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
- Tez No: 821780
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALTUĞ MELİK BAŞOL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Turbomakineler ile ilgili akış analizi çalışmaları için çoğunlukla kullanılan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımları ANSYS, Numeca, vb. gibi ücretli yazılımlardan oluşmaktadır. Açık kaynak HAD yazılımları arasında, turbomakine akış analizlerinde kullanılan ve turbomakine analizlerine özel ayarları bulunan bir yazılım bulmak oldukça zordur. Ancak, açık kaynak HAD yazılımları arasında bulunan SU2 diğer örneklerine kıyasla bir istisna halindedir. SU2 içerisinde turbomakine akış analizlerinde kullanılan özel ayarları hali hazırda barındırmaktadır. Bu çalışmada, açık kaynak HAD yazılımı olan SU2'nin turbomakine tasarımı ve akış analizinde kabiliyetleri, özellikle radyal kompresör çerçevesinde irdelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, akış analizinde kullanılan denklemler tanıtılmış ve türetilmiştir. Akış analizlerinin bir parçası olan türbülans modellenmesi ve farklı türbülans modelleri kısaca açıklanmıştır. SU2 içerisinde bu denklemlerin fiziksel olarak nasıl modellendikleri ve numerik olarak nasıl uygulandıklarından bahsedilmiştir. Akış analizlerinde ve optimizasyon sürecinde kullanılan metodoloji açıklanmıştır. SU2'nin validasyonu için iki sıkıştırılabilir türbülanslı akış rejiminde çalışan vaka kullanılmıştır. Bunlar benzer uygulamalarda da sıkça kullanılan türbülanslı düz plaka ve transonik kanat profili RAE2822'dir. Türbülanslı düz plaka vakasının önemi, SU2'nin sınır tabakayı doğru bir şekilde çözüp çözemeyeceğinin gözlemlenebilmesidir. Transonik kanat profili RAE2822 vakasının öenmi de, SU2'nin kanat profili üzerinde oluşan şok konumunu doğru bir şekilde tahmin edip edemeyceğinin gözlemlenebilmesidir. Çalışmada yapılan turbomakine akış analizlerinde iki radyal kompresör geometrisi, difüzör bölümünde kanatçık bulunan ve bulunmayan, kullanılmıştır. Kullanılan iki geometri için de bir çok çalışma noktası simüle edilmiştir. SU2 ile elde edilen sonuçlar, MAN Energy Solutions Schweiz AG tarafından sağlanan, deneysel verilen ve Fidelity Flow yazılımından elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmanın sonucunda SU2'nin oldukça iyi doprulukta sonuçlar elde ettiği gösterilmiştir. Bunların da yanında, SU2 içierisinde bulunan iki farklı türbülans modelinin birbiriyle karşılaştırması yapılmıştır. SU2 hali hazırda içerisinde optimizasyon araçlarıyla beraber gelmektedir. Bu araçların turbomakine tasarımında ne kadar kullanılabildiği test edilmiştir. Bunun için, difüzöründe kanatçık bulunan radyal kompresör geometrisi seçilmiştir ve difüzördeki kanatçık optimize edilmeye çalışılmıştır. Difüzördeki kanatçık, vakanın daha basitleştirilmesi için 2D olarak modellenmiştir. Optimizasyon çalışması sadece bir çalışma noktası için gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma noktası daha önce elde edilmiş performans eğrisinden seçilmiştir. Sonunda, optimize edilmiş kanatçık ile başlangıç olarak alınan tasarım karşılaştırılmış ve elde edilen iyileştirme gösterilmiştir. Sonuç olarak, SU2'nin turbomakine akış analizi ve tasarımında ne gibi kabiliyetlere sahip olduğu bu çalışmada irdelenmiştir. Bu çalışmanın sonucu olarak, SU2'nin hem iyi hem de kötü yanları olmasına rağmen, sahip olduğu potansiyel sayesinde turbomakine akış analizlerinde kullanılmak için uygun bir alternatif açık kaynak HAD yazılımı olduğu söylenebilmektedir.
Özet (Çeviri)
Turbomachinery related computational fluid dynamics works are mostly done with commercial software such as ANSYS, Numeca, etc. In the open-source CFD field, there are not many software packages that prioritize or implement turbomachinery specific features in them. However, the open-source CFD software SU2 is an exception in that regard. It has turbomachinery specific features implemented in it out of the box. In this work, the capabilities of SU2 are investigated for turbomachinery CFD analysis and design, specifically on radial compressors. First step, the fluid flow governing equations are derived. Turbulence modeling and the turbulence models used are briefly explained. The physical modelling and numerical implementation of SU2 are described. The methodology developed for the flow simulations and optimization process are explained. Validation of SU2 is done by using two compressible turbulent flow cases. These cases are turbulent boundary layer and transonic airfoil RAE2822. Both cases see frequent usage in validation studies. These two are relevant for a turbomachinery case as well. For the turbulent boundary layer flow, it is very important for the solver to resolve the boundary layer very accurately. As for the transonic airfoil RAE2822, it is important to see if SU2 can accurately determine the shock location. For the simulations, two radial compressor geometries are used with vaned and vaneless diffusers. Several operating points are used for both geometries. The results obtained with SU2 are comapred to Fidelity Flow results and experimental data provided by MAN Energy Solutions Schweiz AG and ANSYS-CFX. Results from SU2 showed promising results for both geometries. A comparison of available turbulence models in SU2 is also included. SU2 has integrated optimization tools of its own. These out of the box optimization capabilities of SU2 are investigated for its applicability to turbomachinery cases. For this investigation, the vane of the vaned diffuser geometry is used. The diffuser geometry is simplified to a 2D geometry and optimization study is done with this geometry. Optimization study is conducted for only a single operating point, selected from the performance map of the radial compressor with the vaned diffuser. Optimized blade is compared to the baseline design and how much of an improvement made is explained. In the end, the capabilities of SU2 regarding turbomachinery analysis and design are examined. It can be said that as an outcome of this work, even though SU2 has both advantages and disadvantages, it definitely shows good potential in turbomachinery analysis for an open-source CFD tool.
Benzer Tezler
- Aktif ve pasif kontrol yöntemlerinin radyal kompresör performansı üzerindeki etkilerinin sayısal incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of active and passive flow control methods on the performance of centrifugal compressors
SÜLEYMAN EMRE AK
Doktora
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- A Preliminary design system for axial flow turbines
Eksenel akışlı türbinler için bir ön tasarım sistemi
NEZİH ÇAĞLAR KIRAL
Yüksek Lisans
İngilizce
1996
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET Ş. ÜÇER
- Meanline performance analysis of radial compressors
Radyal kompresörlerin orta çizgi performans analizi
EMRAH GÜLLÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET HALUK AKSEL
- Eksenel akışlı fan tasarımı
Axial flow fan design
MESUT ÇALIŞKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS