materiał wybieramy stal a
dla rotora – tytan
•
Operating Conditions: 0 bar
•
Solution Methods: Formulation: Implicit, Flux
Type: Roe-FDS, Gradient: Green-Gauss Cell
Based, Flow: First Order Upwind, Modified
Turbulent Viscosity: First Order Upwind
•
Solution controls: Courant Number = 5
Warunki brzegowe - Boundary Conditions:
•
wlot: pressure_inlet: Gauge Total Pressure = 5 bar,
Supersonic/Initial Gauge Pressure = 4.9 bar, Total
Temperature = 900 K
•
wylot: pressure_outlet: Gauge Pressure = 3.5 bar,
Backflow Total Temperature = 900 K
•
definiujemy wymianę ciepła na ściankach łopatek -
w sumie na 4 krawędziach: stator-g, stator-d, rotor-
g, rotor-d. We wszystkich wypadkach w zakładce
Thermal, w polu Thermal Conditions uaktualniamy
opcję COUPLED a w polu Material Name
wybieramy Steel dla statora i Tytanium dla rotora.
Pozostałe parametry pozostawiamy domyślne.
2
Wyjaśnienie - Wymiana ciepła pomiędzy płynem a
ścianką
Tp – temperatura płynu
Ts – temperatura na ściance
Tw – temperatura ciała stałego
α
- współczynnik przejmowania ciepła
λ
- współczynnik przewodzenia ciepła
Po stronie przepływu w pewnej niewielkiej odległości
od ścianki panuje temperatura płynu róŜna od
temperatury ścianki. To co się dzieje przy ściance
charakteryzuje współczynnik przejmowania ciepła
(alfa). W rezultacie przy ściance występuje skok
temperatury od Tp do Ts. Od strony ciała stałego
mamy przewodzenie. W odległości dn od ścianki w
obszarze ciała stałego temperatura się zmienia
zgodnie z równaniem dyfuzji ciepła.
Obliczenia:
•
iterujemy do zbieŜności 10
-3
i przechodzimy do
analizy wyników
Łopatki pełne
Rozkłady temperatur w kanale i na łopatkach statora i rotora dla
przypadku wymiany ciepła w łopatkach - zakres temperatur 800-
900K
Rozkład temperatury w przekroju x=0.02 - łopatka ma mniejszą
temperaturę niŜ płyn po stronie dolnej a wyŜszą niŜ płyn po
stronie górnej.
Rozkład temperatury w przekroju x=0.05 - łopatka ma wyŜszą
temperaturę niŜ płyn po stronie dolnej i górnej.
Rozkład temperatury na powierzchni łopatek statora i rotora
Łopatki puste
Rozkłady temperatur w kanale i na łopatkach statora i rotora dla
przypadku łopatek izolowanych - zakres temperatur 800-900K
3
Rozkład temperatury na powierzchni łopatek statora i rotora
Porównanie rozkładów temperatur - łopatki z przepływem ciepła
(pełne) i łopatki izolowane (puste)
1
Ćw. 5 Przepływ przez układ łopatek
(stator – rotor) z uwzględnieniem wymiany
ciepła
Tworzenie geometrii – GAMBIT
Przygotowanie geometrii – wykorzystamy geometrię
przygotowaną w programie GAMBIT dla przypadku
przepływu przez kanał łopatkowy turbiny.
1. Utworzyć dwie dodatkowe powierzchnie: Lop-
stator i Lop-rotor
Lop-stator
Lop-stator
2. Utworzyć siatkę na powierzchniach Lop-stator i
Lop-rotor
3. Warunki brzegowe: pozostawić bez zmian
4. Warunki na Continuum: KaŜdej łopatce (statora i
rotora) przyporządkować osobno jako Continuum typ
SOLID (odpowiedni materiał wybierze się we
FLUENCIE)
5. Wyeksportować siatkę 2d i zakończyć pracę w
Gambicie.
Obliczenia - Fluent
Ustawienia ogólne:
•
2d, Serial
•
Wczytanie i sprawdzenie siatki
Ustalenie interfejsów (Mesh Interfaces):
•
utworzyć interface z krawędzi inter-stator oraz
inter-rotor
•
Interface Options: Periodic Repeats
•
Skalowanie siatki (wymiary w cm)
•
Ustawienie solvera: Density Based, Absolute,
Steady, Planar
•
Jednostki ciśnienia: bar (10
5
Pa)
•
Models: model turbulencji Spalarta Allmarasa
•
Włączone równanie energii
•
Materials : Fluid: powietrze, ideal-gas; Solid: stal i
tytan. W tym celu z bazy danych kopiujemy
materiał na łopatki statora – stal (steel) oraz rotora
– tytan (titanium)
•
Cell Zone Conditions - Ustawienie pozornie
ruchomego rotora (lop-rotora): w zakładce Motion
Type ustawiamy opcję Moving Reference Frame i
wartość prędkości ruchu łopatki (Translational
Velocity Speed) Y = -250 m/s
•
dla łopatek statora jako materiał wybieramy stal a
dla rotora – tytan
•
Operating Conditions: 0 bar
•
Solution Methods: Formulation: Implicit, Flux
Type: Roe-FDS, Gradient: Green-Gauss Cell
Based, Flow: First Order Upwind, Modified
Turbulent Viscosity: First Order Upwind
•
Solution controls: Courant Number = 5
Warunki brzegowe - Boundary Conditions:
•
wlot: pressure_inlet: Gauge Total Pressure = 5 bar,
Supersonic/Initial Gauge Pressure = 4.9 bar, Total
Temperature = 900 K
•
wylot: pressure_outlet: Gauge Pressure = 3.5 bar,
Backflow Total Temperature = 900 K
•
definiujemy wymianę ciepła na ściankach łopatek -
w sumie na 4 krawędziach: stator-g, stator-d, rotor-
g, rotor-d. We wszystkich wypadkach w zakładce
Thermal, w polu Thermal Conditions uaktualniamy
opcję COUPLED a w polu Material Name
wybieramy Steel dla statora i Tytanium dla rotora.
Pozostałe parametry pozostawiamy domyślne.
2
Wyjaśnienie - Wymiana ciepła pomiędzy płynem a
ścianką
Tp – temperatura płynu
Ts – temperatura na ściance
Tw – temperatura ciała stałego
α
- współczynnik przejmowania ciepła
λ
- współczynnik przewodzenia ciepła
Po stronie przepływu w pewnej niewielkiej odległości
od ścianki panuje temperatura płynu róŜna od
temperatury ścianki. To co się dzieje przy ściance
charakteryzuje współczynnik przejmowania ciepła
(alfa). W rezultacie przy ściance występuje skok
temperatury od Tp do Ts. Od strony ciała stałego
mamy przewodzenie. W odległości dn od ścianki w
obszarze ciała stałego temperatura się zmienia
zgodnie z równaniem dyfuzji ciepła.
Obliczenia:
•
iterujemy do zbieŜności 10
-3
i przechodzimy do
analizy wyników
Łopatki pełne
Rozkłady temperatur w kanale i na łopatkach statora i rotora dla
przypadku wymiany ciepła w łopatkach - zakres temperatur 800-
900K
Rozkład temperatury w przekroju x=0.02 - łopatka ma mniejszą
temperaturę niŜ płyn po stronie dolnej a wyŜszą niŜ płyn po
stronie górnej.
Rozkład temperatury w przekroju x=0.05 - łopatka ma wyŜszą
temperaturę niŜ płyn po stronie dolnej i górnej.
Rozkład temperatury na powierzchni łopatek statora i rotora
Łopatki puste
Rozkłady temperatur w kanale i na łopatkach statora i rotora dla
przypadku łopatek izolowanych - zakres temperatur 800-900K
3
Rozkład temperatury na powierzchni łopatek statora i rotora
Porównanie rozkładów temperatur - łopatki z przepływem ciepła
(pełne) i łopatki izolowane (puste)