Assessment of RANS turbulence models on simplified geometries representative of turbine blade tip shroud flow
Validation de modèles de turbulence RANS sur des configurations simplifiées et représentatives d'un talon d'aube de turbine
Résumé
RANS turbulence models are assessed here in simulations of simplified configurations representative of geometries and flows found in tip shrouds of low-pressure turbines rotor blades. The complex flow inside a tip shroud is highly turbulent, its boundary layer separates at the sharp angled tangential fins and reattaches in the inter-fin cavity after a recirculation. The flow in the tip seal of the rotor blade, and the jet mixing flow at the exit of the shroud cause pressure losses and influence substantially the aerodynamic performance of the turbine. Such flows are quite challenging for the RANS models. The main aim of this paper is to assess the capability of the used turbulence models to predict tip shroud representative physics of detached, reattached and jet mixing flows. The simplified geometries consist of a backward facing step, a rib roughened channel and a jet in crossflow. The Reynolds numbers of these configurations are close to those estimated in real tip shrouds. Experimental data are available in each case to evaluate the accuracy of the simulations and understand the behavior of the models. The evaluated turbulence models include several widely used eddy-viscosity models based on Boussinesq's hypothesis and a differential Reynolds stress model. Comparisons with measured components of the Reynolds stress tensor, turbulent kinetic energy and velocity profiles are presented. The velocity profiles are in good agreement with the measurements except in the recirculation regions, and eddy-viscosity models overpredict the level of experimental turbulent kinetic energy. Analysis of the strengths and weaknesses * PhD candidate † Research engineer ‡ Engineer
Les modèles de turbulence RANS sont évaluées dans ce travail par des simulations de configurations simplifiées et représentatives d'un talon d'une aube de turbine basse pression. L'écoulement autour d'un talon d'aube de turbine est fortement turbulent, la couche limite décolle sur les arêtes géométriques composant les léchettes du talon et recolle à l'intérieur de la cavité du talon. L'écoulement à l'intérieur du talon et le mélange de cet écoulement avec l'écoulement principal autour de l'aube à la sortie du talon génère des pertes aérodynamiques et pénalise significativement la performance aérodynamique de la turbine. Reproduire ces écoulements avec une modélisation RANS reste difficile. L'objectif de cet article est d'évaluer la capacité d'un certain nombre de modèles de turbulence à reproduire ces écoulements représentatifs autour d'un talon de turbine, à savoir des écoulements avec décollement, recollement et une physique de mélange similaire à un écoulement de jet. Les configurations simplifiées sont composées d'une marche descendante, d'un canal composé d'obstacles (de forme carrée) et une plaque avec un écoulement de jet transverse. Les nombres de Reynolds de ces écoulements sont similaires à ceux rencontrés dans un talon de rotor de turbine. Une base de données expérimentales est disponible pour chacune des configurations. Elle permet d'évaluer la précision des modèles de turbulence évaluées et de comprendre leur comportement. Parmi les modèles de turbulence évalués, plusieurs modèles couramment utilisées dans la littérature et reposant sur l'hypothèse de Boussinesq ont été utilisées et un modèle basé sur la résolution des équations de transport de chaque composante du tenseur de Reynolds. Des comparaisons entre les résultats des simulations et les mesures des composantes du tenseur de Reynolds, de l'énergie cinétique turbulente et de la vitesse sont présentées dans cet article. Les profils de vitesse simulés montrent un bon accord avec les mesures, excepté dans les zones de recirculation. Aussi, les modèles basé sur l'hypothèse de Boussinesq tendent à sur-estimer les niveaux d'énergie cinétique turbulence dans ces régions. Une analyse des forces et des faiblesses des modèles de turbulence est présentée au regard des simulations réalisées.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
---|