بررسي رفتار حباب جدايش روي سطح مكش يك پره ليفت بالا در توربين فشارپايين با استفاده از تجزيه مدهاي متعامد سره

Investigating the Separation Bubble Behavior on the Suction Side of a High-Lift Low-Pressure Turbine Blade Using Proper Orthogonal Decomposition

موتورهاي توربوفن به صورت گسترده در هواپيماهاي امروزي به كار مي روند. توربين هاي فشارپايين سنگين ترين جزء موتورهاي توربوفن هستند و كاهش دادن وزن آنها در كاهش مصرف سوخت ويژه و بهبود راندمان كلي اين موتورها بسيار تاثيرگذار است. يكي از راه هاي كاهش وزن، كاهش تعداد پره ها است كه با افزايش بارگذاري روي هر پره همراه مي شود و به اين منظور مي توان از ايرفويل هاي ليفت بالا در طراحي استفاده كرد. با توجه به بالابودن احتمال جدايش در اين پره ها، شناسايي موقعيت و اندازه حباب جدايش براي تعيين مقدار افت انرژي جريان اهميت فراوان دارد. در اين پژوهش رديف پره ليفت بالاي T106D-EIZ به روش ميانگين گيري رينولدز معادلات ناوير- استوكس ناپايا (URANS) با مدل آشفتگي تنش برشي (SST) و مدل گذار در دو عدد رينولدز 200,000 و 60,000 و عدد ماخ آيزنتروپيك خروجي 0/4 كه بيانگر شرايط جريان در توربين فشارپايين است، به صورت دوبعدي شبيه سازي عددي شده است. نتايج نشان مي دهند هنگامي كه عدد رينولدز بزرگ باشد، روي سطح مكش حباب جدايش كوچك و محدود باقي مي ماند و لايه برشي جداشده به سطح پره بازگشته و مقدار افت انرژي جريان كاهش مي يابد. درحالي كه در عدد رينولدز كم ، حباب جدايش بزرگ شده و افت انرژي سيال افزايش مي يابد. حباب جدايش به صورت مستقيم از خطوط هم تراز فشار قابل تشخيص نيست اما بررسي ميدان فشار به روش تجزيه مدهاي متعامد سره، قابليت شناسايي ساختارهاي درون جريان شامل كشش گردابه، شروع جدايش و بازگشت جريان به سطح را به دست مي دهد. هنگامي كه اندازه حباب جدايش بزرگ است، ساختارهاي گردابي بزرگي در سطح مكش تشكيل مي شود. رهايي اين گردابه هاي بزرگ باعث افزايش بيش از 50% مقدار افت پروفيل مي شود.

Turbofan engines are widely used in modern aircraft. Low-pressure turbines are the heaviest components of turbofan engines, and reduction of their weights is very effective in improving the specific fuel consumption and overall efficiency of these engines. One of the methods of decreasing the engine weight is to decrease the number of blades which is accompanied by an increase of the blade loading. For this purpose, high-lift airfoils can be used. As the occurrence of flow separation is very probable in high-lift blades, the recognition of the location and size of the separation bubble is important to assess the energy loss of flow. In this research, T106DEIZ high-lift cascade is simulated by two-dimensional Unsteady Reynolds-Averaged Navier- Stokes (URANS) equations with Shear Stress Transport (SST) turbulence model and γ-Re_θ transition model in two Reynolds numbers 200,000 and 60,000 at a constant isentropic exit Mach number of 0.4, which represent a typical flow condition in low-pressure turbine. The results show that when Reynolds number is high, the separation bubble remains small on the suction side and the separated shear layer returns to the blade surface, and the energy loss of flow decreases. On the other hand, at a low Reynolds number, the separation bubble grows and energy loss increases. Separation bubble is not directly detectable in an evaluation of pressure distribution. However, proper orthogonal decomposition of the pressure field provides the capability to identify flow structures including vortex stretching, the onset of flow separation, and flow reattachment. When the separation bubble is long, large vortical structures are formed on the suction surface. Release of these large vortices can increase the profile loss by more than 50 percent.