Методика проведення верифікації CFD-моделі відцентрового нагнітача

Анотація

Стаття присвячена комплексному дослідженню відцентрового нагнітача 520-12-1 газоперекачувального агрегату ГТК-10, яке охоплювало аналіз геометрії за робочими кресленнями, побудову тривимірної моделі проточної частини, чисельне моделювання робочого процесу в середовищі ANSYS CFX, а також порівняння отриманих результатів з його зведеними характеристиками. На першому етапі було систематизовано вихідні геометричні та термогазодинамічні дані нагнітача. Геометрія робочого колеса та ротора формувалася на основі оцифрованих робочих креслень, що дозволило побудувати параметрично узгоджену 3D-модель міжлопаткового каналу. Такий підхід забезпечив зв’язок між реальною конструкцією нагнітача та чисельною моделлю, що є необхідним для подальшої верифікації програми розрахунку. На другому етапі було сформовано розрахункову базу у вигляді зведених характеристик нагнітача. Для цього визначено компонентний склад природного газу, молярну масу суміші, густину, газову сталу, ізобарну та ізохорну теплоємності, а також показник адіабати. На основі цих параметрів розраховано вхідні та вихідні характеристики робочої точки на характеристиці нагнітача, включаючи коефіцієнт стисливості, густину газу на вході, ступінь стискування, вихідний тиск, вихідну температуру, потужність та зведені витрати. Ці зведені характеристики були прийняті як еталонна інженерна база для подальшого порівнювання із CFD-результатами. На третьому етапі побудовано тривимірну CFD-модель проточної частини нагнітача у середовищі ANSYS CFX. Розрахунок здійснювався в стаціонарній постановці, заданого складу газу, турбулентній течії та обертового домену робочого колеса. Для аналізу були використані інтегральні параметри, одержані як безпосередньо із розв’язку CFX, так і через додаткові CEL Expressions, що дозволило визначити приведені характеристики придатні для зіставлення зі зведеними характеристиками. Окрему увагу в роботі приділено впливу сіткової дискретизації на результати чисельного моделювання. Для цього було розглянуто сім варіантів розрахункових сіток – від 50 тис. до 4 млн. комірок. Порівняння показало, що на грубих сітках спостерігаються суттєві відхилення від зведених характеристик, насамперед за ступенем стискування, вихідним тиском, потужністю та приведеною продуктивністю. При згущенні сітки ці відхилення поступово зменшуються, а для варіантів в інтервалі 2,5 – 4 млн. комірок результати переходять в область практичної сіткової збіжності. Важливим результатом роботи є встановлення того, що на точність порівняння суттєво впливає не лише густота сітки, а й спосіб врахування термодинамічних властивостей природного газу, зокрема коефіцієнта стисливості, що дозволило поєднати чисельні результати зі зведеними характеристиками нагнітача. Оцінювання невизначеності чисельної моделі проведено за ДСТУ ISO/TR 7066-1:2007 (ISO/TR 7066-1:1997). Для кожного варіанта сітки на основі системи відносних відхилень між CFD-результатами та зведеними характеристиками нагнітача визначено інтегральний показник невизначеності за RSS-моделлю. За результатами дослідження встановлено, що CFX Variant 7 забезпечує найкраще узгодження зі зведеними характеристиками за більшістю ключових параметрів і може розглядатися як найточніший варіант чисельної моделі. Водночас CFX Variant 6 демонструє близький рівень точності за суттєво менших обчислювальних витрат, тому може бути прийнятий як раціональний варіант для подальших розрахунків. Отримані результати дають підстави розглядати побудовану 3D CFD-модель як узгоджену та верифіковану чисельну модель, достовірність якої підтверджена шляхом системного порівняння зі зведеними характеристиками, аналізу сіткової збіжності та оцінювання інтегральної невизначеності. Вона може використовуватися як надійний інструмент для подальших досліджень: аналізу різних режимів роботи, дослідження впливу зміни фізичних властивостей газу, а також моделювання роботи нагнітача при транспортуванні газо-водневих сумішей.