Study of turbomachinery flows using open source analysis software
Açık kaynaklı analiz yazılımı kullanarak turbomakine akışlarının incelenmesi
- Tez No: 771991
- Danışmanlar: PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 63
Özet
Hesaplamalı akış problemlerinde çözümü etkileyen birçok unsur vardır. İncelemeye tabi tutulan geometrinin şekli ve eğer yüzeyi üçgenlerden ibaretse üçgenlerin yapısı, inşa edilecek örgü ağının mahiyetini belirler. Örgü ağı da çözümün doğru ilerlemesi için çok önemlidir. Uygun bir örgü ağının inşası, makul sonuçlar elde etmek için hesaplamalı çalışmaların mühim bir merhalesidir. Örülen ağın kalitesi sonuçların doğruluğunu, yakınsamasını ve hesaplama zamanını belirler. Ağ inşa etmek için kullanılan birçok yazılım programı mevcuttur. Açık kaynaklı bir yazılım olan OpenFOAM, akışkanlar dinamiği problemlerini çözmesinin yanında örgü ağı inşa etmek için yardımcı araçlar içerir. Basit geometriler için yapılandırılmış örgü ağı oluşturan blockMesh aracı, yeterli koordinat bilgisi girilirse karmaşık geometriler için de ağ örebilir. OpenFOAM karmaşık geometriler için örgü ağı inşa edebilen snappyHexMesh isimli bir araca sahiptir. Böylelikle mühendislik uygulamaları için otomatik bir ağ örme aracı sunar. snappyHexMesh yapılandırılmış, arka plandaki bir ağ üzerinden yapısal olmayan bir örgü ağı oluşturur. Uygun formatta bir geometriyle ve onu içine alacak şekilde blockMesh veya başka bir araçla inşa edilmiş düzgün bir örgü ağıyla çalışmaya başlar. Geometri, kaleleştirme, yakalama, sınır ekleme ve ağ kalite kontrolü olmak üzere beş ana bölümden oluşur. Geometri bölümünde, geometri dosyası tanımlanır. Gerekirse düzlem, kutu gibi basit geometriler de burada tanımlanarak oluşturulabilir. Ardından gelen kaleleştirme bölümünde, arka plan ağında bulunan ve ana geometride olmayan gridler temizlenir. Bunun için geometrinin içinde kalan herhangi bir noktanın koordinat bilgisi girilmelidir. Kaleleştirmede tanımlanan bir diğer özellik örgü ağında yapılacak iyileştirmelerdir. Kenarlarda, yüzeylerde ve mevcutsa kapalı geometrilerin içinde veya dışında istenilen iyileştirme seviyeleri tanımlanır. Kaleleştirme sonucunda bölgesel iyileştirmelere tabi tutulmuş, ana geometriyi ortaya çıkaran bir yapı ortaya çıkar ancak kenar ve yüzey hatları tamamen düzeltilmiş değildir. Sonraki aşama olan yakalama bölümünde, ana geometrinin hatları yakalanır. Burada tanımlanan özelliklerde farklı iterasyon sayıları girilir. Kenarları ana geometriyle aynı olacak şekilde düzeltme ve geometriyi iyileştirme amacıyla belirlenen bu iterasyon sayıları artırılarak en iyi ağ yapısı elde edilir. Son ağ düzenleme bölümü olan sınır eklemede geometrinin istenilen bölgesi üzerine sınırlar eklenir. Eklenecek sınırların sayısı ve boyutları tanımlanır. Geometriye sınır eklenebilmesi için, diğer aşamaları geçen örgü ağı yapısal olarak kaliteli olmalıdır. Yani snappyHexMesh bölümlerindeki özellikler farklı geometriler için uyarlanır ve bu da yazılımın karmaşık geometriler için otomatik ağ örme aracı olduğu anlamına gelir. Bu çalışmada transonik akışlı, tasarım şartlarında 2.1 basınç oranına ulaşan NASA Rotor 37 isimli kompresör rotoru tetkik edilmiştir. Rotor 37 hesaplamalı turbomakine çalışmalarında yaygın olarak kullanılan bir rotordur. Çünkü deneysel sonuçları yayınlanmıştır ve bunun üzerine yapılan bir çok hesaplamalı çalışma da mukayeseli analiz imkanı sunar. Rotorun akış alanında şok, girdap ve sınır tabaka etkileşimlerinden doğan görece karmaşık yapılar ortaya çıkar. Bunları yakalayabilmek için analizde kullanılacak geometrinin kalitesi, örülen ağın yapısı ve kalitesi, kullanılan sayısal yöntemler ve türbülans modeli oldukça önemlidir. Bu unsurları sınamak için çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Rotorun aerodinamik yapısını örnek alıp yeni bir kanatçık oluşturmak, çözüm yöntemlerinin grid sayısına ve yapısına olan bağımlılığını ölçmek, farklı sayısal yöntemlerden oluşan çözüm algoritmalarını test etmek gibi çeşitli amaçlarla yürütülen çalışmalarda rotorun akış alanı analiz edilmiştir. Rotor geometrisi bilgisayarlı tasarım programında çizilmiştir. Kanatçığı çizmek için NASA tarafından yayınlanan raporlarda yer alan koordinat bilgileri kullanılarak nokta bulutu oluşturulmuştur.. Örgü ağı snappyHexMesh ile oluşturulmuştur. Basit bir geometri olmadığı için burada örgü ağı aracındaki özelliklerin çoğu kendisine göre uyarlanmıştır. Düzgün bir ağ oluşturulana dek geometride iyileştirmeler yapılmıştır. Ağ örülüp düzenlenirken geometriyi oluşturma yöntemleri de denenerek en uygun şekilde çizilmiştir. Geometriyi oluşturan üçgenlerin açıklık oranı ağın kalitesini oldukça etkiler. Üçgenler mümkün olduğu kadar eşkenar olmalıdır. Bu sınır koşullarının oluşturulmasını etkileyen bir faktördür. Akış alanının sınırlarını oluşturan yüzeyler de akış özelliklerini yakalayacak şekilde belirlenip tasarlanmıştır. Giriş ve çıkış yüzeyleri, rotor kanatçığının alt ve üst yüzeyleri ve periyodik yüzeyler oluşturulmuştur. Yüzeylere uygun sınır koşulları tanımlanmıştır. Periyodik sınırlar için cyclic sınır şartı kullanılmıştır. İki periyodik yüzey, bu yüzeylerdeki gridlerin örtüşebilmesi için aynı olmalıdır. Rotorda 36 kanatçık olduğu için periyodik yüzeyler oluşturulurken, ilk yüzey 10 açıyla tekrar edilerek ikinci yüzey elde edilmiştir. Açık kaynaklı bir araçla cyclic sınır şartı oluşturmak dikkat gerektiren bir işlemdir. snappyHexMesh ile aynı geometri için aynı komutlar kullanılarak ağ örüldüğünde grid sayısının her sonuçta farklı olduğu görülür. Bu fark çok az olsa bile gridler tam olarak üst üste gelmediği için cyclic sınır şartının kullanımına engel olur. snappyHexMesh sonucu üretilen gridlerdeki bu düzensiz dizilimden dolayı cyclic sınır şartı tek başına kullanılamaz. Periyodik sınırların örtüşmeyen gridleri ayrı bir sınır şartı kullanılarak eşleştirilir. cyclicAMI isimli bu sınır şartını oluşturmak için createPatch isimli bir OpenFOAM aracı kullanılır. createPatch, periyodik yüzeylerdeki gridlerin merkezini hesaplayarak çalışır. Eğer iki merkez arası mesafe tolerans değerinden büyükse cyclicAMI sınırını oluşturamaz. Burada snappyHexMesh sonuçları ve onu da etkileyen, geometrinin yapısı çok önemlidir. Geometriyi oluşturan üçgenlerin eşkenar olması, açıklık oranlarının düşük olması periyodik yüzeyler için üretilen gridlerin örtüşmemesine neden olur. Ayrıca snappyHexMesh düzlemsel yüzeylerle daha rahat çalışır. Bu nedenle rotor kanatçığının etrafına yerleştirilen sınırlar mümkün olduğu kadar düzgün tasarlanmalıdır. Kavisli yapılar ortaya çıkan örgü ağının yapısal bir halden uzaklaşmasına neden olur. Bu nedenlerle otomatik olarak bir örgü ağı inşa etmek için geometriler kaliteli, periyodik sınırlar geometrik olarak özdeş olmalıdır. Düzgün yapıda örgü ağı oluşturmak sayısal çözümlerin yürütülebilmesi için çok önemlidir. Örgü ağını oluşturan grid sayısı arttıkça sonuçlar düzelir ancak hesaplama maliyetleri artar. Bunların arasındaki dengeyi sağlayarak uygun sonuçlar elde edilir. snappyHexMesh ağ yapısında bölgesel iyileştirme seçenekleriyle geometriye ve akış alanına özel bir ağ üretme imkanı sunar. Analiz için rhoSimpleFoam çözücüsü kullanılmıştır. rhoSimpleFoam daimi sıkıştırılabilir bir çözücüdür ve türbülanslı akışlar için kullanılır. Çözüm algoritmasında momentum, enerji ve basınç doğrulama denklemleri bulunur ve SIMPLE algoritmasını takip ederek çalışır. Bu denklemler açık bir sitem oluşturduğu için çözüm yapılamaz. Ek olarak hal denklemi ve türbülans modeli de eklenir. Çözümdeki momentum denklemi anlık olarak, enerji denklemiyse Favre ortalama konseptiyle yazılmıştır. Çözüm basınç tahminiyle başlar. Tahmini basıncın momentum denkleminde kullanılmasıyla hız ve yoğunluk değerleri bulunur ancak bunlar süreklilik denklemini sağlamaz. Daha sonra basınca bir doğrulama değeri eklenilerek kütle akısı için bir eşitlik oluşturulur. Kütle akısındaki hızlar momentum denkleminden, dolayısıyla basınç kullanılarak yazılır. Yoğunluk da basınçla arasında kurulan bir korelasyon sayesinde basınca bağlı olarak yazılır. Kütle akısı eşitliği kullanılarak süreklilik denkleminin sağlanıp sağlanmadığı kontrol edilir. Süreklilik sağlanana dek basınç doğrulama işlemi devam eder. Sağlandığındaysa enerji denklemi çözülerek sıcaklık ve türbülans değerleri bulunur. Sonuçlar yakınsarsa çözüm bitirilir aksi takdirde bu adımlar tekrar edilir. Böylece sonuçlar yakınsayana kadar iterasyonlar sürdürülür. Bu çalışmada rhoSimpleFoam ile kullanılan türbülans modeli Spalart-Allmaras'tır. Modelde tam olarak viskozite olmayan ancak viskoziteyle arasında bir korelasyon bulunan bir değişken üretilmiştir. Bu değişken için deneysel katsayılar ve fonksiyonlar içeren bir taşıma denklemi oluşturulmuştur. Bu model kullanılarak çözüm algoritmasına bir taşıma denklemi eklenir ve açık olan sistem kapatılarak çözüm elde edilir. Akış alanı, toplam basınç ve sıcaklık oranları ve Mach sayısı dağılımı bakımından değerlendirilmiştir. Sonuçlar, deneysel ölçümler ve diğer hesaplamalı sonuçlarla mukayese edilmiştir. Sonuçlara göre geometrinin hazırlanma ve örgü ağının inşa usulü hesapların doğruluğunu epeyce etkilemektedir. snappyHexMesh karmaşık geometriler için otomatik bir örgü ağı inşa eden bir araç olmasının yanında, parametrelerinin bilinçli bir şekilde kullanılması gerekir. Elde edilen akış alanı özelliklerine göre toplam sıkıştırma oranı deneysel ve hesaplamalı sonuçlara kıyasla düşük hesaplanmıştır. Ayrıca diğer sonuçlarda görülen eğiş şok, bu çalışmada görülememiştir. Bunun sebebi rhoSimpleFoam'un şokları yakalayamaması olabilir. Ayrıca oluşturulan geometrinin yapısı da örgü ağının kalitesini etkilediği için çözümlere oldukça etki eder. Uygun bir çözücü ve kaliteli bir geometriyle daha iyi sonuçlar elde edilebilir.
Özet (Çeviri)
Construction of a proper mesh is a crucial stage of computational studies to obtain acceptable results as the quality of the mesh specifies accuracy, convergence and computational time. Solution is mainly restricted by imperfections on the geometry definition, low mesh quality and relatively coarse mesh structure. OpenFOAM as an open source software, which offers tools to generate grids for the solution domain in addition to execute CFD analysis. For complex geometries, mesh can be constructed by snappyHexMesh utility of OpenFOAM. snappyHexMesh creates an unstructured mesh over a structured state that is generated by blockMesh utility thus it presents an automatic mesh construction tool for engineering applications. In this study, NASA Rotor 37 that is an axial flow, transonic compressor delivering a pressure ratio of 2.1 at design conditions, is analyzed. OpenFOAM was used for both mesh construction and CFD analysis. An unstructured mesh was generated by snappyHexMesh. Since the solution domain contains periodic boundaries, cyclic boundary condition was used. Generation of cyclic BCs on an unstructured mesh are a difficult process by an open source tool as two periodic boundaries must be identical in order to overlap grids on these boundaries. The cyclic surfaces were produced as circular patterns of each other. Quality of the geometry file is also an important factor for mesh construction. Because of unstructured results of snappyHexMesh with non conformal grids, cyclic boundary condition option could not be used solitarily. Non conformal periodic boundaries are matched by cyclicAMI boundary condition options of OpenFOAM that states Arbitrary Mesh Interface and contructs the mesh matching for non overlapping grids. Integration of cyclicAMI was applied by an exclusive OpenFOAM dictionary, createPatchDict. Thus, for obtaining a mesh automatically, geometry files must have high quality, and periodic boundaries must be geometrically identical. Flow field of the rotor was evaluated in terms of total pressure and temperature ratios, and Mach number distributions. Spalart-Allmaras turbulence model was used. Computational results were compared with experimental measurements and other computational results. According to the results, method of preparation of the geometry and construction of the mesh affect accuracy considerably. Total temperature and pressure under predicted in comparison to experiment and other computational studies. It may be caused by rhoSimpleFoam that cannot capture shock, or by low quality geometry. Hence a proper solver and high quality geometry can give satisfying results.
Benzer Tezler
- Jenerik denizaltı geometrisinin katsayı tabanlı manevrakarakteristiklerinin had ve analitik çözüm yöntemleri ile analizi
Analysis of coefficient-based maneuvering characteristics of generic submarine geometry by CFD and analytical solution method
OĞUZHAN KIRIKBAŞ
Doktora
Türkçe
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Performance analysis of radial compressors with the open-source computational fluid dynamics suite SU2
Radyal kompresörlerin açık-kaynak hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı SU2 ile performans hesaplamalarının gerçekleştirilmesi
MUSTAFA KÜRŞAT UZUNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALTUĞ MELİK BAŞOL
- Radyal pompa çarkları içerisindeki üç boyutlu sürtmeli ve sürtmesiz akışın sayısal analizi
Full 3D viscous and inviscid analysis of flow in radial pump impelleri
AŞKIN KARAKAS
- Eksenel pompalarda çark kanat konstrüksiyonunun pompa genel verimi üzerine etkisi
Axial flow pump impellers - effects of pump design parameters on its performence
DURMUŞ KAYA
Doktora
Türkçe
2000
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. HALİL İBRAHİM SARAÇ
- Eksenel fanlarda rotor-stator etkileşim yüzeyi modellerinin ve kanat profillerine kaydırma uygulamasının performansa etkileri
The influence of rotor-stator frame change models and applying sweep method to blade profiles on axial fan performance
ERİM TAYLAN ÇAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU