مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بهینه‌سازی سه‌بُعدی آیروترمودینامیکی پره استاتور توربین گاز جریان-محوری در یک بستر محاسباتی متن‌باز

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
توربین‌های گازی از اصلی‌ترین تجهیزات تولید توان در صنایع گوناگون هستند. به جهت بهبود عملکرد این تجهیز، یکی از راه‌ها بهینه‌سازی عملکرد آیرودینامیکی پره‌های ثابت و متحرک است. در مقاله حاضر یک بستر محاسباتی جهت بهینه‌سازی خودکار آیروترمودینامیکی سه‌بُعدی پره استاتور توربین گاز با استفاده از نرم‌افزارهای متن‌باز ارائه می‌شود. این بستر برای بهینه‌سازی آیروترمودینامیکی هرنوع پره سه‌بعدی قابل استفاده است و شامل مدل‌سازی پارامتری هندسه سه‌بعدی، تولید شبکه محاسباتی، حل جریان با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و اعمال الگوریتم بهینه‌سازی است. برای مدل سازی سه‌بعدی پره، از مدل‌سازی دوبعدی با استفاده از منحنی بِزیر و تشکیل مدل سه‌بعدی با خط انباشتگی از نوع اسپلاین استفاده شده است. شبیه‌سازی جریان سیال با حل جریان تراکم‌پذیر و لزج حول پره بر شبکه چند‌بلوکی باسازمان با پردازش موازی انجام شده است و الگوریتم ژنتیک برای بهینه‌سازی به کار رفته است. بهینه‌سازی با چهل و پنج متغیر که تغییر ضخامت در پنج مقطع در ارتفاع پره و تغییر در پارامترهای سه‌بعدی پره یعنی خمیدگی، کشیدگی و پیچش را ممکن می‌سازند، انجام شده است. در نتیجه بهینه‌سازی پره با تابع هدف فشار کل خروجی، 5% کاهش ضریب افت فشارکل حاصل شده است. استفاده از نرم‌افزارهای متن‌باز در بستر بهینه‌سازی، حداکثر امکان خصوصی‌سازی و انجام تنظیمات را برای کاربر فراهم می‌آورد. نتایج نشان می‌دهد بستر محاسباتی ارائه شده می‌تواند به خوبی برای بهینه‌سازی آیروترمودینامیکی توربوماشین‌ها به کار گرفته شود.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Three-Dimensional Aerothermodynamic Optimization of the Stator Blade of an Axial-Flow Gas Turbine in an Open-Source Platform

نویسندگان English

Alireza Yazdani
Arman Mohseni
Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University (SBU)
چکیده English

Gas turbines are among the most important power generation equipment in industries. One of the methods to enhance the performance of this equipment is the aerodynamic performance optimization of its stator and rotor blades. This paper presents an automatic aerothermodynamic optimization platform for the optimization of 3D stator blade geometry in axial-flow gas turbines using open-source software. This platform can be used for 3D aerothermodynamics optimization of 3D blades and includes parametric 3D modeling, mesh generation, CFD simulation, and implementation of optimization algorithm. 3D models are formed from 2D sections defined by Bézier curves and connected by spline stacking curve. Simulation of flow field includes the solution of compressible viscous flow on structured multi-block grid using parallel processing. Genetic algorithm is used as optimization algorithm. 45 optimization variables govern blade thickness variation in five sections and blade lean, sweep, and twist. Total pressure is selected as objective function and the result of optimization shows 5% decrease of total pressure loss coefficient in the blade. The use of open-source software in the optimization platform provides maximum customization capability to the user. The application of this platform for stator blade optimization shows that the platform can be used for aerothermodynamic optimization of turbomachines effectively.

کلیدواژه‌ها English

Aerothermodynamic Optimization
Computational Fluid Dynamics
Geometry Modeling
Gas Turbine
Open-Source Software