Utafiti huu umechunguza, kwa kutumia kompresor ya aksiali ya transonic NASA Rotor 37, jinsi uhamishaji joto kati ya mtiririko ndani ya kompresor na sehemu imara kama ganda, blade na diski unavyoathiri utendaji wa kompresor unaopimwa na unaokokotolewa. Utafiti ulilinganisha usanidi nne za kihesabu: ukuta adiabatic, ganda la isothermal lenye joto la 288,15 K, uhamishaji joto uliounganishwa unaojumuisha ganda pekee, na uhamishaji joto uliounganishwa unaojumuisha maeneo imara ya ganda-blade-diski. Masharti ya mipaka ya joto yalibadilisha uwiano wa jumla wa shinikizo kwa kiwango kidogo tu, lakini yalibadilisha kwa kiasi kikubwa usambazaji wa jumla wa joto, hasa karibu na kitovu na ganda la nje, pamoja na mikunjo ya ufanisi iliyokokotolewa kwa mbinu ya kawaida. Hata hivyo, utafiti unaonyesha kwamba mabadiliko yote ya ufanisi yanayokokotolewa kutokana na tofauti ya joto hayawezi kutafsiriwa kama mabadiliko ya upotevu wa aerodynamics.

Matokeo muhimu zaidi ya thermodynamics ni kwamba, joto linalohamishwa kutoka kwenye mtiririko kwenda kwenye maeneo imara linapojumuishwa katika hesabu ya ufanisi sawa wa adiabatic, mikunjo ya ufanisi ya usanidi zote nne hukaribiana kwa kiasi kikubwa. Matokeo haya yanaashiria kwamba sehemu muhimu ya tofauti kati ya mikunjo ya ufanisi wa kawaida haitokani na mabadiliko halisi ya kutorejea nyuma kwa mtiririko, bali na kutohesabiwa kwa mtiririko wa joto katika mizania ya nishati. Usanidi wa uhamishaji joto uliounganishwa wa ganda-blade-diski, uliotathminiwa kuwa chaguo lililo karibu zaidi na hali halisi ya kimwili, ulizalisha uboreshaji wa takriban %0,3 pekee katika hesabu ya kawaida ya ufanisi; utafiti haukufafanua zaidi kama thamani hii ni nukta ya asilimia ya moja kwa moja au mabadiliko ya jamaa.

Matokeo ya uga wa mtiririko pia yanaonyesha kwamba uhamishaji joto si jambo lisilo na athari kabisa. Katika suluhisho lililounganishwa la ganda-blade-diski, kazi ya blade na uwiano wa jumla wa shinikizo karibu na kitovu viliongezeka kwa kiwango kidogo lakini kwa uthabiti, na mwanzo wa kutengana kwa kona ya ukingo wa nyuma kwenye uso wa kufyonza wa blade ulichelewa. Kwa upande mwingine, ingawa sharti la ganda la isothermal lilionekana kuwa karibu zaidi na mkunjo wa majaribio wa ufanisi, liliunda upoozaji mkubwa zaidi kuliko suluhisho halisi la uhamishaji joto uliounganishwa na kubadilisha wasifu wa joto wa ukuta wa ncha kwa kiwango kisicholingana na mchakato wa kimwili. Kwa hiyo, ukaribu pekee na mkunjo wa majaribio wa ufanisi wa jumla hauthibitishi usahihi wa kimwili wa sharti la mpaka wa ukuta lililochaguliwa.

Matokeo yanategemea tu uchanganuzi wa kihesabu wa jiometri ya NASA Rotor 37 iliyotengwa kama hatua moja, hasa katika %80 ya kasi ya usanifu. Utafiti huu ni preprint; hauwasilishi jaribio la uhamishaji joto uliounganishwa lililothibitishwa kwa vipimo vya moja kwa moja vya joto la sehemu imara au mtiririko wa joto, uchanganuzi wa kompresor yenye hatua nyingi, wala uthibitishaji wa uwanjani katika hali halisi za injini. Kwa hiyo, matokeo yanapaswa kutathminiwa ndani ya mipaka ya dhana maalum za modeli na masharti ya mipaka.

Umuhimu unaowezekana kwa muktadha wa Uturuki

Utafiti hauna seti ya data ya moja kwa moja au matokeo ya utekelezaji yanayohusu Uturuki. Hata hivyo, hitimisho la kimetodolojia ni muhimu kwa utafiti wa turbine za gesi, injini za ndege na kompresor za kasi kubwa unaoweza kufanywa Uturuki: modeli ya computational fluid dynamics kukaribia mkunjo wa majaribio wa ufanisi haimaanishi lazima kwamba sharti la mpaka wa joto lililotumiwa ni sahihi kimwili. Ili matokeo yaweze kuhamishwa kwenye kazi za usanifu nchini Uturuki, modeli zilizounganishwa zinapaswa kuthibitishwa kwa majaribio yanayopima joto la ganda, blade na diski; kasi, hatua na nukta tofauti za uendeshaji zinapaswa kuchunguzwa; na athari ya wasifu wa joto wa radial kutoka kwenye hatua ya kwanza kwa ulinganifu wa hatua zinazofuata inapaswa kutathminiwa. Utafiti hauthibitishi utendaji, kutegemewa au mafanikio ya viwandani ya injini yoyote ya ndani.

Swali kuu la utafiti ni lipi?

Swali kuu la utafiti ni jinsi uhamishaji joto unaotokea kati ya mtiririko na nyuso imara ndani ya kompresor unavyotenganisha matokeo mawili tofauti: kwanza, upotevu halisi wa aerodynamics na kazi ya blade ya kompresor; pili, ufanisi unaoonekana wa thermodynamics unaokokotolewa kupitia joto la kuingia na kutoka. Ingawa katika hesabu za kompresor nyuso za blade, kitovu na ganda la nje mara nyingi huchukuliwa kuwa adiabatic, vifaa halisi vya majaribio na injini hubadilishana joto na mazingira yake. Kwa hiyo, mabadiliko ya jumla ya joto la kutoka yanaweza kujumuisha si tu kazi ya kimitambo iliyohamishwa kwenye mtiririko au upotevu wa aerodynamics, bali pia joto linalopita kupitia nyuso imara.

Watafiti walichunguza hasa tofauti hii: je, sharti la ganda la nje la isothermal kuendana vizuri zaidi na mkunjo wa majaribio wa ufanisi linamaanisha kwamba sharti hilo linawakilisha kwa usahihi uhamishaji halisi wa joto, au ulinganifu huo unatokana tu na kupunguzwa kwa joto la kutoka kwa njia ya bandia?

Kwa nini utafiti ni muhimu?

Uwiano wa jumla wa shinikizo, joto la kutoka, ufanisi na kikomo cha uthabiti cha kompresor ni viashiria vya msingi vya utendaji katika usanifu wa injini au turbine ya gesi. Joto linapoondolewa kupitia kuta na kupunguza joto la kutoka, mlinganyo wa kawaida wa ufanisi wa adiabatic unaweza kuonyesha ufanisi wa juu zaidi. Hata hivyo, ongezeko hili halimaanishi kwamba mawimbi ya mshtuko, tabaka za mpaka, mtiririko wa uvujaji wa ncha au maeneo ya kutengana katika njia ya blade yameboreshwa kweli.

Tofauti hii ni muhimu zaidi katika kompresor zenye hatua nyingi. Wasifu wa joto wa radial kwenye kutoka kwa hatua moja huunda sharti la kuingia la hatua inayofuata. Hata kama uwiano wa jumla wa shinikizo hubadilika kidogo sana, mabadiliko katika usambazaji wa joto karibu na kitovu au ganda la nje yanaweza kuathiri ulinganifu kati ya hatua. Utafiti haukukokotoa athari hii ya hatua nyingi moja kwa moja, bali uliitambua kama mada inayopaswa kuchunguzwa baadaye.

Kompresor na hali za uendeshaji zilizochunguzwa

Kitu cha utafiti ni NASA Rotor 37, iliyotengenezwa na NASA Glenn Research Center na kubuniwa kama hatua ya kuingilia ya kompresor ya msingi yenye hatua nane. Rotor 37 ni rota iliyotengwa ya kompresor ya aksiali inayofanya kazi katika hali ya transonic, yenye aspect ratio ndogo na blade 36 zenye umbo la safu za tao nyingi za duara.

Kielelezo 1 kinaonyesha blade ya rota, kitovu, ganda la nje, maeneo ya kuingia na kutoka katika mwonekano wa pande tatu na pia katika ndege ya meridional. Katika mwonekano wa meridional, urefu wa aksiali wa eneo la hesabu umetolewa kuwa takriban 14,86 cm.

Usanidi nne za joto zilizolinganishwa

Kulingana na ufafanuzi katika mbinu na Kielelezo 2, ulinganifu sahihi wa usanidi ni huu. Hata hivyo, katika baadhi ya sentensi za sehemu ya matokeo, maelezo ya usanidi 2 na 3 yamechanganywa. Zaidi ya hayo, ingawa katika sehemu ya matokeo usanidi 4 mara kwa mara umefupishwa kama “ganda-diski CHT”, sehemu ya mbinu inaeleza wazi kwamba eneo imara la blade pia limejumuishwa katika suluhisho.

Suluhisho la kihesabu lilitekelezwaje?

Milinganyo ya pande tatu ya Reynolds-averaged Navier-Stokes katika eneo la mtiririko na milinganyo ya uhamishaji joto katika maeneo imara ilitatuliwa kwa programu ya CFX 2025. Kwa mtiririko tata unaobanika, modeli ya turbulence ya shear stress transport (shear stress transport, SST) na automatic wall treatment zilitumiwa. Vipengele vya convection na turbulence viligawanywa kwa scheme ya high-resolution.

Kwa sababu jiometri ya rota inajirudia katika mwelekeo wa mzunguko, njia moja ya blade na sharti la rotational periodicity vilitumiwa. Kwenye kuingia, jumla ya shinikizo 101,325 kPa, jumla ya joto 288,15 K na mtiririko wa aksiali ziliwekwa; kwenye kutoka, shinikizo la static lilitumika. Kwa ukuta wa ganda la nje, sharti la ukuta unaozunguka kinyume lilitumika, na kwenye interface za mtiririko-imara mbinu ya frozen-rotor inayohakikisha mwendelezo wa joto na normal heat flux ilitumika. Nyenzo ya maeneo yote imara ilichukuliwa kuwa chuma.

Hesabu zinazotegemea muda zilifanywa kwenye nukta za uendeshaji zilizochaguliwa karibu na ufanisi wa kilele na karibu na kikomo cha kutokuwa thabiti. Watafiti waliripoti kwamba hesabu hizi zilitoa uwiano wa jumla wa shinikizo ulio chini kidogo na ufanisi wa juu zaidi kuliko suluhisho steady, hivyo kukaribia matokeo ya majaribio. Hata hivyo, maelezo kama time step, muda wa jumla wa kimwili wa suluhisho na temporal grid independence hayakutolewa katika maandishi.

Mlinganyo wa nishati katika eneo imara

Usafirishaji wa nishati katika eneo imara umeelezwa kwa mlinganyo ufuatao:

\[ \frac{\partial(\rho h)}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho U_s h)=\nabla\cdot(\lambda\nabla T)+S_E \]

Hapa ρ ni msongamano, h ni enthalpy mahsusi, t ni muda, U_s ni kasi ya mwendo wa eneo imara, λ ni thermal conductivity, T ni joto na S_E ni chanzo cha nishati kwa ujazo. Vipengele vya upande wa kushoto vinawakilisha mkusanyiko wa nishati ndani ya sehemu imara na usafirishaji wa nishati kutokana na mwendo wa sehemu hiyo; kipengele cha conduction upande wa kulia kinawakilisha joto linalosambaa ndani ya sehemu imara kutokana na gradient ya joto. Ikiwa kuna chanzo cha joto kwa ujazo, athari yake huhesabiwa kupitia S_E.

Mlinganyo wa convection kwenye uso wa nje

Mtiririko wa joto kutoka kwenye uso wa ganda la nje au diski kwenda kwenye mazingira ulikokotolewa kwa uhusiano ufuatao:

\[ q=h_c(T_o-T_w) \]

q ni mtiririko wa joto kwa kila eneo la uso na huonyeshwa kwa W/m². h_c ni convection heat transfer coefficient na kitengo chake ni W/(m²·K). T_o inaonyesha joto la mazingira ya nje na T_w joto la ukuta. Alama inaonyesha mwelekeo ambao joto linahamia kulingana na tofauti ya joto kati ya mazingira ya nje na ukuta.

Katika maandishi makuu, coefficient ya ganda la nje kwa natural convection imetajwa kuwa 25 W/(m²·K), ilhali katika Kielelezo 2(b) imeandikwa 15 W/(m²·K). Tofauti hii kati ya thamani hizo mbili haijaelezwa katika maandishi. Joto la mazingira ya nje ni 288,15 K katika hali zote mbili. Kielelezo 2(c), kinachoonyesha suluhisho la ganda-blade-diski, kinaonyesha thamani ya takriban 1100 W/(m²·K) kwa uso wa nje wa diski.

Uhusiano wa Nusselt kwa diski inayozunguka

Katika kubainisha coefficient ya convection kwenye uso wa nje wa diski, uhusiano wa empirical uliotolewa kwa diski zisizozunguka na zinazozunguka ulitumika:

\[ Nu_r=0{,}0253(Re_r)^{0{,}8} \]

Nu_r ni Nusselt number inayotegemea nafasi ya radial, na Re_r ni local Reynolds number; zote ni quantities zisizo na dimension. Nusselt number huwakilisha uwiano wa uhamishaji joto kwa convection dhidi ya uhamishaji ambao ungetokea kwa conduction pekee. Nguvu ya 0,8 ya Reynolds number inaonyesha kwamba convection huimarika kwa namna isiyo ya linear kadiri kasi ya mzunguko na mtiririko inavyoongezeka.

Ufanisi wa kawaida wa adiabatic

Mlinganyo wa kawaida wa ufanisi wa adiabatic uliotumiwa kulinganisha utendaji wa majaribio na wa kihesabu ni kama ifuatavyo:

\[ \eta_{ad}=\frac{\pi^{(\gamma-1)/\gamma}-1}{T_{t,2}/T_{t,1}-1} \]

η_ad inaonyesha ufanisi wa adiabatic, π uwiano wa jumla wa shinikizo, γ uwiano wa specific heats, T_t,1 jumla ya joto la kuingia na T_t,2 jumla ya joto la kutoka. Mlinganyo hulinganisha ongezeko bora la joto la isentropic kwa ongezeko fulani la shinikizo dhidi ya ongezeko halisi la jumla la joto.

Ufafanuzi huu ni sahihi kwa thermodynamics pale ambapo hakuna joto linalopita kupitia kuta. Mtiririko unapotoa joto kwa nyuso imara, joto la kutoka halibainishwi na kazi ya kompresor pekee. Kwa hiyo, upotevu wa joto unaweza kupunguza ongezeko la joto kwenye denominator na kuonyesha ufanisi wa juu zaidi hata wakati upotevu halisi wa aerodynamics haujabadilika.

Ufanisi sawa wa adiabatic

Ili kurudisha mtiririko wa joto kwenye mizania ya nishati, jumla ya joto sawa la kutoka na ufanisi sawa wa adiabatic vilifafanuliwa:

\[ \eta'_{ad}=\frac{\pi^{(\gamma-1)/\gamma}-1}{T'_{t,2}/T_{t,1}-1} \]

\[ T'_{t,2}=T_{t,2}+\frac{Q}{\dot{m}C_p} \]

T′_t,2 ni jumla ya joto sawa la kutoka lililosahihishwa kwa athari ya uhamishaji joto. Q inaonyesha jumla ya uhamishaji joto kutoka uga wa mtiririko kwenda kwenye maeneo imara, ṁ ni mass flow rate na C_p ni specific heat capacity kwa shinikizo thabiti. Kipengele Q/(ṁC_p) ni thamani ya joto inayolingana na nishati inayohamishwa kutoka kwa kila kitengo cha mass ya mtiririko kwenda kwenye sehemu imara.

Kwa mfano rahisi wa kila siku, hesabu ya kawaida huchukulia joto la hewa inayotoka kwenye kompresor kuwa matokeo ya kazi iliyofanywa na mashine pekee. Hesabu sawa huongeza tena kwenye mizania ya nishati joto ambalo hewa imelitoa kwa ganda, na hivyo kujaribu kutenganisha kazi ya kompresor na athari ya upoozaji wa ukuta.

Ongezeko la jumla la enthalpy na kazi ya blade ya Euler

Ongezeko la jumla la enthalpy ya mtiririko lilikokotolewa kwa mlinganyo ufuatao:

\[ \Delta h_t=C_p(T_{t,2}-T_{t,1}) \]

Δh_t ni ongezeko la jumla la enthalpy na lina kitengo cha J/kg au kJ/kg. Thamani hii hupatikana kwa kuzidisha tofauti ya jumla ya joto kati ya kuingia na kutoka kwa specific heat capacity. Katika hali yenye uhamishaji joto, ongezeko hili linajumuisha kazi iliyofanywa na rota na pia ubadilishanaji wa nishati kati ya mtiririko na nyuso imara.

Kazi mahsusi inayohamishwa kwa mtiririko na blade za rota ilikokotolewa kwa mlinganyo wa turbomachinery wa Euler:

\[ L_u=U_2V_{t,2}-U_1V_{t,1} \]

L_u inaonyesha kazi ya blade kwa kila kitengo cha mass, U kasi ya mzunguko ya blade katika eneo husika, na V_t sehemu ya kasi ya mtiririko katika mwelekeo wa mzunguko. Indeksi 1 na 2 zinaonyesha maeneo ya kuingia na kutoka. Katika hali ya adiabatic, tofauti kati ya Δh_t na L_u huhusishwa na msuguano wa ukuta, wakati tofauti ya ziada kati ya usanidi wenye uhamishaji joto huakisi joto linalopita kupitia nyuso imara.

Uhusiano wa forced convection

Kwa hali ambayo ganda la nje katika injini ya turbofan linaweza kukabiliwa na mtiririko wa kasi kutoka kwenye fan, flat-plate correlation ilitumika:

\[ Nu=(0{,}03Re^{0{,}8}-871)Pr^{1/3} \]

Nu ni Nusselt number, Re ni Reynolds number na Pr ni Prandtl number. Prandtl number inaonyesha uwiano kati ya usambaaji wa momentum na usambaaji wa joto. Katika utafiti, kasi ya mtiririko wa nje ilichukuliwa kuwa 100 m/s na kwa kutumia uhusiano huu coefficient ya convection ya 250 W/(m²·K) ilipatikana kwa ganda la nje.

Uhuru wa gridi na ulinganisho wa majaribio

Uchunguzi tofauti wa grid independence ulifanywa kwa maeneo ya mtiririko na maeneo imara. Katika eneo la mtiririko, viwango vitano vya gridi vilitathminiwa; katika shinikizo thabiti la static la kutoka la 105.000 Pa, mass flow rate, uwiano wa jumla wa shinikizo na ufanisi wa isentropic vilifuatiliwa. Urefu wa seli ya kwanza karibu na ukuta ulichaguliwa kuwa 0,003 mm katika usanidi wote na iliripotiwa kwamba thamani ya y⁺ iliwekwa chini ya 3.

Gridi ya mtiririko ilipoongezwa kutoka elementi milioni 1,05 hadi milioni 1,22, mabadiliko ya mass flow rate yalibaki ndani ya 2×10⁻³ kg/s na mabadiliko ya ufanisi wa isentropic ndani ya 4×10⁻⁴. Gridi imara ya ganda ilipoongezwa kutoka elementi elfu 65 hadi elfu 79, mabadiliko ya ufanisi yalibaki ndani ya 1×10⁻⁵ na mabadiliko ya integrated heat flux ndani ya 7×10⁻⁴ W.

Ili kusawazisha gharama ya hesabu na usahihi, takriban elementi milioni 1,05 zilichaguliwa katika eneo la mtiririko, elfu 65 katika eneo imara la ganda na elfu 79 katika eneo imara la diski. Katika gridi ya mwisho kuna seli 87 katika urefu wa blade na seli 17 za radial ndani ya pengo la ncha. Kielelezo 5 kinaonyesha kwamba gridi imefanywa mnene zaidi kwenye ncha ya blade na kwenye interface za mtiririko-imara.

Katika Kielelezo 4, suluhisho la adiabatic lililinganishwa na data za majaribio za NASA Rotor 37. Umbo la jumla la mkunjo wa uwiano wa shinikizo lilipatikana, lakini thamani za kihesabu zilibaki juu kidogo kuliko uwiano wa shinikizo wa majaribio katika sehemu kubwa ya safu ya uendeshaji. Ingawa mwelekeo wa mkunjo wa ufanisi ulipatikana, ufanisi wa kihesabu ulibaki chini ya thamani za majaribio. Maandishi yanaripoti kwamba tofauti katika ufanisi wa kilele wa isentropic ilikuwa ndani ya %3 na tofauti nyingine ndani ya %1,5; hata hivyo, sentensi haibainishi wazi kama uwiano wa pili unahusu uwiano wa jumla wa shinikizo au kigezo kingine.

Mikunjo ya jumla ya utendaji inaonyesha nini?

Ujumbe mkuu wa Kielelezo 6 ni kwamba masharti ya uhamishaji joto hubadilisha uwiano wa jumla wa shinikizo kwa kiasi kidogo sana, lakini hubadilisha kwa namna inayoonekana ufanisi unaokokotolewa kwa mlinganyo wa kawaida. Mikunjo minne ya uwiano wa shinikizo karibu ilifunika kila mmoja katika safu yote ya uendeshaji. Nukta za mwisho za hesabu steady pia zilibaki karibu; ni katika usanidi wa uhamishaji joto uliounganishwa wa ganda pekee ambapo faida ndogo ya stability margin iliripotiwa.

Usanidi wa ganda la isothermal ulizalisha ufanisi wa kawaida wa juu kuliko suluhisho la adiabatic na ulikaribia zaidi mkunjo wa majaribio wa ufanisi. Kwa upande mwingine, modeli zilizounganishwa zinazotatua ganda pekee au ganda-blade-diski kwa conduction halisi ya sehemu imara zilionyesha athari ya joto iliyo ndogo zaidi. Katika usanidi 4, uliotambuliwa kuwa wa kweli zaidi kimwili, ongezeko la ufanisi liliripotiwa kuwa takriban %0,3.

Ulinganisho huu unaonyesha kwamba ulinganifu bora zaidi wa sharti la isothermal na jaribio hauwezi peke yake kuchukuliwa kuwa uthibitishaji wa kimwili. Ukuta wa isothermal ulilazimisha joto la ganda kuwa 288,15 K katika uso wote, na hivyo kutoa upoozaji mkubwa zaidi kuliko ule unaotokana na conduction halisi ya sehemu imara na convection ya nje.

Kwa nini ufanisi sawa hutoa matokeo tofauti?

Katika Kielelezo 7, mtiririko wa joto unapoongezwa kwenye joto sawa la kutoka, mikunjo minne ya ufanisi sawa wa adiabatic karibu hufunikana kwa kiasi kikubwa. Hii inaonyesha kwamba tofauti kubwa inayoonekana kati ya mikunjo ya kawaida ya ufanisi haiwakilishi tofauti ya ukubwa unaofanana katika irreversibility ya aerodynamics. Kwa maneno mengine, ufanisi unaoonekana kuwa juu wa ganda la isothermal unatokana kwa kiasi kikubwa na ukweli kwamba joto linalotolewa kutoka kwenye mtiririko halihesabiwi kama sehemu ya kazi ya kompresor.

Utafiti hauthibitishi kwa uhakika kwamba upotevu wote wa aerodynamics haujabadilika. Mabadiliko madogo lakini yanayoweza kupimwa ya uga wa mtiririko yalipatikana karibu na kitovu. Hata hivyo, tofauti kubwa inayoonekana katika mkunjo wa ufanisi wa jumla si sawa na ukubwa wa mabadiliko ya aerodynamics.

Wasifu wa radial wa shinikizo na joto

Katika Kielelezo 8, wasifu wa uwiano wa jumla wa shinikizo katika hali ya ufanisi wa kilele ulionyesha mwelekeo unaofanana na matokeo ya majaribio katika sehemu kubwa ya urefu wa blade na tofauti ndogo sana kati ya usanidi nne za joto. Katika mwonekano uliokuzwa karibu na kitovu, faida ndogo ya uwiano wa jumla wa shinikizo ya usanidi 4 inaonekana.

Wasifu wa uwiano wa jumla wa joto, kwa upande mwingine, ni nyeti zaidi kwa sharti la mpaka wa joto. Usanidi wa ganda la isothermal ulisababisha upungufu mkubwa zaidi wa joto katika eneo la juu la pengo karibu na ganda la nje. Matokeo ya ganda CHT na ganda-blade-diski CHT yalibaki karibu zaidi na mwelekeo wa majaribio wa joto kuliko matokeo ya isothermal. Katika takriban eneo la %10 lililo karibu zaidi na kitovu, usanidi 4 ulizalisha wasifu wa joto tofauti na usanidi wenye kitovu adiabatic kutokana na uhamishaji joto kupitia diski na blade.

Katika hali iliyo karibu na kikomo cha kutokuwa thabiti katika Kielelezo 9, mwenendo unaofanana uliendelea, lakini eneo la radial lililoathiriwa na uhamishaji joto karibu na ganda la nje lilipanuka. Usanidi wa isothermal tena ulisababisha upungufu mkubwa zaidi wa jumla ya joto karibu na ganda la nje. Katika eneo la kitovu, tofauti ndogo za usanidi 4 katika uwiano wa jumla wa shinikizo na usambazaji wa enthalpy ziliendelea.

Ongezeko la enthalpy, kazi ya blade na mtiririko wa joto

Vielelezo 10 na 11 vinaonyesha tofauti kati ya ongezeko la jumla la enthalpy na kazi ya blade ya Euler. Ongezeko la jumla la enthalpy lilibadilika kulingana na sharti la mpaka wa joto, hasa karibu na kitovu na ganda la nje. Kwa upande mwingine, wasifu wa kazi ya blade ulibaki karibu sana katika sehemu kubwa ya span. Matokeo haya yanaunga mkono kwamba si mabadiliko yote katika wasifu wa joto na enthalpy yanatokana na mabadiliko ya kazi ya kimitambo inayohamishwa na rota kwa mtiririko.

Katika usanidi 4, ongezeko dogo la kazi ya blade lilionekana karibu na kitovu. Ongezeko hili liliambatana na ongezeko dogo la uwiano wa jumla wa shinikizo katika eneo hilo hilo. Ingawa usanidi 2 ulizalisha mtiririko wa joto mkubwa zaidi, haukuzalisha ongezeko linalofanana la kazi ya blade au uwiano wa shinikizo. Kwa hiyo, upoozaji zaidi pekee haumaanishi utendaji bora wa aerodynamics.

Mawimbi ya mshtuko na kutengana kwa mtiririko

Katika Kielelezo 12, katika hali ya ufanisi wa kilele, kutengana kwenye uso wa kufyonza kunaonekana kuanza karibu na ukingo wa nyuma na kuimarika kuelekea kitovu hadi kuwa kutengana kwa kona. Ingawa kuna eneo la wall shear stress ndogo karibu na takriban 0,4 ya axial chord juu ya takriban %20 ya urefu wa blade, mtiririko hubaki umeambatanishwa tena na uso katika hali ya ufanisi wa kilele.

Katika Kielelezo 13, kutengana kunakuwa dhahiri zaidi kadiri kikomo cha kutokuwa thabiti kinavyokaribiwa, bubble ya kutengana ya ndani hutokea na mtiririko huambatanishwa tena na uso sehemu ya mbele zaidi. Katika Kielelezo 14, shock ya ukingo wa mbele katika sehemu ya %90 ya span inaonekana kugonga uso wa kufyonza, kuingiliana na boundary layer na kuanzisha kutengana. Katika Kielelezo 15, shock katika sehemu ya %10 ya span ni dhaifu zaidi na haisababishi aina hiyo hiyo ya kutengana kunakotokana na shock.

Kwa sababu tofauti kati ya usanidi nne ni ndogo katika ramani za jumla za rangi, Kielelezo 16 kinalinganisha mikunjo ya wall shear stress katika sehemu maalum za radial. Katika %50 ya span, maeneo ya kutengana na kuambatanishwa tena ni karibu sawa katika suluhisho zote nne. Katika %10 ya span, usanidi 4 umechelewesha mwanzo wa kutengana kwa kona ya ukingo wa nyuma ikilinganishwa na usanidi nyingine. Katika %90 ya span, usanidi wa isothermal unaonekana kuwa suluhisho linalochelewesha zaidi kutengana kunakotokana na shock; hata hivyo, matokeo haya yanapaswa kutathminiwa pamoja na kizuizi kwamba sharti la isothermal linazalisha upoozaji wenye nguvu isiyo halisi ikilinganishwa na CHT halisi.

Katika Kielelezo 17, root mean square values za mabadiliko ya static pressure katika sehemu ya %10 ya span karibu na kikomo cha kutokuwa thabiti zililinganishwa. Usanidi 4 ulizalisha uga wa mabadiliko wa chini zaidi na watafiti walitafsiri hili kama dalili ya uga wa mtiririko ulio thabiti zaidi karibu na kitovu. Matokeo haya si dhamana ya majaribio ya uthabiti kwa kompresor nzima; yanatumika tu kwa sehemu ya kihesabu na nukta ya uendeshaji iliyochunguzwa.

Athari ya forced convection kwenye ganda la nje

Coefficient ya forced convection ya 250 W/(m²·K) inayolingana na mtiririko wa nje wa 100 m/s ilipotumika badala ya natural convection, mtiririko wa joto kupitia ganda la nje uliongezeka kwa kiasi kikubwa. Kielelezo 18 kinaonyesha kwamba usanidi wa forced convection ulizalisha absolute heat flux kubwa zaidi kuliko natural convection katika baadhi ya maeneo ya ganda.

Hata hivyo, usambazaji wa wall shear stress wa ganda la nje katika Kielelezo 19 haukubadilika kwa kiwango kinachoonekana. Watafiti pia hawakugundua mabadiliko makubwa katika utendaji wa jumla wa kompresor. Matokeo haya yanaonyesha kwamba kuongeza mtiririko wa joto kwa kupooza uso wa nje hakubadilishi kwa kiwango kilekile muundo wa aerodynamics ndani ya njia ya mtiririko.

Nguvu za utafiti

• Mbinu za adiabatic, isothermal na aina mbili tofauti za uhamishaji joto uliounganishwa zililinganishwa chini ya kompresor na hali zilezile za uendeshaji.
• Ufanisi wa kawaida ulitenganishwa na ufanisi sawa uliosahihishwa kwa mtiririko wa joto, na hivyo kosa la tathmini ya thermodynamics likawekwa wazi.
• Mbali na mikunjo ya jumla ya utendaji, wasifu wa radial, kazi ya blade, ongezeko la enthalpy, wall shear stress, Mach number na mabadiliko ya shinikizo vilichunguzwa.
• Masomo ya grid independence yalifanywa kwa maeneo ya mtiririko na maeneo imara.
• Suluhisho la msingi la adiabatic lililinganishwa na data za majaribio za utendaji wa NASA Rotor 37.
• Nukta zilizochaguliwa karibu na kikomo cha kutokuwa thabiti zilichunguzwa pia kwa suluhisho zinazotegemea muda.
• Mbali na natural convection kwenye ganda la nje, hali ya forced convection pia ilitathminiwa.

Mapungufu ya utafiti

• Utafiti ni preprint ambayo haijapitia peer review.
• Uchanganuzi umewekewa mipaka kwenye rota moja iliyotengwa; stator na ulinganifu wa kompresor yenye hatua nyingi havikukokotolewa.
• Uchunguzi wa kina umejikita hasa katika %80 ya kasi ya usanifu.
• Maeneo yote imara yalichukuliwa kuwa chuma; nyenzo halisi za sehemu, contact resistances na coatings havikuigwa.
• Coefficient ya convection ya ganda la nje ilibainishwa kwa dhana za empirical na thamani ya natural convection haipatani kati ya maandishi na Kielelezo 2.
• Uthibitishaji wa CHT kwa kipimo cha moja kwa moja cha majaribio cha joto la ganda, blade na diski au heat flux haujawasilishwa.
• Mbinu ya rotational periodicity ya njia moja haiwezi kuwakilisha miundo ya mtiririko isiyo symmetric katika mwelekeo wa mzunguko.
• Mbinu ya SST-RANS haitatui moja kwa moja mizani yote ya transient turbulence na kutengana.
• Mbinu ya frozen-rotor ilitumika kwenye interface ya mtiririko-imara.
• Time step, muda wa sampling na maelezo ya temporal convergence ya hesabu zinazotegemea muda hayakutolewa.
• Kikomo cha kutokuwa thabiti cha kihesabu kilibainishwa kwa suluhisho kutokukonverji baada ya shinikizo la kutoka kuongezwa kwa 100 Pa; ufafanuzi huu si sawa na kipimo cha majaribio cha rotating stall au surge.
• Grid independence pekee imewasilishwa kwa kina; hakuna uchanganuzi mpana wa uncertainty kwa sifa za nyenzo, coefficient ya convection ya nje na modeli ya turbulence.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Masharti ya mipaka ya joto yanaweza kuathiri kwa kiasi kikubwa jumla ya joto la kutoka na hasa wasifu wa joto wa radial karibu na kuta za ncha.
• Ufanisi wa kawaida wa kompresor unaokokotolewa bila kuzingatia mtiririko wa joto unaweza kuonyesha mabadiliko ya upotevu wa aerodynamics kuwa makubwa kuliko yalivyo kwa kweli.
• Mtiririko wa joto unapojumuishwa katika ufanisi sawa wa adiabatic, tofauti ya ufanisi kati ya usanidi nne hupungua kwa kiasi kikubwa.
• Uwiano wa jumla wa shinikizo ulionyesha mabadiliko madogo tu kati ya usanidi nne za joto.
• Katika suluhisho la ganda-blade-diski CHT, mwanzo wa kutengana karibu na kitovu ulichelewa, na kazi ya blade pamoja na uwiano wa shinikizo viliongezeka kidogo.
• Ganda la isothermal kutoa matokeo yaliyo karibu zaidi na ufanisi wa jumla wa majaribio hakuthibitishi peke yake kwamba sharti la mpaka ni sahihi kimwili.
• Forced convection kwenye ganda la nje iliongeza mtiririko wa joto, lakini katika hali iliyochunguzwa haikubadilisha utendaji wa jumla kwa kiwango kinachoonekana.

Matokeo ambayo utafiti hauthibitishi

• Utafiti hauthibitishi kwamba sharti la ganda la isothermal ni sharti sahihi la mpaka katika kompresor halisi.
• Mabadiliko ya ufanisi ya takriban %0,3 hayamaanishi uboreshaji wa matumizi ya mafuta au utendaji wa misheni katika kiwango cha injini halisi.
• Kuchelewa kwa kutengana katika hesabu hakuthibitishi moja kwa moja kuongezeka kwa stall margin au surge limit ya majaribio.
• Matokeo ya rota moja hayawezi kuhamishwa moja kwa moja kwa kompresor za shinikizo kubwa zenye hatua nyingi.
• Utafiti hauonyeshi mafanikio ya uwanjani katika injini, ndege au kituo fulani cha nishati.
• Haiwezi kuhitimishwa kwamba forced external cooling haina athari katika kila kasi, kila kompresor au katika tofauti kubwa zaidi za joto.
• Modeli ya kihesabu haitoi tathmini ya uimara wa muda mrefu, thermal stress, fatigue au maisha ya sehemu.
• Utafiti hautoi dhamana ya usalama au utendaji wa usanifu wa kompresor wa kibiashara.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa kiufundi wa mbinu

Muhtasari linganishi wa matokeo makuu

Tathmini ya jumla ya kisayansi

Matokeo yenye nguvu zaidi ya utafiti ni kuonyesha kwamba katika kutafsiri ufanisi wa kompresor, ubadilishanaji wa nishati ya joto unapaswa kutenganishwa na upotevu wa aerodynamics. Ingawa sharti la ganda la isothermal lilitoa matokeo yaliyo karibu zaidi na thamani ya majaribio ya ufanisi, wasifu wa kina wa joto na suluhisho zilizounganishwa zinaonyesha kwamba ulinganifu huu hauwakilishi kwa usahihi uhamishaji halisi wa joto.

Kwa upande wa uga wa mtiririko wa ndani, uhamishaji joto si passive kabisa. Kujumuisha maeneo imara ya blade na diski katika suluhisho kulisababisha athari ndogo kwenye joto, mwanzo wa kutengana, mabadiliko ya shinikizo na kazi ya blade karibu na kitovu. Hata hivyo, maboresho haya ya ndani hayana ukubwa wa kutosha kueleza tofauti yote inayoonekana katika mikunjo ya kawaida ya ufanisi.

Hitimisho la utafiti kuhusu kompresor zenye hatua nyingi ni makadirio: kwa kuwa wasifu wa joto wa ukuta wa ncha hubadilika kwa kiasi kikubwa, joto la kuingia na ulinganifu wa hatua zinazofuata vinaweza kuathiriwa. Mchakato huu haukujaribiwa moja kwa moja katika utafiti wa sasa. Katika siku zijazo, jiometri za hatua nyingi, tofauti kubwa zaidi za joto kati ya gesi na sehemu imara, na modeli za CHT zilizothibitishwa kwa joto lililopimwa la sehemu imara zinahitajika.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina asili la utafiti: The Effect of Heat Transfer on the Compressor Performance

Waandishi na mpangilio wao: Xuegao Wang; Hongwei Yan; Yuze Liu; You Zuo; Xinqian Zhen; Baotong Wang.

Mwandishi mwenza wa kwanza: Utafiti haujataja taarifa ya uandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa.

Mwandishi wa mawasiliano: Hongwei Yan. Katika maandishi, anwani ya barua pepe ya mwandishi wa mawasiliano imetolewa kama lepidum@outlook.com.

Uhusiano wa waandishi na taasisi:

• Xuegao Wang: National Key Laboratory of Transient Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, China.
• Hongwei Yan: School of Vehicle and Mobility, Tsinghua University, Beijing, China; SinoHawk Power Technology Co., Ltd, Neijiang, China.
• Yuze Liu: State Key Laboratory of Multimodal Artificial Intelligence Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China; School of Artificial Intelligence, University of Chinese Academy of Science, Beijing, China.
• You Zuo: Digital Twin Research Center, Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academic of Science, Beijing, China; National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Light-Duty Gas-Turbine, Chinese Academic of Science, Beijing, China.
• Xinqian Zhen: School of Vehicle and Mobility, Tsinghua University, Beijing, China.
• Baotong Wang: Institute for Aero Engine, Tsinghua University, Beijing, China.

Majina ya taasisi yamehifadhiwa kwa uaminifu kadiri iwezekanavyo katika namna yalivyoandikwa katika utafiti. Katika maandishi, baadhi ya taasisi zimeandikwa “Chinese Academy of Sciences” na nyingine “Chinese Academic of Science”; tofauti hii ya uandishi haijarekebishwa kimya kimya kuwa muundo mmoja.

DOI: 10.2139/ssrn.7201740

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti ya preprint yenye uundaji wa modeli za kihesabu na simulation.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Jarida: Jina la jarida lililopitia peer review halijaorodheshwa katika toleo hili na toleo lililochapishwa katika jarida halijathibitishwa.

Mchapishaji: Hakuna mchapishaji tofauti wa jarida asili. SSRN ni jukwaa la preprint na utafiti wa awali linalomilikiwa na Elsevier; rekodi hii si uchapishaji wa mwisho wa jarida uliopitia peer review.

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Hali ya peer review: Utafiti huu ni preprint na haujapitia peer review. Kila ukurasa wa maandishi una onyo la “Preprint not peer reviewed”.

Kiungo rasmi cha chanzo: https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=7201740

Upatikanaji wa data: Waandishi wameeleza kwamba data itatolewa kwa ombi.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kwamba hakuna maslahi ya kifedha yanayojulikana au mahusiano binafsi yanayoweza kuathiri utafiti.

Maelezo ya mchango wa waandishi: Ingawa mstari wa waandishi wa makala una watafiti sita, taarifa ya mchango ya CRediT inaeleza majukumu ya Xuegao Wang na Hongwei Yan pekee. Kwa Xuegao Wang, data curation, investigation na writing of the first draft zimetajwa; kwa Hongwei Yan, formal analysis pamoja na review and editing zimetajwa. Majukumu ya mchango ya Yuze Liu, You Zuo, Xinqian Zhen na Baotong Wang hayajaelezwa zaidi katika toleo hili.

Maelezo haya ya Kiswahili yameandaliwa kwa kuchunguza utafiti wa kurasa 15 uliopakiwa kutoka mwanzo hadi mwisho. Mbinu za kisayansi, thamani za kihesabu, milinganyo, vielelezo na matokeo yamehamishwa tu kutoka kwenye maudhui yaliyowasilishwa katika utafiti. Vyanzo vya nje vilitumika pekee kwa uthibitishaji wa kibibliografia wa DOI, rekodi ya SSRN, aina ya jukwaa na hali ya peer review; hakuna matokeo mapya ya nje yaliyoongezwa kwenye matokeo ya kisayansi ya makala.

Mapungufu makuu ya utafiti ni kutopitia peer review, kutegemea jiometri ya rota moja iliyotengwa, uchanganuzi wa kina kujikita katika %80 ya kasi ya usanifu, kutowasilisha uthibitishaji wa moja kwa moja wa majaribio wa CHT kwa kutumia joto halisi la sehemu imara na heat flux, kutokokotoa ulinganifu wa hatua nyingi, na kuwepo kwa kutokubaliana ndani ya maandishi kuhusu coefficient ya natural convection na baadhi ya majina ya usanidi. Matokeo yanapaswa kusomwa kwa kuzingatia mapungufu haya.