CFD modeling of multiphase flows in the gas turbine engines oil cavities

Autor: Aissa, Douaissia Omar Hadj, Lysytsia, Oleksii, Mykhailenko, Taras, Petukhov, Ilya
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Східно-Європейський журнал передових технологій; Том 2, № 5 (104) (2020): Прикладна фізика; 12-20
Восточно-Европейский журнал передовых технологий; Том 2, № 5 (104) (2020): Прикладная физика; 12-20
Eastern-European Journal of Enterprise Technologies; Том 2, № 5 (104) (2020): Applied physics; 12-20
ISSN: 1729-3774
1729-4061
Popis: The choice of the structure of the mathematical model of thermal-hydraulic processes in the oil cavities of the GTE rotor supports has been substantiated. A three-dimensional CFD model has been built to calculate multiphase currents involving information on the flow distribution and heat exchange given in the scientific literature. We have considered the approaches and individual models used for these purposes. The resulting solutions are consistent with the results of the experiment on a model support and generally accepted ideas about the processes in a given class of devices. The distribution of oil in the chamber, the phase current lines, the temperature and velocity fields have been given, as well as the velocity vectors for various CFD models (VOF, Euler, Inhomogeneous) and solver types (steady and non-steady). Based on the analysis of the results obtained, it has been found that the Euler model involving a non-steady solver yields the smallest difference with the experimental values for a heat transfer coefficient. In all cases, when gravity is considered, there is an asymmetrical distribution of the oil film. The result is a change in the thermal resistance of the boundary layer and, consequently, in the heat transfer coefficient along the bearing chamber circumference. This largely determines the heat flow through the chamber wall. The proposed method of modeling workflow in the support's oil cavity is based on a mathematical notation of the heterogeneous monodisperse oil-air flow with an algorithm of inversion of the structure of two-phase flow in the near-wall region from the drip into the bubble. That makes it possible to more accurately calculate the temperature states of the GTE rotor support elements and the system that ensures the proper operation of the bearing by correctly determining the heat transfer coefficient on the part of the oil-air mixture. The constructed model makes it possible to numerically investigate the applicability of those known and to derive the new correlation dependences for the mean value of aheat transfer coefficientin the oil cavity of rotor support that is used in engineering calculations. The model also makes it possible to numerically investigate the impact of the geometry, the rotor rotation frequency, and the phases flow rates on heat output in the oil cavity
Обоснован выбор структуры математической модели теплогидравлических процессов в масляных полостях опор ротора ГТД. Сформирована трехмерная CFD-модель для расчета многофазных течений с привлечением информации о потокораспределении и теплообмене, представленной в научной литературе. Рассмотрены подходы и отдельные модели, используемые для этих целей. Полученные решения согласуются с результатами эксперимента на модельной опоре и общепринятыми представлениями о процессах в данном классе устройств. Приведены распределение масла в камере, линии тока фаз, поля температуры и скорости, а также векторы скорости для различных CFD-моделей (VOF, Euler, Inhomogeneous) и типов решателя (стационарный и нестационарный). На основе анализа полученных результатов установлено, что модель Euler с использованием нестационарного решателя дает наименьшее различие с экспериментальными значениями коэффициента теплоотдачи. Во всех случаях при учете силы тяжести имеет место асимметричное распределение масляной пленки. В результате меняется термическое сопротивление пограничного слоя и, следовательно, коэффициент теплоотдачи по окружности камеры подшипника. Это в значительной мере определяет тепловой поток через стенку камеры. Предложенный метод моделирования рабочего процесса в масляной полости опоры базируется на математическом описании гетерогенного монодисперсного масло-воздушного потока с алгоритмом инверсии структуры двухфазного потока в пристенной области из капельной в пузырьковую. Это позволяет более точно рассчитывать температурные состояния элементов опоры ротора ГТД и системы обеспечения работоспособности подшипника путем корректного определения коэффициента теплоотдачи со стороны масляно-воздушной смеси. Разработанная модель дает возможность численно исследовать применимость известных и получить новые корреляционные зависимости для среднего значения коэффициента теплоотдачи в масляной полости опоры ротора, используемого при инженерных расчетах. Также модель позволяет численно исследовать влияние геометрии, частоты вращения ротора и расходов фаз на теплоотдачу в масляной полости
Обґрунтовано вибір структури математичної моделі теплогідравлічних процесів в масляних порожнинах опор ротора ГТД. Сформована тривимірна CFD-модель для розрахунку багатофазних течій з використанням інформації про потокорозподіл і теплообмін, що представлені в науковій літературі. Розглянуті підходи і окремі моделі, що використовуються для даних цілей. Отримані рішення узгоджуються з результатами експерименту на модельній опорі і загальноприйнятими уявленнями про процеси в пристроях цьому класу. Приведені розподіл масла в камері, лінії течії фаз, поля температури і швидкості, а також вектори швидкості для різних CFD-моделей (VOF, Euler, Inhomogeneous) і типів вирішувача (стаціонарний і нестаціонарний). На основі аналізу отриманих результатів встановлено, що модель Euler з використанням нестаціонарного вирішувача дає найменшу розбіжність з експериментальними значеннями коефіцієнта тепловіддачі. В усіх випадках при врахуванні сили тяжіння має місце асиметричний розподіл масляної плівки. В результаті змінюється термічний опір пограничного шару і, отже, коефіцієнт тепловіддачі по окружності камери підшипника. Це в значній мірі визначає тепловий потік через стінку камери. Запропонований метод моделювання робочого процесу в масляній порожнині опори базується на математичному описанні гетерогенного монодисперсного масляно-повітряного потоку з умовою інверсії структури двофазного потоку в пристінній області з краплинної у бульбашкову. Це дозволяє більш точно розраховувати температурний стан елементів опори ротора ГТД і системи забезпечення працездатності підшипника шляхом коректного визначення коефіцієнта тепловіддачі з боку масляно-повітряної суміші. Розроблена модель дає можливість чисельно досліджувати дієздатність відомих і отримати нові кореляційні залежності для середнього значення коефіцієнта тепловіддачі в масляній порожнині опори ротора, використовуваного при інженерних розрахунках. Також дозволяє чисельно досліджувати вплив геометрії, частоти обертання ротора і витрат фаз на тепловіддачу в масляній порожнини
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: