Валідація математичної моделі для прогнозування аеродинамічних характеристик вентилятора з лопатками, загнутими назад

Сергій Якимчук

doi:10.20998/2078-774X.2026.01.07

Автор(и)

Сергій Якимчук Національний університет «Київський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0009-0002-0815-2490

DOI:

https://doi.org/10.20998/2078-774X.2026.01.07

Анотація

У статті представлено комплексне дослідження, присвячене валідації математичної моделі аеродинамічних процесів у відцентрових вентиляторах із назад загнутими лопатками. Актуальність роботи обумовлена потребою підвищення енергоефективності лопаткових машин і зменшення витрат на етапі проєктування за рахунок заміни дорогих експериментальних випробувань високоточними числовими методами. У дослідженні проведено детальне порівняння двох підходів традиційного фізичного експерименту та сучасного числового моделювання. Методологічною основою роботи є застосування методів обчислювальної гідрогазодинаміки (CFD) у програмному середовищі ANSYS. Для підвищення достовірності результатів використано широкий підхід до моделювання. Виконано порівняльний аналіз ефективності різних напівемпіричних моделей турбулентності: SST k–ω (Shear Stress Transport) для точного опису пристінкових явищ; стандартна k-ε для аналізу загальної структури потоку; LRR (модель напружень Рейнольдса) для врахування анізотропії турбулентності; SST Gamma-Theta для прогнозування переходу від ламінарного до турбулентного режиму. Також увагу приділено аналізу сіткової збіжності. Розроблено та досліджено три варіанти топології розрахункової сітки з різним рівнем деталізації, що дозволило знизити похибку, пов’язану з дискретизацією геометрії. Наукова новизна полягає у кількісному визначенні розбіжностей між числовими та експериментальними аеродинамічними характеристиками. Встановлено, що застосування моделі турбулентності SST k–ω у поєднанні з гексаедричною сіткою забезпечує найвищу точність результатів із відхиленням у межах 3 % – 5 % від експериментальних даних. Отримані результати підтверджують адекватність розробленої моделі та обґрунтовують її використання для оптимізації геометрії лопаток і розширення робочого діапазону вентиляторів без зниження їхньої ефективності. Розв’язання поставлених задач дозволило підвищити достовірність числових методів, скоротити обсяг експериментальних досліджень. Сформульовані рекомендації щодо параметрів моделювання можуть бути використані для подальшого вдосконалення високонапірних вентиляційних систем.

Посилання

Kulyk M. S., Kapitanchuk K. I., Andriyishyn M. P. (2022), Nagnitachi pryrodnogo gazu [Natural gas compressors], NAU, Kiev, 228 p., ISBN 978-966-932-173-2, Ukraine, Access mode: https://er.kai.edu.ua/server/api/core/bitstreams/3df2bbce-e53e-4794-b777-05499aac5d73/content (accessed 10 April 2026).
Grekov P. I., Kapitanchuk K. I., Voljans'ka L. G., Alpatov V. Je. (2005), “Pidvyshhennja efektyvnosti ventyljacijnyh ustanovok ezhektornogo typu [Improving the efficiency of ejector-type ventilation systems]”, Industrial Hydraulics and Pneumatics, no. 4(10), pp. 45–49, Access mode: https://er.nau.edu.ua/handle/NAU/39938 (accessed 10 April 2026).
Kapitanchuk K. I. (2017), “Metodyka rozrahunku izoentropnoi' techii' real'nogo gazu z vykorystannjam gazodynamichnyh funkcij [Method for calculating isentropic flow of a real gas using gas-dynamic functions]”, 13th International Scientific and Technical Conference “AVIA–2017”, 19–21 April, Kiev, pp. 20.62–20.65, Access mode: https://er.nau.edu.ua/handle/NAU/39835 (accessed 10 April 2026).
Pritz B., Probst M., Wiśniewski P., Dykas S., Majkut M., Smołka K. (2021), “Identification of unsteady effects in the flow through a centrifugal fan using CFD/CAA methods”, Archives of Thermodynamics, vol. 42, no. 4, pp. 169–181, https://doi.org/10.24425/ather.2021.139657.
Probst M., Matthew N., Pritz B., Stieglitz R., Gabi M. (2019), “Quantitative Validation of CFD-Simulation against PIV Data for a Centrifugal Fan”, Proceedings of the 14th International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows (ISAIF14), 8-11 July 2019, Gdansk, Poland, Access mode: https://www.researchgate.net/publication/350837371_Quantitative_Validation_of_CFD-Simulation_against_PIV_Data_for_a_Centrifugal_Fan (accessed 10 April 2026).
Kapitanchuk K. I., Andriyishyn M. R., Yakymchuk S. A. (2024), “Design and experimental research of a centrifugal fan with backward-curved blades”, Proceedings. The Eleventh World Congress “Aviation in the XXI-st Century”. Safety in Aviation and Space Technologies, 25–27 September, 2024, Kyiv, Ukraine, vol. 1, pp. 1.4.5–1.4.9, Access mode: http://congress.nau.edu.ua/2024/materialy-kongresu/ (accessed 10 April 2026).
Andriyishyn M. R., Kapitanchuk K. I., Yakymchuk S. A. (2024), “Vymirjuval'nyj stend dlja vyznachennja aerodynamichnyh harakterystyk ventyljatoriv vidpovidno do standartu ANSI/AMCA 210-07 [Measuring test bench for determining aerodynamic characteristics of fans in accordance with the ANSI/AMCA 210-07 standard]”, ХХІV Mizhnarodna naukovo-tehnichna konferencija AS PGP «Promyslova gidravlika i pnevmatyka», 19–20 grudnja, 2024 r., Kyi'v, Ukrai'na [Proceedings of the 24th International Scientific and Technical Conference “Industrial Hydraulics and Pneumatics Conference”, 19–20 December, Kyiv, Ukraine], GLOBUS-PRES, Kyiv, Access mode: https://er.kai.edu.ua/server/api/core/bitstreams/3c04ea80-dc3b-4720-866d-e4437ce75ee4/content
Yakymchuk S. A. (2025), “Chysel'ne modeljuvannja aerodynamiky vidcentrovogo ventyljatora [Numerical simulation of the aerodynamics of a centrifugal fan]”, Tezy dopovidej XXV Mizhnarodnoi' naukovo-praktychnoi' konferencii' zdobuvachiv vyshhoi' osvity i molodyh uchenyh «POLIT. Suchasni problemy nauky». Sekcija: Suchasni aviacijni tehnologii', 1–4 kvitnja 2025 r., Kyi'v, Ukrai'na [Abstracts of XXV International conference of higher education students and young scientists. “POLIТ. Challenges of Science Today”. Modern Aviation Technologies, 1–4 April 2025, Kiev, Ukraine], pp. 9–11, Access mode: https://nau.edu.ua/site/variables/docs/docsmenu/studnauka/polit2025/Polit-2025_AKF.pdf (accessed 10 April 2026).
Kapitanchuk K., Yakymchuk S. (2025), “Modeljuvannja ta doslidzhennja efektyvnosti vidcentrovogo ventyljatora iz zagnutymy nazad lopatkamy [Modeling AND Investigation of the Efficiency of a Centrifugal Fan with Backward-Curved]”, Aerospace Technic and Technology, no. 4sup2(206), pp. 39–45, https://doi.org/10.32620/aktt.2025.4sup2.03.
Moczko P., Odyjas P., Pietrusiak D., Więckowski J., Scholz P., Dix M., Osiecki T., Timmel T., Kroll L. (2022), “Enhancing Efficiency of Industrial Centrifugal Fans Using Blade Adjustment Mechanism”, Energies, vol. 15, is. 3, paper no. 893, https://doi.org/10.3390/en15030893.
Siwek T., Górski J., Fortuna S. (2014), “Numerical and Experimental Study of Centrifugal Fan Flow Structures and Their Relationship with Machine Efficiency”, Polish Journal of Environmental Studies, vol. 23, no. 6, pp. 2359–2364, Access mode: https://www.pjoes.com/pdf-89420-23298?filename=Numerical+and.pdf&utm (accessed 10 April 2026).
Pritz B., Walter J., Gabi M. (2018), “A Centrifugal Fan Test Bench for Validation Data at Off-Design Conditions”, International Conference on Fan Noise, Aerodynamics, Applications and Systems, 18–20 April 2018, Darmstadt, Germany, Access mode: https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000124453/89737554?utm (accessed 10 April 2026).
Kapitanchuk K. I., Andriyishyn M. R., Yakymchuk S. A. (2025), “CFD-analiz chysel'nogo modeljuvannja aerodynamichnyh procesiv vidcentrovogo ventyljatora [CFD analysis of numerical modeling of aerodynamic processes in a centrifugal fan]”, Materialy XVII Mizhnarodnoi' naukovo-tehnichnoi' konferencii' “AVIA-2025”, 22–24 kvitnja 2025 roku, Kyi'v, Ukrai'na [Proceedings of the 17th International Scientific and Technical Conference “AVIA-2025”, 22–24 April 2025, Kiev, Ukraine], pp. 6.1–6.5, Access mode: https://avia.nau.edu.ua/avia2025/info/AVIA_2025.pdf (accessed 10 April 2026).
CFD Online (2026), SST k–omega model, Access mode: https://www.cfd-online.com/Wiki/SST_k-omega_model (accessed 10 April 2026).
Anjomrouz A., Karimi M. S., Hannani S. K. (2026), “Aerodynamic optimization of the combined axial-centrifugal compressor: a deep learning assisted two-step optimization approach”, Energy Conversion and Management: X, vol. 30, https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2026.101911.
Hwang M., Cheong C., Cho S., Choi J. (2026), “Optimization of centrifugal fan for clothes dryer using transfer learning-based multi-fidelity modeling”, The Journal of the Acoustical Society of Korea, vol. 45, no. 1, pp. 1–12, Access mode: https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/ask/2026-045-01/N0660450101/N0660450101.pdf (accessed 10 April 2026).
Zhang A., Liu Y., Yang J., Li Z., Zhang C., Li Y. (2022), “Machine learning based design optimization of centrifugal impellers”, Journal of the Global Power and Propulsion Society, vol. 6, pp. 124–134, https://doi.org/10.33737/jgpps/150663.
Bamberger K., Belz J., Carolus T., Nelles O. (2016), “Aerodynamic Optimization of Centrifugal Fans Using CFD-Trained Meta-Models”, International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Hawaii, Honolulu, 10–15 April 2016 (ISROMAC 2016), Access mode: https://www.mb.uni-siegen.de/iftsm/forschung/veroeffentlichungen_pdf/160_2016.pdf (accessed 10 April 2026).