Un Análisis Computacional del Campo de Flujo del Compresor del Turbocompresor con un Enfoque en el Estancamiento del Impulsor
Autores: Banerjee, Deb K.; Selamet, Ahmet; Sriganesh, Pranav
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Un Análisis Computacional del Campo de Flujo del Compresor del Turbocompresor con un Enfoque en el Estancamiento del Impulsor
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Inestabilidades de flujo
Compresor de turbocompresor
Estudio experimental
Velocimetría de Imágenes de Partículas
Inestabilidad de pérdida
Impulsor
Dinámica de fluidos computacional
Tasas de flujo másico
Flujo inverso
Diseño de impulsor
Celdas de pérdida rotativa
Generación de entropía
Flujo central
Flujo de fuga en el borde.
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Citaciones: Sin citaciones
Entender las inestabilidades del flujo que encuentra el compresor del turbocompresor es un paso importante para mejorar su diseño general en términos de rendimiento y eficiencia. Mientras que se realizó un estudio experimental utilizando Velocimetría de Imágenes de Partículas para examinar el campo de flujo en la entrada del compresor del turbocompresor, el presente trabajo complementa ese esfuerzo al analizar las estructuras de flujo que conducen a la inestabilidad de estancamiento dentro del mismo impulsor. Se llevaron a cabo predicciones de dinámica de fluidos computacional tridimensional validadas experimentalmente a tres tasas de flujo másico discretas, incluyendo 77 g/s (condición de flujo máxima y estable), 57 g/s (cerca de la eficiencia máxima) y 30 g/s (con un fuerte flujo inverso del impulsor) a una velocidad de rotación fija de 80,000 rpm. Se observaron grandes celdas de estancamiento estacionarias en lo profundo del impulsor a 30 g/s, ocupando una parte significativa del paso de la pala cerca de la cubierta entre la superficie de succión de las palas principales y la superficie de presión de las palas divisorias. Estas celdas de estancamiento se crean principalmente cuando una parte sustancial del flujo central de entrada no puede seguir la curva axial a radial del impulsor contra el gradiente de presión adverso y es arrastrada por el flujo inverso y el flujo de fuga en la punta, dando lugar a una región de fluido de bajo momento en su estela. Este fenómeno se observó en menor medida a 57 g/s y estuvo completamente ausente a 77 g/s. Por otro lado, se encontró que el estancamiento rotativo del inducido era más dominante a 57 g/s. El arrastre del flujo de fuga en la punta por el flujo central que se mueve hacia el impulsor, lo que lleva a la generación de una capa de cizallamiento inestable y ondulante en el plano del inducido, fue fundamental en la generación de estancamiento rotativo. Los análisis presentes proporcionan una caracterización detallada tanto de las celdas de estancamiento estacionarias como rotativas y demuestran la física detrás de su formación, así como su efecto en la eficiencia del compresor. El estudio también caracteriza la generación de entropía dentro del impulsor bajo diferentes condiciones de operación. Mientras que a 77 g/s, la generación de entropía se concentra principalmente cerca de la cubierta del impulsor con el flujo central siendo casi isentrópico, a 30 g/s, hay un aumento significativo en el área dentro del paso de la pala que muestra una producción de entropía elevada. Se encontró que el flujo de fuga en la punta, su interacción con las palas y el flujo central hacia adelante, y el flujo inverso dentro del impulsor son las principales fuentes de irreversibilidades.
Descripción
Entender las inestabilidades del flujo que encuentra el compresor del turbocompresor es un paso importante para mejorar su diseño general en términos de rendimiento y eficiencia. Mientras que se realizó un estudio experimental utilizando Velocimetría de Imágenes de Partículas para examinar el campo de flujo en la entrada del compresor del turbocompresor, el presente trabajo complementa ese esfuerzo al analizar las estructuras de flujo que conducen a la inestabilidad de estancamiento dentro del mismo impulsor. Se llevaron a cabo predicciones de dinámica de fluidos computacional tridimensional validadas experimentalmente a tres tasas de flujo másico discretas, incluyendo 77 g/s (condición de flujo máxima y estable), 57 g/s (cerca de la eficiencia máxima) y 30 g/s (con un fuerte flujo inverso del impulsor) a una velocidad de rotación fija de 80,000 rpm. Se observaron grandes celdas de estancamiento estacionarias en lo profundo del impulsor a 30 g/s, ocupando una parte significativa del paso de la pala cerca de la cubierta entre la superficie de succión de las palas principales y la superficie de presión de las palas divisorias. Estas celdas de estancamiento se crean principalmente cuando una parte sustancial del flujo central de entrada no puede seguir la curva axial a radial del impulsor contra el gradiente de presión adverso y es arrastrada por el flujo inverso y el flujo de fuga en la punta, dando lugar a una región de fluido de bajo momento en su estela. Este fenómeno se observó en menor medida a 57 g/s y estuvo completamente ausente a 77 g/s. Por otro lado, se encontró que el estancamiento rotativo del inducido era más dominante a 57 g/s. El arrastre del flujo de fuga en la punta por el flujo central que se mueve hacia el impulsor, lo que lleva a la generación de una capa de cizallamiento inestable y ondulante en el plano del inducido, fue fundamental en la generación de estancamiento rotativo. Los análisis presentes proporcionan una caracterización detallada tanto de las celdas de estancamiento estacionarias como rotativas y demuestran la física detrás de su formación, así como su efecto en la eficiencia del compresor. El estudio también caracteriza la generación de entropía dentro del impulsor bajo diferentes condiciones de operación. Mientras que a 77 g/s, la generación de entropía se concentra principalmente cerca de la cubierta del impulsor con el flujo central siendo casi isentrópico, a 30 g/s, hay un aumento significativo en el área dentro del paso de la pala que muestra una producción de entropía elevada. Se encontró que el flujo de fuga en la punta, su interacción con las palas y el flujo central hacia adelante, y el flujo inverso dentro del impulsor son las principales fuentes de irreversibilidades.