The effect of turbulence models on the performance prediction of a centrifugal compressor

Abstract

Computational fluid dynamics (CFD) simulations have become an indispensable tool in the design process of centrifugal compressors, enabling the prediction of global performance parameters such as pressure ratio and efficiency with reasonable accuracy. However, the accurate prediction of detailed compressor flow fields remains a significant challenge, often associated with the selection of an appropriate turbulence model. In the iterative design optimization process, there is a pressing need for robust, numerically stable turbulence models that can provide accurate results within a short time. This study aims to assess the accuracy of various turbulence simulation models in predicting the flow fields of a centrifugal compressor. An exemplar open test case, the "Radiver" centrifugal compressor, was used to compare the performance of three eddy- viscosity models (Spalart-Allmaras (S-A), k-ɛ, and k-o) and two Reynolds stress models (Shear Stress Transport (SST) and a modified SST with curvature correction (SST-CC)) of a steady state of a compressible ideal gas (Air) using the CFD code ANSYS CFX.

Résumè: Les simulations numériques de la dynamique des fluides (CFD) sont devenues un outil indispensable dans le processus de conception des compresseurs centrifuges, permettant de prédire avec une précision raisonnable les paramètres de performance globaux tels que le rapport de pression et l'efficacité. Cependant, la prédiction précise des champs d'écoulement détaillés des compresseurs reste un défi important, souvent associé à la sélection d'un modèle de turbulence approprié. Dans le processus itératif d'optimisation de la conception, il existe un besoin pressant de modèles de turbulence robustes et numériquement stables, capables de fournir des résultats précis en peu de temps. Cette étude vise à évaluer la précision de divers modèles de simulation de turbulence pour prédire les champs d'écoulement d'un compresseur centrifuge. Un cas d'essai ouvert exemplaire, le compresseur centrifuge "Radiver", a été utilisé pour comparer les performances de trois modèles de turbulence-viscosité (Spalart-Allmaras (S-A), k-ɛ et k-o) et de deux modèles de contrainte de Reynolds (Shear Stress Transport (SST) et un SST modifié avec correction de courbure (SST-CC)) d'un état stable d'un gaz idéal compressible (Air) à l'aide du code de CFD ANSYS CFX. (CFD) أصبحت عمليات محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية أداة لا غنى عنها في عملية تصميم ضواغط الطرد المركزي، مما يتيح التنبؤ بمعلمات الأداء العالمي مثل نسبة الضغط والكفاءة بدق ومع ذلك، لا يزال التنبؤ الدقيق لحقول التدفق التفصيلية للضاغط يمثل تحديا كبيرا، وغالبا ما يرتبط باختيار نموذج الاضطراب المناسب. في عملية تحسين التصميم التكراري هناك حاجة ملحة لنماذج اضطراب قوية ومستقرة عدديًا يمكنها تقديم نتائج دقيقة في غضون وقت قصيرة معقولة تهدف هذه الدراسة إلى تقييم دقة العديد من نماذج الاضطراب في التنبؤ بحقول التدفق لضاغط طارد مركزي لمقارنة أداء ثلاثة نماذج للزوجية الدوامية. Radiverتم استخدام حالة اختبار نموذجية مفتوحة، وهي الضاغط الطارد. ونموذجين لإجهاد رينولدز نقل الإجهاد القصي (Spalart-Allmaras (S-A), k-ɛ et k-o) لحالة مستقرة لغاز مثالي قابل للانضغاط (الهواء) باستخدام كود (SST-CC) مع تصحيح الانحناء SST ونموذج معدل (SST) ANSYS CFX : CFD