Performance analysis of radial compressors with the open-source computational fluid dynamics suite SU2

Turbomakineler ile ilgili akış analizi çalışmaları için çoğunlukla kullanılan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımları ANSYS, Numeca, vb. gibi ücretli yazılımlardan oluşmaktadır. Açık kaynak HAD yazılımları arasında, turbomakine akış analizlerinde kullanılan ve turbomakine analizlerine özel ayarları bulunan bir yazılım bulmak oldukça zordur. Ancak, açık kaynak HAD yazılımları arasında bulunan SU2 diğer örneklerine kıyasla bir istisna halindedir. SU2 içerisinde turbomakine akış analizlerinde kullanılan özel ayarları hali hazırda barındırmaktadır. Bu çalışmada, açık kaynak HAD yazılımı olan SU2'nin turbomakine tasarımı ve akış analizinde kabiliyetleri, özellikle radyal kompresör çerçevesinde irdelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, akış analizinde kullanılan denklemler tanıtılmış ve türetilmiştir. Akış analizlerinin bir parçası olan türbülans modellenmesi ve farklı türbülans modelleri kısaca açıklanmıştır. SU2 içerisinde bu denklemlerin fiziksel olarak nasıl modellendikleri ve numerik olarak nasıl uygulandıklarından bahsedilmiştir. Akış analizlerinde ve optimizasyon sürecinde kullanılan metodoloji açıklanmıştır. SU2'nin validasyonu için iki sıkıştırılabilir türbülanslı akış rejiminde çalışan vaka kullanılmıştır. Bunlar benzer uygulamalarda da sıkça kullanılan türbülanslı düz plaka ve transonik kanat profili RAE2822'dir. Türbülanslı düz plaka vakasının önemi, SU2'nin sınır tabakayı doğru bir şekilde çözüp çözemeyeceğinin gözlemlenebilmesidir. Transonik kanat profili RAE2822 vakasının öenmi de, SU2'nin kanat profili üzerinde oluşan şok konumunu doğru bir şekilde tahmin edip edemeyceğinin gözlemlenebilmesidir. Çalışmada yapılan turbomakine akış analizlerinde iki radyal kompresör geometrisi, difüzör bölümünde kanatçık bulunan ve bulunmayan, kullanılmıştır. Kullanılan iki geometri için de bir çok çalışma noktası simüle edilmiştir. SU2 ile elde edilen sonuçlar, MAN Energy Solutions Schweiz AG tarafından sağlanan, deneysel verilen ve Fidelity Flow yazılımından elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmanın sonucunda SU2'nin oldukça iyi doprulukta sonuçlar elde ettiği gösterilmiştir. Bunların da yanında, SU2 içierisinde bulunan iki farklı türbülans modelinin birbiriyle karşılaştırması yapılmıştır. SU2 hali hazırda içerisinde optimizasyon araçlarıyla beraber gelmektedir. Bu araçların turbomakine tasarımında ne kadar kullanılabildiği test edilmiştir. Bunun için, difüzöründe kanatçık bulunan radyal kompresör geometrisi seçilmiştir ve difüzördeki kanatçık optimize edilmeye çalışılmıştır. Difüzördeki kanatçık, vakanın daha basitleştirilmesi için 2D olarak modellenmiştir. Optimizasyon çalışması sadece bir çalışma noktası için gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma noktası daha önce elde edilmiş performans eğrisinden seçilmiştir. Sonunda, optimize edilmiş kanatçık ile başlangıç olarak alınan tasarım karşılaştırılmış ve elde edilen iyileştirme gösterilmiştir. Sonuç olarak, SU2'nin turbomakine akış analizi ve tasarımında ne gibi kabiliyetlere sahip olduğu bu çalışmada irdelenmiştir. Bu çalışmanın sonucu olarak, SU2'nin hem iyi hem de kötü yanları olmasına rağmen, sahip olduğu potansiyel sayesinde turbomakine akış analizlerinde kullanılmak için uygun bir alternatif açık kaynak HAD yazılımı olduğu söylenebilmektedir.