50
Technische Universität München Lehrstuhl für Fluidmechanik – Fachgebiet Gasdynamik Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. H. Schnerr FLM Simulation of Condensing Compressible Flows Maximilian Wendenburg

Simulation of Condensing Compressible Flows · 2009. 7. 9. · Compressible Flows Maximilian Wendenburg. ... –Transonic Flows and Experiments –Condensation Fundamentals –Practical

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    Simulation of Condensing Compressible FlowsMaximilian Wendenburg

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    2

    Outline• Physical Aspects

    – Transonic Flows and Experiments– Condensation Fundamentals– Practical Effects

    • Modeling and Simulation– Equations, Solver, Boundary Conditions

    • Results– Validation– Effects in Laval Nozzles, Turbines and Compressors

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    3

    Schlieren Photography: Visualizingx∂

    ∂ρ

    lamp

    mirror

    mirror

    camera

    wind tunnel

    subsonic

    y

    xsupersonic

    sensitive!

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    4

    Supersonic Wind Tunnel

    A*

    vacuumtank10 mbar34 m³

    atmospherewindow with Laval nozzle

    valve

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    5

    T/T0ρ/ρ0

    p/p0

    Variation of Static Properties in Isentropic Flows

    au

    Mr

    =

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    6high cooling rate

    Condensation of Dissolved Water Vapor in Air

    sK

    dtdT 610−≈

    low cooling rate

    sK

    dtdT 510−≈

    sK

    dtdT 310−−≈

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    7

    Partial Pressure of Vapor pv in Isentropic Expansion

    240 260 2800

    500

    1000

    1500

    2000 Φ0 = 65 %T0 = 295 Kp0 = 105 Pa

    ps,∞(T)

    i s e n t r o p ic e x p a n s

    i o n

    T [K]

    pv [Pa]

    (())0 295

    %100)(,0⋅=Φ

    ∞ Tpp

    s

    v

    )(,

    TppS

    s

    v

    =

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    8

    Types of Non-Equilibrium CondensationHomogeneous• Nucleation

    cluster → nucleus → droplet• Droplet growth• Dominates at high

    cooling rates

    Heterogeneous• Particles serve as

    seeds for droplets• Dominates at low

    cooling rates

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    9

    • Aircraft– Influence on

    lift and drag– Loss of thrust

    • Steam Turbines– Erosion– Oscillation

    Practical Effects

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    10

    Physical Aspects• Isentropic expansion: T↓, ρ↓, p↓• Transonic flows

    →High cooling rates ( )→Supersaturation → non-equilibrium→Homogeneous/heterogeneous condensation→Influence of condensation on flow

    sK

    dtdT 610−≈

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    11

    Euler Equations

    0)()(0)()(

    0)(

    =+⋅∇+∂

    =+⊗⋅∇+∂

    =⋅∇+∂∂

    upuEtE

    Ipuutu

    ut

    rr

    r

    rr

    r

    r

    ρρ

    ρρ

    ρρ

    RTaTpp

    eTTuEe

    κ

    ρ

    =

    =

    =

    −=

    ),()(

    221 r

    DtDu

    tφρφρρφ =⋅∇+

    ∂∂ )()(

    Thermodynamics, EOS:

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    12

    Equations for Homogeneous Condensation

    +=⋅∇+∂

    =⋅∇+∂∂

    444 3444 2143421

    r

    r

    growthdroplet

    homhom

    2hom

    nucleationhom

    3*3

    4hom

    hom

    homhomhom

    4)()(

    )()(

    dtrdnrJrugt

    g

    Juntn

    ll ρπρρρρ

    ρρ

    π

    TRpp

    dtrd

    ngr

    TRmTr

    mTJ

    v

    rsv

    ll

    vvl

    v

    v

    ⋅⋅−⋅=⋅⋅=

    ⋅⋅⋅⋅−⋅⋅⋅= ∞∞

    πρα

    ρπ

    σπρρσ

    π

    243

    )(34exp)(2

    ,hom3hom

    hom

    2*hom

    2

    3hom4434421

    masses totallva

    l

    mmmmg

    ++=

    Hertz-Knudsen Law

    n kg-1 number density of dropletsg - condensate mass fractionJ m-3 s-1 nucleation rate

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    13

    Multiphase-Multicomponent Thermodynamics

    ρκ

    κκρ

    paTgg

    ggTppggeTT

    uEe

    =

    =

    =

    =

    −=

    ),,(),,,(

    ),,(

    max

    max

    max

    221 r • Air as carrier gas with

    vapor:both ideal gases

    • Pure water vapor:real gas behavior

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    14

    Solver• CATUM

    – Condensation Technische Universität München– density-based FVM solver

    • Cell-averaged values• Considering fluxes over cell boundaries: conservative

    – 1-D, 2-D, 3-D– on structured multiblock grids– approach: solve local Riemann problems

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    15

    Finite Volume Method

    L RFLUX

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    16

    Reconstruction at Cell Faces• Average values stored in

    cell center• Reconstruct the required

    value at the cell face• 4 adjacent cells for 2nd

    order accuracy• Limiter functions: high

    order smoothness where continuous, low order sharpness at shocks

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    17

    1-D Riemann Problem

    L R

    =

    EuQ

    ρρρ

    ( )

    +

    =

    upp

    EuuQF

    01ρ( ) 0=+ xt QFQ

    shockcontact waveexpansion wave

    pL > pR

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    18

    Boundary Conditions: “Ghost Cells”• General: 2 “ghost cells”

    for 2nd order accuracy• Inlet

    – Pressure extrapolated from outermost cell, other values calculated from stagnation conditions (p0, T0, …) by isentropic relationships, e.g. with

    • Wall– Velocity normal to wall is zero

    • Outlet– Subsonic: set outlet pressure, extrapolate other values

    – Supersonic: extrapolate all

    1

    212

    1

    222

    1

    2

    1

    11 −

    ++=

    −κκ

    κ

    κ

    MM

    pp

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    19

    Modeling and Simulation• Euler equations• Additional Eqns. for Condensation

    – Influence on EOS• Reconstruction• Riemann problem• BCs via ghost cells

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    20

    Validation of the Implementation

    A1*

    M1

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    21

    Subcritical Heat Addition in Nozzle S2

    x [m]

    log10J ho

    m

    p/p01

    g/gmax

    -0.05 0 0.055

    10

    15

    20

    25

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1log10 Jhom g/gmaxp/p01

    diabactic

    adiabatic

    x [m]-0.05 0 0.05

    diabatic

    M1

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    22

    Supercritical Heat Addition in Nozzle S2

    x [m]

    log10J ho

    m

    p/p01

    g/gmax

    -0.05 0 0.055

    10

    15

    20

    25

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1log10 Jhom g/gmaxp/p01

    diabactic

    adiabatic

    x [m]-0.05 0 0.05

    Nozzle S2T0 = 295 Kp0 = 105 PaΦ0 = 65 %

    diabatic

    M1 M>1

    M

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    23

    Condensing Flows in Nozzle S2

    240 260 2800

    500

    1000

    1500

    2000Φ0 = 65 %

    Φ0 = 50 %

    Nozzle S2T0 = 295 Kp0 = 105 Pa

    ps,∞(T)(())

    T [K]

    pv [Pa]

    M=1

    Φ0

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    24

    Unsteady Effects at High Relative Humidity

    t

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    25

    Validation of the Implementation

    • T0 = 291.7 K• p0 = 1.006 x 105 Pa• Φ0 = 91.1 %• Mode 1

    • f = 948 Hz• ½ grid: 241x21 cells

    Result

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    26

    Symmetric Oscillation in Nozzle S2• T0 = 291.7 K• p0 = 1.006 x 105 Pa• Φ0 = 91.1 %• Mode 1• f = 948 Hz• ½ grid: 241x21 cells

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    28

    Hysteresis in Nozzle A1

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    29

    Flow in Nozzle A1

    • T0 = 305 K• p0 = 105 Pa• Φ0 = 77 %

    • f = 1082 Hz• full grid: 220 x 41

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    30

    Asymmetric Oscillation in Nozzle S2

    • T0 = 305 K• p0 = 105 Pa• Φ0 = 95 %

    • f = 3073 Hz• full grid: 241x41 cells

    enforced disturbance

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    31

    Turbine Stage VKIwith viscous effects

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    33

    Rotor Stator InteractionHomogeneous Heterogeneously dominated

    p01 = 0.417 bar T01 = 357.5 K β1,1 = 120°Rerotor = 1.13 · 106M2,2,is = 1.13 |u| = 175 m/s nhet,0 = 1016m-3rhet = 10-8 m frs = 2.46 kHz fvs,stator = 10.8 kHz fvs,rotor = 18.5 kHz

    g

    r

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    34

    NORD-1500 Griffon II (1957)Mmax=2.2, Hmax=16400m, 34.32 kN

    Alpha Jet (1973)Mmax=0.85, Hmax=14630m, 14.12 kN

    Supersonic Axial Compressor

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    35

    First Stage of a Supersonic Axial Compressor

    Developed view ofa cylindrical cut

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    36

    Section of Axial Compressor Stage

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    37

    Cascade Element

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    38

    Experimental Setup

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    39

    Cascade Element of an Axial Transonic Compressor

    π=p2/p1=1.764

    diabatic flow

    M1=1.3

    T01=291 K p01=1.008 barφ0=80 %x=10 g/kg

    reduction of ca. 18%

    adiabatic flow

    π=p2/p1=1.440

    816.0ππadiabatic

    diabatic =

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    40

    Cascade Element of an Axial Transonic Compressor

    π=p2/p1=1.630

    diabatic flow

    M1=1.3

    T01=292 K p01=1.006 barφ0=69.8 %x=9.6 g/kg

    reduction of ca. 17%

    adiabatic flow

    π=p2/p1=1.358

    833.0ππadiabatic

    diabatic =

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    41

    Cascade Element of an Axial Transonic Compressor

    π=p2/p1=1.055

    diabatic flow

    M1=1.3

    T01=294 K p01=1.005 barφ0=80.3 %x=9.6 g/kg

    reduction of ca. 15%

    adiabatic flow

    π=p2/p1=0.890

    844.0ππadiabatic

    diabatic =

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    42

    Condensation Effects in Transonic Compressors

    • Reduction of– inlet Mach number– stage compression ratio

    • Loss of– thrust– efficiency

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    43

    Results• Steady flows

    – Subcritical– Supercritical

    • Unsteady flows– Symmetric/asymmetric oscillations– Different modes

    • Effects in Turbomachinery

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    Cпасибо

    Thank you for your attention!

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    Discussion

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    46

    Critical Radius )ln()( )(2*hom STRT Tr vl ⋅⋅⋅⋅

    = ∞

    ρσ

    r [m]

    ∆G/k

    B/T

    0 5E-10 1E-09 1.5E-09-100

    -50

    0

    50

    100

    150

    200

    T0 = 295 Kp0 = 105 PaΦ0 = 65 %

    r* ≈ 5.5·10-9 m

    M = 1.0

    surfacecreation

    expansionwork

    5·10-10 10-9 1.5·10-9

    240 260 2800

    500

    1000

    1500

    2000

    Φ0 = 90 %

    Φ0 = 65 %

    Φ0 = 50 %

    Φ0 = 35 %

    Nozzle S2T0 = 295 Kp0 = 105 Pa

    ps,∞(T)

    i s e n t ro p i c e

    x p a n si o n

    (()) T [K]

    pv [Pa]

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    47

    Critical Radius

    r [m]

    ∆G[J]

    0 5E-10 1E-09 1.5E-09-1E-19

    0

    1E-19

    2E-19

    3E-19

    T0 = 295 Kp0 = 105 PaΦ0 = 65 %

    M = 1.2

    M = 0.8

    M = 1.0

    r* ≈ 5.5·10-9 m

    r* ≈ 9·10-9 m

    r* ≈ 4·10-9 m

    5·10-10 10-9 1.5·10-9-1·10-19

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    48

    Transition in Nozzle A1

    t [ms]

    log10(|∆

    p|+ε)

    0 10 20 30 40-6-5-4-3-2-10

    Nozzle A1T0 = 305 Kp0 = 105 PaΦ0 = 77 %

    01

    )()()( ptptptp uo −=∆

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    49

    Transition in Nozzle S2

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    50

    Appendix 1

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    51

    Validation with Subcritical Flow in Nozzle S2

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    52

    Heat Addition by Condensation• latent heat L [kJ/kg] of

    gases in air:– H2O: 2260

    • specific heat capacity cp [kJ/kg/K]:– air: 1.004

    • Increase of static