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Dynamics >>21
Inverse
design of experimental turbine rig
Laskowski,
G., Medic, G., Durbin, P., Stanford University, USA
Transonic Turbine에서 난류 유동장을 확인하는 실험적 새 방법이 STAR-CD를 이용하여 개발되어왔습니다. 일반적으로 5~11개의 Blade로 이루어진 Linear Cascades는 Center Blade에 대해 주기적인 유동을 보입니다. 그러나 그러한 실험적 모델은 크고 비싼 압축기 설비가 필요하고 PIV(Particle Image Velocimetry) 및 LDA(Laser Dopler Anemometry)와 같은 광학적 실험 기법이 필요합니다.
STAR-CD를 이용하여 우리는 Inverse Design Procedure에 의해 새로운 Rig를 설계해왔습니다. 정확한 주기적인 움직임을 만들어내기 위해서, 두개의 고체 벽으로 구성된 통로에 위치한 Blade는 무한한 Cascade에서의 Blade와 동일한 유동 특성을 주도록 되어 있습니다. Line Search를 가진 Method of Steepest Descent를 사용하여 두 Passage Wall을 따라서 부착된 유동을 유지하는 동안 벽은 무한한 Cascade에서의 Blade의 SIMN과 일치하는 Blade 표면을 따라서 Blade Surface Isentropic Mach Number(SIMN) 분포로 형상화되었습니다. 두번째 목적은 무한한 Cascade에서의 Blade의 Wall Shear Stress를 가지는 이중 Passage에서의 Blade의 Wall Shear Stress를 일치시키는 것이었습니다. 따라서 Cost Function은 점성과 비점성 유동 속성의 복합적인 함수입니다.
Double Passage는 설계와 조정이 어려운 경향이 있는 Bleed와 Tailboard의 필요 없이 최소의 압축기만을 필요로 하는 실제 유동 조건을 제공하는 다른 Cascade 모델 이상의 장점을 가집니다. 벽은 난류 유동장의 PIV 및 LDA 측정을 위해 필요한 레이져의 전달을 허용하는 Plexiglas로 되어 있습니다.
Infinite Cascade(IC)는 Inverse Design에서 Target으로서 사용되기 위한 SIMN을 제공하기 위해 가장 먼저 시뮬레이션되었습니다. 압력측과 흡입측의 Stagnation Streamline은 벽의 형상을 위한 초기 예측치로 사용하기 위해 추출되었고 +/- 피치로 상쇄되었습니다.
Double Passage(DP)의 최적화 과정은 Inverse Design을 위한 보조 Routine과 같은 Macro와 다양한 STAR 파일, STAR-CD 실행파일과 함께 연결되어있는 Script에 의해 조정됩니다. 그림 1은 시작 형상과 최적화과정을 거친 최종 벽 형상을 나타냅니다. 그림 2는 그림 1에서 보여진 형상에 대한 SIMN 분포를 보여줍니다. 이는 Passage Wall을 따라가는 유동을 유지하는 동안 CFD-IC와 CFD-DP가 잘 일치하고 있다는 것을 보여줍니다. SIMN뿐만 아니라 Mach Number 유동장 또한 잘 일치하고 있다는 것을 그림 3에서 보여주고 있습니다. 제작된 Rig와 사전 실험 측정값은 CFD 결과 [1]에서와 같이 잘 일치하고 있습니다.
Fig.1 Wall shapes(not to scale)
Fig 2: SIMN distribution (0 Æ
+s: stagnation point to trailing edge
along blade suction surface; 0 Æ-s:
stagnation point to trailing edge
along blade pressure surface)
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