I turbomaskineri kan selv små ineffektiviteter medføre betydelige energitab. En af de mest kritiske — og ofte undervurderede — kilder til aerodynamisk tab er secondary flow, et komplekst tredimensionelt fænomen, der kan udgøre op til 50% af de samlede tab i aksiale turbiner.
Secondary flows opstår, når trykforskel på tværs af turbinebladenes sider driver væsken fra tryksiden til sugesiden og skaber vortices, der forstyrrer hovedflowet. Disse vortikale strukturer — herunder Horseshoe Vortices (HSV), Passage Vortices (PV) og Tip‑Leakage Vortices (TLV) — forvrænger hastighedsfeltet, reducerer effektiviteten og øger mekanisk belastning på turbinekomponenter.
At forstå, forudsige og reducere disse effekter er afgørende for at opnå højere effektivitet, pålidelighed og holdbarhed i moderne turbiner.
E-bogen viser, hvordan Cadence Fidelity CFD og Fidelity Turbo gør det muligt for ingeniører at simulere og minimere flowtab præcist i komplekse turbomaskineri-systemer.
Ved at bruge en 1,5‑stage Aachen aksial turbine som referencecase demonstreres, hvordan Fidelity Turbo’s end-to-end workflow — fra geometridefinition og automatisk meshing til avanceret post‑processing — giver dyb indsigt i flowfeltet. Softwaren understøtter multistage aksiale, radiale og mixed-flow turbiner samt kompressorer, pumper og propeller, hvilket gør den til en alsidig løsning til enhver turbomaskineri-applikation.
Med automatiseret meshing via Fidelity Automesh kan ingeniører generere højkvalitets strukturerede eller ustrukturerede grids på få sekunder, hvilket sikrer præcis opløsning af flowfunktioner såsom boundary layers, wakes og vortices. Dette muliggør hurtig iteration og designundersøgelse uden at gå på kompromis med præcisionen.
E-bogen beskriver, hvordan flowstrukturer udvikler sig over turbineens stator- og rotorstages. Trykforskel mellem bladets sider driver væsken på tværs, mens boundary layer-effekter nær endwalls introducerer lav-momentum zoner, der fremmer vortex-dannelse.
Vigtige flowfunktioner inkluderer:
Horseshoe Vortices (HSV): Dannes nær leading edge, hvor boundary layer separerer og omslutter bladet.
Passage Vortices (PV): Induceret af sugesidens ben af HSV, og vokser i intensitet langs bladets span.
Tip‑Leakage Vortices (TLV): Genereres af flow-lækage gennem bladtip-gabet, ofte med sammensmeltning med PVs, hvilket forstærker tab.
Ved at visualisere disse strukturer gennem velocity contour plots og iso-velocity lines kan ingeniører identificere områder med stejle hastighedsgradienter og flow separation — de primære kilder til aerodynamisk ineffektivitet.
Med Fidelity Turbo kan designteams udforske strategier til at undertrykke secondary flow og genvinde tabt energi. Teknikker som endwall contouring, bladeprofil-optimering og tip-clearance-reduktion kan modelleres og valideres virtuelt før fysisk test.
Simuleringsresultater fra Aachen-turbinen viser, at justering af bladtip-geometri og endwall-design hjælper med at omdirigere flow, reducere vortex-styrke og opnå en mere ensartet hastighedsfordeling gennem turbinepassagen.
Denne simulationsdrevne tilgang omdanner secondary flow fra en tabsmekanisme til en mulighed for aerodynamisk forbedring — tab bliver til gevinster.
Fidelity Turbo understøtter forskellige turbulensmodeller — fra Reynolds‑Averaged Navier‑Stokes (RANS) til Large Eddy Simulation (LES) — hvilket giver ingeniører mulighed for at balancere beregningsomkostning og nøjagtighed.
I Aachen-turbinen blev Spalart‑Allmaras-modellen brugt til effektivt at fange nøgleflowfunktioner, mens Fidelity’s LES-solver tilbyder endnu højere præcision for uregelmæssig vortex-dynamik. Disse modeller sikrer, at flowinteraktioner gengives korrekt, hvilket gør ingeniørers designbeslutninger mere pålidelige.
Hvordan flows dannes og udvikler sig i aksiale turbine-stages
Hvordan man bruger Fidelity Turbo til at visualisere og kvantificere vortex-strukturer
Best practices for mesh generation, boundary condition setup og turbulence modeling
Hvordan designmodifikationer — såsom endwall shaping og tip-clearance-optimering — kan reducere flow-effekter
Hvordan simulationsdrevet design forbedrer effektivitet, pålidelighed og ydeevne i turbomaskineri
Aerospace- og mekaniske ingeniører, der udvikler høj-effektive turbiner og kompressorer
CFD-specialister, der ønsker dybere indsigt i secondary flow-modellering
Designoptimeringsteams, der fokuserer på at reducere aerodynamiske tab
Engineering managers, der evaluerer simuleringsværktøjer til performance-drevet design
