Validation of Computational Fluid Dynamics Simulations for Centrifugal Compressor Performance
Rantala, Eetu (2018)
Diplomityö
Rantala, Eetu
2018
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201803023644
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201803023644
Tiivistelmä
Compressed air production accounts for about 10 % of the overall electricity consumption in the industrial sector in developed countries. Because the largest share of the compressed air lifecycle costs comes from energy cost, large savings can be achieved with improvement of compressor efficiency. Computational fluid dynamics is a powerful tool when investigating and developing the performance of the compressor. To find the credibility of the numerical results provided by CFD, the simulation results have to be compared with experimental test results. The management of the simulation and test data can become a bottleneck in the validation process. Simulation lifecycle management provides tools for making the comparison more seamless.
The objective of the thesis was to find methods for more efficient simulation and experimental data comparison, and to ensure the reliability of the simulations. Compressor performance standards were studied, and feasibility of simulation lifecycle management in simulation validation process was examined. Fundamentals of validation were studied to find the best practices for validation.
Parameters chosen for validation experiment were efficiency and pressure ratio. Due to the measurement problems with the compressor used in the experiment, reliable validation for efficiency was not possible to perform. For pressure ratio comparison, decent correspondence between the test results and simulation results was found, but due to the inadequate uncertainty estimation, results cannot be completely stated as validated. For future work, improvement proposals for more efficient validation were listed. Paineilman tuotannon osuus on noin 10 % kehittyneiden maiden teollisuuden sähkönkulutuksesta. Koska suurin osa paineilman elinkaarikustannuksesta tulee energiakustannuksesta, voidaan saavuttaa suuria säästöjä kompressorin hyötysuhdetta parantamalla. Laskennallinen virtausdynamiikka (CFD) on tehokas työkalu kompressorin suorituskyvyn tutkimisessa ja kehittämisessä. Jotta CFD:n antamia numeerisia tuloksia voidaan pitää uskottavina, täytyy simulointituloksia verrata kokeellisiin testituloksiin. Simulointi- ja testidatan hallinnasta voi tulla pullonkaula validointiprosessissa. Simuloinnin elinkaaren hallinta tarjoaa työkaluja saumattomampaan vertailuun.
Työn tavoitteena oli löytää menetelmiä tehokkaampaan simulointi- ja testidatan vertailuun, ja varmistaa simulointien luotettavuus. Standardeja kompressorin suorituskyvyn mittaamiseen tarkasteltiin, ja simuloinnin elinkaaren hallinnan käyttökelpoisuus simulointien validointiprosessissa todettiin. Validoinnin perusteet tutkittiin parhaiden validointitapojen löytämiseksi.
Validointikokeeseen parametreiksi valittiin hyötysuhde ja painesuhde. Kokeessa käytetyn kompressorin mittausongelmista johtuen, luotettavaa hyötysuhteen validointia ei voitu suorittaa. Painesuhteen vertailussa löydettiin kohtuullinen vastaavuus testitulosten ja simulointitulosten välillä, mutta puutteellisen epävarmuuden arvioinnin takia tuloksia ei voida pitää täysin validoituina. Tulevaisuutta varten listattiin kehitysehdotuksia tehokkaampaan validointiin.
The objective of the thesis was to find methods for more efficient simulation and experimental data comparison, and to ensure the reliability of the simulations. Compressor performance standards were studied, and feasibility of simulation lifecycle management in simulation validation process was examined. Fundamentals of validation were studied to find the best practices for validation.
Parameters chosen for validation experiment were efficiency and pressure ratio. Due to the measurement problems with the compressor used in the experiment, reliable validation for efficiency was not possible to perform. For pressure ratio comparison, decent correspondence between the test results and simulation results was found, but due to the inadequate uncertainty estimation, results cannot be completely stated as validated. For future work, improvement proposals for more efficient validation were listed.
Työn tavoitteena oli löytää menetelmiä tehokkaampaan simulointi- ja testidatan vertailuun, ja varmistaa simulointien luotettavuus. Standardeja kompressorin suorituskyvyn mittaamiseen tarkasteltiin, ja simuloinnin elinkaaren hallinnan käyttökelpoisuus simulointien validointiprosessissa todettiin. Validoinnin perusteet tutkittiin parhaiden validointitapojen löytämiseksi.
Validointikokeeseen parametreiksi valittiin hyötysuhde ja painesuhde. Kokeessa käytetyn kompressorin mittausongelmista johtuen, luotettavaa hyötysuhteen validointia ei voitu suorittaa. Painesuhteen vertailussa löydettiin kohtuullinen vastaavuus testitulosten ja simulointitulosten välillä, mutta puutteellisen epävarmuuden arvioinnin takia tuloksia ei voida pitää täysin validoituina. Tulevaisuutta varten listattiin kehitysehdotuksia tehokkaampaan validointiin.