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: Każdej 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 różna 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 zbieżności 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 niż płyn po stronie dolnej a wyższą niż płyn po

stronie górnej.

Rozkład temperatury w przekroju x=0.05 - łopatka ma wyższą

temperaturę niż 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: Każdej 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 różna 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 zbieżności 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 niż płyn po stronie dolnej a wyższą niż płyn po

stronie górnej.

Rozkład temperatury w przekroju x=0.05 - łopatka ma wyższą

temperaturę niż 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: Każdej 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 różna 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 zbieżności 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 niż płyn po stronie dolnej a wyższą niż płyn po

stronie górnej.

Rozkład temperatury w przekroju x=0.05 - łopatka ma wyższą

temperaturę niż 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)