Radiaalikompressorin spiraalivirtauksen numeerinen mallinnus

Abstract

Diplomityössä mallinnetaan numeerisesti radiaalikompressorin spiraalin virtaus. Spiraalin tarkoituksena radiaalikompressorissa on kerätä tasaisesti virtaus diffuusorin kehältä. Spiraaliin on viime aikoina kiinnitetty enemmän huomiota, koska on havaittu, että kompressorin hyötysuhdetta voidaan parantaa spiraalia optimoimalla. Spiraalin toimintaa tarkastellaan kolmella eri massavirralla. Työn alussa käsitellään spiraalin toimintaperiaatteita. Numeerisena ratkaisijana käytetään Teknillisessä korkeakoulussa kehitettyä FIN-FLO -koodia. FINFLO -laskentaohjelmassa ratkaistaan Navier-Stokes yhtälöt kolmeulotteiselle laskenta-alueelle. Diskretointi perustuu kontrollitilavuus menetelmään. Työssä käsitellään laskentakoodin toimintaperiaatteitta. Turbulenssia mallinnetaan algebrallisella Baldwin-Lomaxin ja kahden yhtälön Chienin k-e turbulenssimalleilla. Laskentatuloksia verrataan Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa tehtyihin mittauksiin kyseessä olevasta kompressorin spiraalista. Myös eri turbulenssimalleilla ja hilatasoilla saatuja tuloksia verrataan keskenään. Laskentatuloksien jälkikäsittelyä varten ohjelmoitiin neljä eri tietokoneohjelmaa. Laskennalla pyritään saamaan lisäselvyyttä virtauksen käyttäytymiseen spiraalissa ja erityisesti ns. kielen alueella. Myös kahden eri turbulenssimallin toimivuutta kompressorin numeerisessa mallinnuksessa tutkitaan.

In this Master's thesis the flow in the volute of the centrifugal compressor is investigated numerically. The meaning of the volute is to collect flow smoothly from the diffuser outlet. More attention to volute is caught recently, because it is found, that efficiency of the compressor can be improved by optimising the volute. The behaviour of the flow in the volute is investigated with three different mass flows. The principle of the volute is discussed at the beginning of the Mas-ter's thesis. FINFLO is the numerical solver, which is developed in the Helsinki University of Technology. It is used to obtain the numerical solutions. In FINFLO the Navier-Stokes equations are solved for the three-dimensional calculation area. Discretization is based on finite volume method. The principles of the FINFLO are discussed in this Master's thesis. Turbulence is modelled with algebraic Baldwin-Lomax and Chien's two equation k-e turbulence models. The results of the numerical calculations are compared with measurements made in the Lappeenranta University of Technology. Also the results from different turbulence models and grid levels are compared with each other. Four different programs are programmed for a post-processing of the numerical results. A reason for the numerical investigations is to get more clarity of the behaviour of the flow in the volute, especially near the tongue. The functionality of the two different turbulence models is also investigated in this Master's thesis.