Large eddy simulation of secondary flow structures in low-pressure turbine blade
Düşük basınç türbin palinde ikincil akış yapılarının büyük girdap benzetimi
- Tez No: 541881
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Gaz türbini motorlarının verimliliğinin artırılması ve yakıt tüketiminin azaltılması, gaz türbini bileşenlerinin verimliliğine bağlıdır. Gaz türbini motorunun en ağır parçalarından biri olan LPT, yüksek sıcaklıklara ve karmaşık bir akış alanına sahip bir bileşendir. Güç, türbin tarafından üretildiği için türbin verimliliği motorda büyük bir öneme sahiptir. Türbin verimliliği, türbindeki aerodinamik kayıpların azaltılması ile artırılabilir. Türbin kademelerindeki aerodinamik kayıplar profil kayıpları, uç sızıntı kayıpları ve ikincil akış kayıpları olarak sınıflandırılabilir. İkincil akış kayıpları türbindeki kayıpların önemli bir miktarından (30% - 50%) sorumludur. Bu nedenle, bu çalışmada, ikincil akış yapıları, bu yapıların birbirleriyle etkileşimleri, bu yapıların oluşma nedenleri ve giriş sınır şartlarının yapılara etkileri incelenmektedir. Analizler, açık kaynaklı bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözücüsü olan OpenFOAM yazılımındaki pisoFoam çözücüsü ile gerçekleştirildi. Türbin geçidindeki daimi olmayan türbülanslı akışı araştırmak için LES metodu kullanıldı. Analizlerde kullanılan geometri bükümsüz bir T106 türbin palidir. Simetri düzlem sınır koşulu kullanılmasıyla tüm analizlerde pal uzunluğu normal uzunluğun yarısı kadar kullanıldı. Yapısal bir çözüm ağı oluşturmak için çözüm alanı 29 parçaya bölündü. En uygun çözüm ağını belirlemek ve istatistikler üzerindeki çözüm ağı çözünürlüğünün etkisini incelemek için üç farklı çözüm ağı üretildi. Kaba ızgaralı çözüm ağı 3 milyon grid noktasına, orta kaliteli çözüm ağı 15 milyon grid noktasına ve kaliteli çözüm ağı 30 milyon grid noktasına sahiptir. OpenFOAM programındaki LES çözücünün yeterliliğini araştırmak ve sayısal doğrulama yapmak için ilk analiz kaba ızgaralı çözüm ağı ile yapıldı. Bu analizde 45 derece giriş açısı ile homojen bir giriş sınır şartı uygulandı. Sayısal doğrulamadan sonra, bu çalışmada sunulan simülasyonların geri kalanı için 37.7 derecelik bir giriş açısı kullanıldı. Daha sonra son duvara sahip kaba ızgaralı çözüm ağı, grid altı modellerin akış alanı üzerindeki etkisini incelemek için kullanıldı. Bu analizlerde, Smagorinsky ve k-equation modelinin türbülans ve ikincil akış yapılarına etkileri karşılaştırıldı. Sonuçlar k-equation modelinin akış alanı Smagorinsky modelinden daha doğru olduğunu gösterdi. Bu nedenle diğer simülasyonlar k-equation modeli ile gerçekleştirildi. Bundan sonra grid çözünürlüğünün (orta ve iyi grid) akış alanına etkisi araştırıldı. Bu simülasyonlarda, enerji yoğunluğu spektrumunun ve anlık ikinci değişmez hız gradyan tensörünün analizi, orta kalitedeki çözüm ağının ikincil akış yapılarını yakalamak için yeterince iyi olduğunu gösterdi. Sonuç olarak, giriş sınır şartının ikincil akış yapılarına ve kayıplarına etkisinin incelenmesi orta kalitedeki çözüm ağı ile gerçekleştirildi. Giriş sınır şartının ikincil akış yapılarına ve kayıplara etkisini araştırmak için dört farklı giriş sınır şartı kullanıldı. Bunlar homojen giriş koşulu, 2.2 şekil faktöründe LBL giriş koşulu, 1.5 şekil faktöründe TBL giriş koşulu ve TBL giriş koşulu ile gerçekleştirilen analizin iz bölgesinden alınan hız dağılımı ile elde edilen UWwSF giriş koşuludur. Analizler sonucunda, giriş sınır şartının toplam basınç kayıplarını, ikincil akış yapılarının gücünü, ve atnalı girdab sistemini etkilediği görüldü.
Özet (Çeviri)
Increasing the efficiency of a gas turbine engine and reducing fuel consumption depend strongly on the efficiency of gas turbine components. The low pressure turbine (LPT), which is one of the heaviest components in a gas turbine engine, is subjected to very high temperatures and complex flow fields. The efficiency of a turbine is crucial in an engine since the power is generated by the turbine. Turbine efficiency can be increased by reducing the aerodynamic losses. Aerodynamic losses in turbine stages can be classified as profile losses, tip leakage losses, and secondary flow losses. The secondary flow losses are responsible for a significant amount (30% - 50%) of losses in the turbine. Hence, in this study, secondary flow structures, their interactions with each other, reasons for the formation of these structures and effects of the inflow boundary condition on these structures are studied. Simulations are performed with pisoFoam (pressure implicit with splitting of operators) solver in OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) software which is an open source computational fluid dynamics (CFD) solver. Large eddy simulation (LES) method is used to investigate the unsteady, turbulent flow in a turbine passage. The untwisted T106 turbine blade geometry is used in the analysis. Half span is used for all simulations thanks to symmetry plane boundary condition. The computational domain split into 29 blocks in order to generate structural hexahedral elements. Three different grids are generated in order to study the grid resolution effect on statistics and to identify most appropriate grid. The coarse grid has 3 million grid points, medium grid has 15 million grid points, and fine grid has 30 million grid points. First simulation is performed with the coarse grid in order to validate and investigate the capability of the LES solver in OpenFOAM software. This case has uniform inlet and an inflow angle of 45 degree. After the numeric validation, an inflow angle of 37.7 degree is used for the rest of the simulations presented in this study. Then, the coarse mesh with an endwall is used to investigate the effect of the subgrid model on flow field. In these simulations, the effects of Smagorinsky model and k-equation model on turbulence and secondary flow structures are compared. Results indicate that k-equation model gives more accurate representation of the flow field than the Smagorinsky model. As a result of that, rest of the simulations are performed with k-equation model. After that, the effect of grid resolution (medium and fine grids) on the flow field is investigated. In these simulations, analysis of the energy density spectrum and the instantaneous second invariant velocity gradient tensor show that medium grid is fine enough to capture the relevant secondary flow structures. Hence, other studies on the effects of the inflow boundary condition on secondary flow structures and losses are performed with the medium grid. In order to investigate effects of the inlet boundary conditions on the secondary flow structures and losses, four different inlet boundary conditions are applied. These are uniform inlet, laminar boundary layer (LBL) velocity profile inlet with a shape factor of 2.2, turbulent boundary layer (TBL) velocity profile inlet with a shape factor of 1.5, and unsteady wake with secondary flows (UWwSF) inlet boundary condition, which is obtained from the wake results of a simulation with TBL inlet. Results indicate that inlet boundary conditions cause significant changes on the horseshoe vortex system, the strength of secondary flow structures, and total pressure losses along the flow field.
Benzer Tezler
- A finite volume based in-house large eddy simulation solver for turbulent flows in complex geometries
Karmaşık geometrilerde türbülanslı akışlar için sonlu hacimler yöntemine dayanan özgün büyük girdap benzetimi çözücüsü
SARP ER
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Düşük mach sayısında kavite içi akışın aeroakustik incelenmesi
Aeroacoustics investigation of low mach number cavity flow
FURKAN COŞGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERTAÇ ÇADIRCI
- Düşey eksenli hidrokinetik türbin için asimetrik kanal tasarımı
Asymmetric duct design for vertical axis hydrokinetic turbine
OĞUZ SUSAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. HAKAN ÖKSÜZOĞLU
- Experimental and numerical investigation of flow around spheres
Küreler etrafındaki akışın deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
RAHİM HASSANZADEH
Doktora
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BEŞİR ŞAHİN
- Kanat profilleri izler kenarına çentik uygulamasının akış gürültüsüne olan etkisinin hesaplamalı olarak incelenmesi
Investigation of airfoil self noise with trailing edge serrations using computational methods
ÇAĞRI AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. UĞUR ORAL ÜNAL