Modelování aeroelastických jevů se zaměřením na predikci flutteru turbínových lopatek

Ing. Jitka KLEČKOVÁ

Disertační práce

Numerical simulation of aeroelasticity phenomena with a view to a prediction of turbine blade flutter

Anotace:

Disertační práce se zabývá oblastí aeroelastických jevů, které vznikají díky vzájemné interakci tekutiny a struktury, se zaměřením na metody matematického modelování jevů vyskytujících se v parních turbínách. Jedním z nejznámějších jevů je flutter lopatek parních turbín. Prvním cílem této práce a prvním krokem k modelování úloh aeroelasticity bylo numerické řešení proudění stlačitelné nevazké tekutiny na oblastech s pohyblivou hranicí, které je popsáno nelineárním systémem Eulerových rovnic v ALE formulaci. Prostorová diskretizace tohoto systému je v této práci provedena metodou konečných objemů a nevazké numerické toky jsou aproximovány pomocí Rusanovova toku a Van Leerova schématu s lineární rekonstrukcí řešení s Barthovým limiterem. Na základě této metodiky byl v prostředí Matlab vytvořen výpočetní software pro řešení proudění stlačitelné nevazké tekutiny na nepohyblivých oblastech a na oblastech s pohyblivou hranicí. Numerické výsledky získané pomocí tohoto softwaru jsou v práci porovnány s numerickými výsledky dalších autorů a s experimentálně naměřenými daty. Ve druhé části této disertační práce je popsána a aplikována tzv. energetická metoda pro posouzení možnosti vzniku nestability typu flutter u dlouhé zkroucené oběžné lopatky předposledního stupně parní turbíny pomocí nástrojů obsažených v systému ANSYS. Jako první je uvedena metoda rychlé predikce flutteru turbínových lopatek navržená autory Kielb a Panovsky, založená na 2D analýze proudění tekutiny. Modální analýza lopatky byla provedena ve výpočtovém systému ANSYS Mechanical a pro modelování obtékání 2D profilu lopatky byl použit výpočetní systém ANSYS Fluent. Metodika založená na modelování proudění tekutiny okolo 2D profilů by mohla selhávat při posuzování stability dlouhých zkroucených lopatek, proto byla dále provedena analýza 3D lopatky, kdy byl použit výpočtový systém ANSYS CFX, vhodný pro modelování proudění v lopatkových řadách parních turbín. Matematické modelování prostorově i časově periodického proudového pole bylo zajištěno pomocí metody Fourierovy transformace a metody harmonické analýzy.

Abstract:

Thesis is devoted to a field of aeroelasticity phenomena, which appears due to interaction of fluid and structure. This work is especially aimed at methods of mathematical modelling of aeroelasticity phenomena in steam turbines, where one of the best known is a flutter of turbine blades. The first objective of this thesis and the first step for modelling of aeroelasticity problems was a numerical solution of compressible inviscid fluid flow in deforming domains that is described by non-linear system of Euler equations in ALE formulation. Spatial discretization of this system is accomplished by finite volume method and inviscid numerical fluxes were approximated by Rusanov flux and Van Leer scheme with linear reconstruction with Barth limiter. Based on this methodology the computational software for solving of compressible inviscid fluid flow in non-deforming and deforming domains was created. Numerical results of this software are compared with numerical results of other authors and with experimentally measured data. The second part of this thesis is devoted to a description of Energy method used for assessment of possibility of occurrence of blade flutter in case of a long and curved rotor blade of a penultimate turbine stage by means of system ANSYS. At first is introduced a method of quick prediction of turbine blade flutter designed by authors Kielb and Panovsky, based on 2D CFD analysis. Modal analysis of the turbine blade was accomplished by a software ANSYS Mechanical and a two-dimensional fluid flow around a blade profile was provided by computational system ANSYS Fluent. This method based on two-dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations could be unreliable by assessing a stability of long curved turbine blades, so a three-dimensional CFD analysis was accomplished next by using computational system ANSYS CFX which is convenient for modeling of fluid flow through the turbine blade rows. The numerical simulation of spatially and time-periodic turbulent fluid flow was carried out by Fourier transformation and Harmonic balance method.

Klíčová slova

aeroelasticita, ALE popis kontinua, flutter lopatek parních turbín, ANSYS Fluent, ANSYS CFX, metoda Fourierovy transformace, metoda harmonické analýzy

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 2. 4. 2019

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Doc. Ing. Jan Vimmr, Ph.D.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta aplikovaných věd

Doktorský studijní program / obor:
Aplikované vědy a informatika / Aplikovaná mechanika