Utafiti huu umechunguza jinsi kupungua kwa msongamano wa hewa na nambari ya Reynolds katika mazingira ya karibu na anga kunavyopunguza utendaji wa kompresa ya sentrifugal ya transoniki yenye uwiano mkubwa wa shinikizo, na jinsi hasara zinavyosambazwa upya kati ya impela na difuza yenye vani. Watafiti waliunda modeli ya kihesabu ya pande tatu na hali tulivu inayojumuisha kwa pamoja impela na difuza yenye vani za kompresa ya sentrifugal ya NASA CC3; walilinganisha hali za kuingiza hewa zinazolingana na miinuko ya 0, 10, 20 na 25 km kwa kasi ileile iliyosahihishwa ya mzunguko.

Nambari rejea ya Reynolds ilishuka kutoka thamani ya 5,70 × 10⁵ katika usawa wa bahari hadi 2,28 × 10⁴ katika 25 km. Katika masafa hayo hayo, uwiano wa juu kabisa wa shinikizo jumla ulioweza kuhesabiwa ulipungua kutoka takriban 4,50 hadi 3,92, ufanisi wa juu kabisa wa isentropiki kutoka 0,87 hadi 0,76, na kiwango cha juu kabisa cha mtiririko wa wingi kilichosahihishwa kutoka takriban 4,90 kg·s⁻¹ hadi 4,45 kg·s⁻¹. Upungufu wa jamaa katika ufanisi wa juu kabisa wa isentropiki ulikuwa %12,9.

Mgawanyo wa hasara ulibadilika pamoja na mwinuko. Katika usawa wa bahari, %58 ya ongezeko la jumla la entropia lisilo na vipimo lilitokana na difuza, na %42 lilitokana na impela. Nambari ya Reynolds ilipopungua, hasara ya impela iliongezeka kwa kasi zaidi; katika 20 km vipengele viwili vilianza kuchangia kwa kiwango sawa katika hasara ya jumla. Hata hivyo, kati ya 10–25 km ufanisi wa difuza ulipungua kwa %5,72, huku ufanisi wa impela ukipungua kwa %4,05. Matokeo haya yanaonyesha kwamba difuza ni nyeti zaidi kwa hali ya mtiririko iliyoharibika kwenye kutoka kwa impela.

Tathmini kwa mtazamo wa Uturuki: Matokeo yanatoa mfumo muhimu wa kimekanika kwa timu za utafiti nchini Uturuki zinazofanya kazi kuhusu ndege za kukaa muda mrefu katika miinuko mikubwa, majukwaa ya karibu na anga, mifumo ya kusaidia injini za pistoni za miinuko mikubwa, turbocharger na mashine ndogo za kukandamiza hewa. Kwa matumizi mahususi nchini Uturuki, modeli inahitaji kujengwa upya kwa jiometri za kompresa za ndani, uharibifu halisi wa mtiririko wa kuingiza na hali za anga ziongezwe, hesabu za muda za pete kamili zifanywe, na uthibitishaji wa majaribio ufanyike katika kifaa cha majaribio ya mwinuko au chumba cha shinikizo la chini. Kutokana na utafiti huu haiwezekani kupata moja kwa moja uwiano wa shinikizo, kikomo cha mwinuko, akiba ya uthabiti, matumizi ya mafuta au utendaji wa misheni wa injini yoyote inayotumiwa nchini Uturuki.

Mlolongo mkuu wa hasara ulioonyeshwa na utafiti ni huu: kupungua kwa nambari ya Reynolds huchelewesha mpito wa tabaka la mpaka kwenda kwenye hali ya turbulent, hurahisisha mkusanyiko wa kiowevu chenye momentamu ndogo hasa kwenye uso wa kunyonya karibu na kifuniko, huongeza mtengano wa ndani na ueneaji wa kiini cha vorteksi, huharibu pembe ya mtiririko kwenye kutoka kwa impela, na mtiririko huo ulioharibika huongeza hasara za kuingia kwenye difuza.

Swali kuu la utafiti ni lipi?

Katika mazingira ya karibu na anga na miinuko mikubwa, shinikizo na msongamano wa anga hupungua kwa kiwango kikubwa. Hata kama jiometri na kasi bainifu ya kompresa hazibadiliki, kupungua kwa msongamano hupunguza nambari ya Reynolds, ambayo inaeleza uwiano wa nguvu za hali ya kusonga kwa nguvu za mnato katika mtiririko. Mabadiliko haya yanaweza kuathiri tabaka la mpaka kwenye uso wa bapa, mtiririko wa nafasi ya ncha, mgawanyo wa kasi kwenye kutoka kwa impela na urejeshaji wa shinikizo katika difuza.

Utafiti hauulizi tu “ufanisi wa kompresa unapungua kwa kiasi gani?”. Lengo kuu ni kubainisha jinsi hasara ya utendaji inavyogawanyika kati ya impela na difuza na kwa utaratibu gani uharibifu wa mtiririko unaoanza ndani ya impela unasafirishwa hadi kwenye kuingia kwa difuza.

Maswali makuu ya kimekanika ya utafiti ni haya:

• Nambari ndogo ya Reynolds inabadilishaje mpito wa lamina-turbulent kwenye uso wa bapa?
• Maeneo yenye momentamu ndogo hujilimbikiza katika nafasi zipi za span?
• Je, mtengano na mzunguko wa kurudi wa ndani hujitokeza kwenye uso wa kunyonya karibu na kifuniko?
• Upeo wa anga wa uvujaji wa ncha na viini vya vorteksi hubadilikaje?
• Uharibifu wa mtiririko kwenye kutoka kwa impela unaathirije pembe ya kuingia kwenye difuza na hasara ya difuza?

Kwa nini kompresa ya NASA CC3 ilichaguliwa?

NASA CC3 ni mfumo rejea unaotumiwa katika uchunguzi wa kihesabu wa kompresa za sentrifugal za transoniki zenye uwiano mkubwa wa shinikizo, na jiometri pamoja na data zake za utendaji wa majaribio zinapatikana kwa umma. Katika utafiti huu, profaili za bapa, kuratibu za njia ya meridiani na sifa kuu za usanifu zilijengwa upya kutoka katika ripoti za usanifu za NASA.

Mchoro 1 unaonyesha mwonekano wa juu, wa mbele na wa mwinuko wa kompresa. Jiometri inajumuisha bapa kuu, bapa za kati, kutoka kwa impela na difuza yenye vani zilizopangwa kuzunguka. Eneo la hesabu katika Mchoro 2 linaonyesha njia moja ya impela ya mara kwa mara pamoja na njia inayolingana ya difuza yenye vani.

Nambari ya Reynolds ilifafanuliwaje?

Ili kulinganisha athari za mnato kati ya miinuko tofauti, nambari rejea ya Reynolds ilihesabiwa kwa uhusiano ufuatao:

\[ Re=\frac{\rho u_2 b_2}{\mu} \]

Hapa \(\rho\) inaonyesha msongamano wa hewa ya kuingia, \(u_2\) kasi ya mzunguko kwenye kutoka kwa impela, \(b_2\) urefu wa bapa kwenye kutoka kwa impela, na \(\mu\) mnato wa dinamiki wa hewa. Katika utafiti \(b_2=17\) mm ilitumika.

Msongamano ulihesabiwa kwa uhusiano wa gesi kamilifu:

\[ \rho=\frac{p}{RT} \]

Kwa kuwa shinikizo na halijoto hubadilika pamoja na mwinuko, msongamano ulipungua kwa kasi. Katika 25 km, msongamano ulipungua hadi takriban %3,2 ya thamani ya usawa wa bahari, huku nambari ya Reynolds ikishuka hadi takriban %4.

Kwa nini kasi halisi ileile ya mzunguko haikutumiwa?

Kwa sababu halijoto ya kuingia hubadilika katika miinuko tofauti, kama kompresa zingelinganishwa moja kwa moja katika kasi ileile ya kimitambo ya mzunguko, nambari za Mach za mzunguko zisingekuwa sawa. Kwa hiyo watafiti walidumisha kasi ileile iliyosahihishwa ya mzunguko na kubadilisha kasi halisi ya kimitambo kulingana na halijoto ya kuingia katika kila mwinuko.

Kasi iliyosahihishwa ya mzunguko:

\[ N_{\mathrm{cor}} = \frac{N}{\sqrt{T^*/T_0}} \]

Na kiwango cha mtiririko wa wingi kilichosahihishwa:

\[ \dot{m}_{\mathrm{cor}} = \dot{m} \frac{\sqrt{T^*/T_0}}{P^*/P_0} \]

kimeelezwa kwa namna hii. Hapa \(T_0=288{,}15\) K na \(P_0=101.325\) Pa ni hali rejea.

Marekebisho haya yanamaanisha kwamba utafiti haukulinganisha “kasi halisi ileile ya injini”, bali hali za kasi ileile ya aerodinamiki iliyosahihishwa.

Modeli ya kihesabu iliundwaje?

Milinganyo ya Navier–Stokes iliyowastaniwa kwa Reynolds ya pande tatu, hali tulivu na inayoweza kukandamizwa ilitatuliwa kwa ANSYS CFX. Modeli ya SST \(k-\omega\) ilitumika kwa mtikisiko. Modeli hii ina muundo unaolenga kutatua mtiririko wa karibu na ukuta na mtengano chini ya gradieni hasi ya shinikizo.

Ili kuzingatia mabadiliko ya mpito wa lamina-turbulent katika nambari ndogo ya Reynolds, modeli ya SST iliunganishwa na modeli ya mpito ya \(\gamma-Re_\theta\). Modeli hufuatilia vipimo viwili vya ziada:

• Mgawo wa kutokea kwa vipindi \(\gamma\): Unapokaribia sifuri unaonyesha mtiririko wa lamina au wa mpito, na unapokaribia moja unaonyesha mtiririko ambao kwa kiasi kikubwa ni turbulent.
• Nambari ya Reynolds ya unene wa momentamu \(Re_\theta\): Inahusiana na kuanza na maendeleo ya mpito wa tabaka la mpaka.

Shinikizo jumla, halijoto jumla na mwelekeo wa mtiririko wa mhimili vilifafanuliwa kwenye kuingia; shinikizo tuli lilifafanuliwa kwenye kutoka kwa difuza. Ili kuunda mikunjo ya sifa, shinikizo la nyuma la kutoka liliongezwa hatua kwa hatua. Nyuso zote ngumu zilichukuliwa kuwa zisizoteleza na adiabatic.

Data ilisafirishwaje kati ya impela na difuza?

Kiolesura cha Frozen Rotor kilitumika kati ya eneo la impela inayozunguka na eneo la difuza isiyozunguka. Mbinu hii hushikilia nafasi ya jamaa ya mzunguko kati ya impela na difuza huku ikipitisha kutofautiana kwa kasi, shinikizo na halijoto kupitia kiolesura. Kwa njia hii, sehemu ya kutofautiana kwa mzunguko kwenye kutoka kwa impela inaweza kuhamishwa hadi kwenye kuingia kwa difuza.

Hata hivyo, mbinu ya Frozen Rotor na RANS ya hali tulivu haitatui michakato ifuatayo katika muda halisi wa kimwili:

• mwingiliano wa rotor–stator unaotegemea masafa ya kupita kwa bapa,
• mwendo na kuvunjika kwa muda wa vorteksi ya uvujaji wa ncha,
• seli za stall zinazozunguka,
• mitetemo ya surge,
• miundo ya mpito ya mtiririko karibu na kikomo cha uthabiti.

Kwa hiyo, nukta za mwisho zenye mtiririko mdogo ambazo zilifikia muunganiko katika utafiti hazisimamii kikomo halisi cha surge. “Uwiano wa juu kabisa wa shinikizo unaoweza kuhesabiwa” uliotumiwa na watafiti ni thamani ya juu kabisa tu katika masafa ambamo suluhisho za hali tulivu ziliungana.

Uhuru wa gridi ulitathminiwaje?

Gridi zilizopangwa kwa impela na difuza zilitengenezwa kwa ANSYS TurboGrid. Maeneo yaliyotarajiwa kuwa na gradieni kubwa, kama ukingo wa mbele, ukingo wa nyuma, nafasi ya ncha, uso wa kunyonya, kuingia kwa difuza na ukingo wa mbele wa bapa ya difuza, yaliboreshewa gridi kwa kiwango cha ndani.

Katika Mchoro 3, inaonekana kwamba thamani za \(y^+\) kwenye nyuso za impela zilibaki kwa kiasi kikubwa chini ya moja. Hii inaunga mkono mahitaji ya utatuzi wa karibu na ukuta ya modeli za mpito na SST.

Kulingana na Mchoro 4 na Jedwali 2, baada ya jumla ya idadi ya seli kufikia 494.000, athari ya gridi zenye msongamano zaidi kwenye uwiano wa shinikizo ilibaki ndogo. Kwa hiyo, katika hesabu nyingine gridi yenye seli 233.000 za impela na seli 261.000 za difuza ilitumika.

Modeli inaendana kwa kiasi gani na majaribio ya NASA?

Modeli ililinganishwa na data za majaribio za NASA kwa mujibu wa sifa za uwiano wa shinikizo na ufanisi wa isentropiki katika usawa wa bahari. Katika Mchoro 5 na Mchoro 6, mikunjo ya kihesabu kwa ujumla inafuata mielekeo ya majaribio.

• Hitilafu ya wastani ya jamaa katika uwiano wa jumla wa shinikizo: %8,00
• Hitilafu ya wastani ya jamaa katika ufanisi wa isentropiki: %5,56
• Mkengeuko wa wastani wa mtiririko wa wingi katika mkunjo wa uwiano wa shinikizo: %2,58
• Mkengeuko wa juu kabisa wa mtiririko wa wingi katika mkunjo wa uwiano wa shinikizo: %4,87
• Mkengeuko wa wastani wa mtiririko wa wingi katika mkunjo wa ufanisi: %2,06
• Mkengeuko wa juu kabisa wa mtiririko wa wingi katika mkunjo wa ufanisi: %5,17

Tofauti kubwa zaidi za nukta moja moja zilionekana kwenye tawi lenye mwinuko mkali karibu na choking. Kusogea kidogo kwa kikomo cha choking kunaweza kusababisha tofauti kubwa za uwiano wa shinikizo na ufanisi kwa kiwango kilekile cha mtiririko. Kwa hiyo, modeli ilitumika kuchunguza mabadiliko ya jamaa katika eneo kuu la kazi; haikuchukuliwa kuwa ya kutosha kwa kutabiri kwa usahihi mkubwa kikomo halisi cha choking au uthabiti.

Utendaji wa kompresa ulibadilikaje mwinuko ulipoongezeka?

Mchoro 7 na Mchoro 8 yanaonyesha kwamba kadiri mwinuko unavyoongezeka, sifa za uwiano wa shinikizo na ufanisi husogea kuelekea viwango vya chini vya mtiririko uliosahihishwa na viwango vya chini vya utendaji.

Kutoka usawa wa bahari hadi 25 km, ufanisi wa juu kabisa wa isentropiki ulipungua kwa 0,112, yaani takriban %12,9. Masafa ya kazi yenye ufanisi mkubwa pia yalipungua. Hali hii inaonyesha kwamba nambari ndogo ya Reynolds haipunguzi tu uwezo wa kuzalisha shinikizo, bali pia hupunguza masafa ya kazi ambamo hasara zinaweza kudumishwa katika kiwango cha chini.

Uzalishaji wa entropia ulihesabiwaje?

Kwa gesi kamilifu, mabadiliko ya entropia maalum:

\[ \Delta s = c_p\ln\left(\frac{T_{\mathrm{out}}}{T_{\mathrm{in}}}\right) - R\ln\left(\frac{p_{\mathrm{out}}}{p_{\mathrm{in}}}\right) \]

yalielezwa kwa uhusiano huu. Watafiti walifafanua kigezo cha entropia kisicho na vipimo cha kielelezo ili kulinganisha hasara:

\[ s^* = \exp\left(\frac{\Delta s}{R}\right) = \frac{ \left(T_{\mathrm{out}}/T_{\mathrm{in}}\right)^{\kappa/(\kappa-1)} }{ p_{\mathrm{out}}/p_{\mathrm{in}} } \]

Katika mchakato bora wa isentropiki, \(s^*=1\). Kadiri upotevu wa mnato, mishtuko, mtengano na uchanganyaji vinavyoongezeka, thamani hupanda juu ya moja.

Kwa sababu kigezo cha kielelezo hakiwezi kujumlishwa kwa mstari, hasara ya difuza ilitenganishwa kwa kutumia ongezeko la logariti la entropia:

\[ \ln s^*_{\mathrm{diff}} = \ln s^*_{\mathrm{stage}} - \ln s^*_{\mathrm{imp}} \]

Kigezo kisicho na vipimo cha entropia cha hatua kiliongezeka kutoka 1,246 hadi 1,412, yaani kwa %13,3. Kigezo cha impela kiliongezeka kwa %7,9. Kigezo cha difuza kwanza kilipungua kidogo katika 10 km, kisha kikaongezeka kwa wazi katika 20 na 25 km.

Hasara iligawanyikaje kati ya impela na difuza?

Sehemu za vipengele katika ongezeko la jumla la entropia:

\[ C_{\mathrm{imp}} = \frac{\ln s^*_{\mathrm{imp}}} {\ln s^*_{\mathrm{stage}}} \times 100 \]

\[ C_{\mathrm{diff}} = \frac{\ln s^*_{\mathrm{diff}}} {\ln s^*_{\mathrm{stage}}} \times 100 \]

zilihesabiwa kwa uhusiano huu.

Nguzo zilizorundikwa katika Mchoro 9 zinaonyesha kwamba katika usawa wa bahari hasara ya difuza ilikuwa kubwa zaidi; kadiri nambari ya Reynolds ilivyopungua, hasara ya impela iliongezeka kwa kasi. Katika 20–25 km, vipengele viwili vilifikia sehemu zinazokaribiana.

Sehemu ya entropia na kiwango cha kupungua kwa ufanisi wa kipengele si dhana moja. Kati ya 10–25 km:

• Ufanisi wa hatua ulipungua kwa %9,55,
• Ufanisi wa impela kwa %4,05,
• Ufanisi wa difuza kwa %5,72

. Matokeo katika Mchoro 10 yanaonyesha kwamba utendaji wa difuza ni nyeti zaidi kwa mtiririko wa kuingia uliovurugika kuliko impela.

Mpito wa tabaka la mpaka ulibadilikaje?

Mchoro 11 unaonyesha hali ya kutokea kwa vipindi vya turbulent katika nafasi za %10, %50 na %90 za span ya njia ya impela. Katika usawa wa bahari, sehemu kubwa ya njia ina thamani kubwa za \(\gamma\), na tabaka la mpaka hubadilika mapema kwenda hali ya turbulent.

Kadiri mwinuko unavyoongezeka, maeneo yenye kiwango kidogo cha kutokea kwa vipindi hupanuka kando ya nyuso za bapa na katika mwelekeo wa mtiririko. Upanuzi mkubwa zaidi ulionekana karibu na kifuniko, katika nafasi ya %90 ya span. Hii inaonyesha kwamba nambari ndogo ya Reynolds huchelewesha mpito na huongeza eneo la sehemu za lamina au za mpito.

Uwiano wa eneo lenye kiwango kidogo cha kutokea kwa vipindi ulifafanuliwa kama ifuatavyo:

\[ R_{\gamma<0.5} = \frac{A(\gamma<0.5)} {A_{\mathrm{span}}} \times100 \]

Kulingana na Mchoro 12, kuzuiwa kwa mpito hakukutokea tu kwenye ncha ya bapa, bali katika 25 km kulienea kwenye span nzima. Hata hivyo, ongezeko la haraka zaidi kati ya 20–25 km lilitokea katika sehemu iliyo karibu na kifuniko.

Maeneo ya mtiririko wa kasi ndogo yalipanukaje?

Mchoro 13 unaonyesha mgawanyo wa nambari ya Mach katika sehemu ya span = 0,9 iliyo karibu na kifuniko. Katika usawa wa bahari, mtiririko wa kasi ndogo kwa kiasi kikubwa ulizuiliwa karibu na ukuta na kwenye kutoka kwa njia. Katika 20 km, ukanda wenye mwendelezo zaidi wa kasi ndogo uliendelea katika sehemu za kati na nyuma za uso wa kunyonya; katika 25 km ukanda huu uliungana na eneo la kasi ndogo kwenye ukingo wa nyuma.

Uwiano wa eneo lenye nambari ndogo ya Mach:

\[ R_{Ma<0.4} = \frac{A(Ma<0.4)} {A_{\mathrm{span}}} \times100 \]

ulifafanuliwa.

Katika Mchoro 14, sehemu iliyo karibu na kifuniko inaonekana kuwa na uwiano mkubwa zaidi wa eneo la kasi ndogo katika miinuko yote. Baada ya 20 km, uwiano wa eneo katika sehemu hii ulibaki takriban thabiti, lakini umbo la mtiririko na muundo wa mtengano uliendelea kuzorota. Kwa hiyo, asilimia ya eneo pekee haielezi kikamilifu ukubwa wa tatizo la mtiririko.

Mtengano wa ndani uliendelea wapi?

Katika Mchoro 15, mistari ya mtiririko ya sehemu ya span = 0,9 imelinganishwa. Katika usawa wa bahari, mistari kwa kiasi kikubwa ni iliyopangwa na endelevu. Kadiri mwinuko unavyoongezeka, mistari ya mtiririko katika sehemu za kati na nyuma za njia ilikusanyika kuelekea uso wa kunyonya na mkengeuko wa pembeni ukaongezeka.

Katika ulinganisho uliokuzwa wa Mchoro 16, katika 0 km mistari imepinda lakini haitengenezi muundo uliofungwa wa mzunguko wa kurudi. Katika 25 km, mistari ya mtiririko karibu na uso wa kunyonya upande wa kifuniko ilipinda na kuunda eneo la mtengano wa ndani unaofanana na vorteksi pamoja na mzunguko wa kurudi.

Matokeo haya yanaunga mkono hatua tatu za kwanza za mlolongo wa mekanika:

1. Kuchelewa kwa mpito wa turbulent,
2. Kudhoofika kwa usafirishaji wa momentamu karibu na ukuta,
3. Kujikusanya na kutengana kwa kiowevu chenye momentamu ndogo chini ya gradieni hasi ya shinikizo.

Mtiririko mkuu wa pande tatu na mfumo wa vorteksi ulibadilikaje?

Mistari ya mtiririko ya pande tatu katika Mchoro 17 inaonyesha kwamba katika usawa wa bahari mtiririko mkuu una mpangilio mzuri zaidi katika njia nzima. Katika 20 na 25 km, eneo la kasi ndogo lilipanuka, mistari ya mtiririko ilikengeuka zaidi kuelekea uso wa kunyonya na kifuniko, na mzunguko wa ndani ukaongezeka.

Katika Mchoro 18, uga wa nambari ya Mach na viini vya vorteksi vya kigezo cha Q vinaonyeshwa pamoja. Katika usawa wa bahari, miundo ya vorteksi iko zaidi karibu na ncha ya bapa na kifuniko, katika mikanda iliyo na mwendelezo kiasi. Katika mwinuko mkubwa, viini vya vorteksi vilienea kuelekea ndani ya njia na kuunda jiometri iliyotawanyika zaidi.

Eneo la kiini cha vorteksi lililonormalishwa:

\[ A_Q^* = \frac{A_Q} {A_{Q,0\mathrm{km}}} \]

lilihesabiwa kwa uhusiano huu.

Mchoro 19 unaonyesha kwamba upeo wa anga wa isosurfaces za kiini cha vorteksi huongezeka kadiri nambari ya Reynolds inavyopungua. Kipimo hiki hakilinganishi nguvu ya kuzunguka ya vorteksi au ukubwa wa vorticity, bali eneo la isosurface lililofafanuliwa katika kizingiti kilekile cha Q. Aidha, matokeo yanawakilisha topolojia ya vorteksi iliyowastaniwa kwa muda katika suluhisho la RANS la hali tulivu.

Uharibifu ndani ya impela ulihamishwaje hadi difuza?

Pembe ya mtiririko kati ya kutoka kwa impela na kuingia kwa difuza ilihesabiwa kutokana na vipengele vya kasi vya radial na vya kuzunguka. Pembe chanya inaonyesha usafirishaji wa kawaida wa radial kuelekea nje, huku pembe hasi ikiashiria mkengeuko usio wa kawaida au mtiririko wa kurudi wa ndani ambapo kipengele cha kasi ya radial hubadilika mwelekeo.

Katika Mchoro 20, katika hali ya 25 km eneo lenye pembe hasi linaonekana kupanuka kwa kiasi kikubwa kando ya kifuniko. Uwiano wa eneo uliongezeka kwa pointi 6,60 za asilimia, huku pembe ya chini kabisa ikifikia mkengeuko wa kurudi ulio mkali zaidi.

Katika difuza yenye vani, pembe ya mtiririko wa kuingia huamua ulinganifu kati ya mtiririko unaoingia na ukingo wa mbele wa bapa ya difuza. Pembe za kuingia zinazotofautiana katika mwelekeo wa kuzunguka na wa span zinaweza kuongeza pembe ya mashambulizi ya ndani, kuziba, mtengano na hasara ya uchanganyaji. Kwa hiyo, athari ya mtengano wa kasi ndogo ndani ya impela haiishii kwenye kutoka kwa impela, bali huhamishiwa kwenye hasara ya difuza.

Mekanika iliyounganishwa ya hasara iliyoonyeshwa na utafiti

1. Kadiri mwinuko unavyoongezeka, msongamano na nambari ya Reynolds hupungua.
2. Mpito wa lamina-turbulent kwenye uso wa bapa huchelewa.
3. Mabadilishano ya momentamu karibu na ukuta hudhoofika.
4. Kiowevu cha kasi ndogo hujikusanya hasa kwenye uso wa kunyonya upande wa kifuniko.
5. Mtengano wa ndani na mzunguko wa kurudi huendelea chini ya gradieni hasi ya shinikizo.
6. Mwingiliano kati ya uvujaji wa ncha, mtiririko wa pili na maeneo ya mtengano huimarika.
7. Viini vya vorteksi huenea ndani ya njia na mpangilio wa mtiririko mkuu huharibika.
8. Kasi hasi ya radial na kutofautiana kwa pembe ya mtiririko huongezeka kwenye kutoka kwa impela.
9. Ulinganifu wa kuingia kwa difuza huzorota; mtengano, uchanganyaji na hasara za urejeshaji wa shinikizo huongezeka.
10. Hasara za impela na difuza huongezeka pamoja na kupunguza ufanisi wa hatua pamoja na masafa ya kazi.

Hitimisho zinazoungwa mkono na utafiti

• Kupungua kwa nambari ya Reynolds kutoka 5,70 × 10⁵ hadi 2,28 × 10⁴ kulipunguza uwiano wa shinikizo, ufanisi na uwezo wa mtiririko katika modeli ya kihesabu.
• Ufanisi wa juu kabisa wa isentropiki ulipungua kutoka 0,87 hadi 0,76.
• Kigezo kisicho na vipimo cha entropia cha hatua kiliongezeka kwa %13,3.
• Wakati hasara ya difuza ilikuwa kubwa zaidi katika usawa wa bahari, sehemu ya hasara ya impela iliongezeka katika mwinuko mkubwa.
• Katika 25 km, kuzuiwa kwa mpito kulionekana wazi katika span nzima ya impela.
• Uwiano wa eneo lenye nambari ndogo ya Mach karibu na kifuniko uliongezeka kutoka takriban %30 hadi %42.
• Mtengano wa ndani na mzunguko wa kurudi uliendelea kwenye uso wa kunyonya upande wa kifuniko.
• Eneo la kiini cha vorteksi lililonormalishwa liliongezeka kutoka 1,000 hadi 1,206.
• Eneo lenye pembe hasi ya mtiririko kwenye kuingia kwa difuza liliongezeka kutoka %9,32 hadi %15,92.
• Pembe ya chini kabisa ya kuingia ilipungua kutoka −20,3° hadi −64,5°.
• Uhusiano thabiti wa kimekanika uliwekwa kati ya uharibifu wa mtiririko kwenye kutoka kwa impela na ongezeko la hasara ya difuza.

Hitimisho ambazo utafiti haujathibitisha

• Haijaonyeshwa kwa majaribio kwamba modeli inatabiri utendaji kamili wa kompresa halisi katika 20 au 25 km kwa usahihi uleule.
• Nukta za mwisho zenye mtiririko mdogo za mikunjo ya sifa si kikomo halisi cha surge.
• Haijatatuliwa jinsi nambari ndogo ya Reynolds inavyobadilisha seli za stall zinazotegemea muda na mwingiliano wa rotor–stator.
• Kuongezeka kwa eneo la kiini cha vorteksi hakumaanishi kwamba nguvu ya vorteksi imeongezeka kwa uwiano uleule.
• Haijathibitishwa moja kwa moja kwamba ongezeko lote la hasara ya difuza linatokana tu na pembe hasi za kuingia.
• Haijabainishwa kwamba jiometri tofauti za kompresa zitaonyesha sehemu zilezile za hasara au miinuko ileile ya kizingiti.
• Uharibifu halisi wa kuingia wakati wa ndege, unyevunyevu, chembe, kuganda kwa barafu na kutofautiana kwa halijoto havijachunguzwa.
• Uhamishaji wa joto katika bapa au kifuniko haujamodeliwa.
• Mkazo wa kimuundo, uchovu, dinamiki ya rota na usalama wa kimitambo havijatathminiwa.
• Jiometri mpya iliyoboreshwa au udhibiti wa mtiririko wa majaribio kwa maeneo nyeti yaliyopendekezwa haujatengenezwa.

Nguvu za utafiti

Nguvu ya utafiti ni kwamba badala ya kutafsiri mikunjo ya jumla ya utendaji peke yake, hasara za hatua, impela na difuza zimechunguzwa kwa pamoja katika modeli moja. Kugawanya ongezeko la entropia kwa vipengele kunapunguza maelezo ya kipengele kimoja yanayodai kwamba nambari ndogo ya Reynolds huathiri difuza pekee au impela pekee.

Nguvu ya pili ni kwamba ongezeko la hasara limefuatiliwa kwa viashiria vingi vya mtiririko vinavyokamilishana. Hali ya kutokea kwa vipindi vya mpito, eneo lenye nambari ndogo ya Mach, mistari ya mtiririko, viini vya vorteksi vya kigezo cha Q na pembe ya kuingia kwa difuza zimetathminiwa katika mlolongo uleule wa kimekanika.

Nguvu ya tatu ni kwamba uthibitishaji msingi kwa majaribio ya NASA haukuachwa kwenye kufanana kwa kuona kwa mikunjo pekee; mkengeuko wa uwiano wa shinikizo, ufanisi na mtiririko wa wingi uliripotiwa kwa nambari.

Vikwazo vikuu

Modeli haijathibitishwa kwa majaribio katika miinuko mikubwa. Katika uthibitishaji wa 0 km, hitilafu ya wastani ya uwiano wa shinikizo ni %8,00 na hitilafu ya ufanisi ni %5,56. Kiwango hiki cha hitilafu kinapunguza uwezekano wa kutafsiri tofauti ndogo za utendaji katika mwinuko mkubwa kwa usahihi kamili.

Utafiti unategemea RANS ya hali tulivu na modeli ya Frozen Rotor ya njia moja. Athari za muda za kupita kwa bapa, kutofautiana kwa pete kamili, mwanzo wa stall na dinamiki ya surge hazitatuliwi moja kwa moja.

Jiometri ya NASA CC3 ilijengwa upya kutoka kuratibu zilizochapishwa. Tofauti ndogo za kijiometri na kifaa halisi cha majaribio, kutokuwa na uhakika wa nafasi ya ncha na hali za mipaka zinaweza kuchangia tofauti za uthibitishaji.

Kuta zote zilichukuliwa kuwa adiabatic. Athari ya halijoto ya ukuta na uhamishaji wa joto kwenye tabia ya mpito katika ndege za mwinuko mkubwa haikutathminiwa ndani ya upeo wa utafiti huu.

Hali za kuingia zinategemea thamani za anga sanifu. Ingizo la hewa la ndege halisi, uendeshaji wake, kumeza tabaka la mpaka au uharibifu wa kuingia wa mazingira haukuongezwa kwenye modeli.

Baadhi ya marejeo ya fasihi katika sehemu ya utangulizi yameharibika kwa namna ya “Error! Reference source not found.” Hali hii haibadilishi moja kwa moja matokeo ya utafiti, lakini ni tatizo la uumbizaji linalopaswa kurekebishwa kwa ajili ya ufuatiliaji wa vyanzo na maandalizi ya uchapishaji.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa mbinu ya kihesabu

Mabadiliko makuu ya utendaji

Ujumbe wa kisayansi wa michoro

• Mchoro 1: Unaonyesha mwonekano wa kijiometri wa juu, wa mbele na wa mwinuko wa kompresa ya NASA CC3.
• Mchoro 2: Unaonyesha eneo la hesabu linalojumuisha bapa kuu, bapa ya kati, nafasi ya ncha, nyuso za mara kwa mara na difuza yenye vani.
• Mchoro 3: Unaonyesha kwamba thamani za \(y^+\) kwenye kuta za impela ziliwekwa chini kwa ajili ya utatuzi wa karibu na ukuta.
• Mchoro 4: Unaonyesha kwamba baada ya jumla ya seli kufikia takriban 494.000, uwiano wa shinikizo unaonyesha unyeti mdogo kwa uboreshaji zaidi wa gridi.
• Mchoro 5: Unalinganisha sifa za uwiano wa shinikizo za kihesabu na za majaribio, pamoja na maeneo kuu ya kazi na maeneo karibu na choking.
• Mchoro 6: Unaonyesha ulinganifu wa mikunjo ya ufanisi wa isentropiki ya kihesabu na ya majaribio katika eneo kuu la kazi.
• Mchoro 7: Unaonyesha kwamba mikunjo ya uwiano wa shinikizo husogea chini na kuelekea viwango vidogo vya mtiririko kadiri mwinuko unavyoongezeka.
• Mchoro 8: Unaonyesha kwamba ufanisi wa juu kabisa na masafa ya kazi yenye ufanisi mkubwa hupungua kadiri mwinuko unavyoongezeka.
• Mchoro 9: Unaonyesha mgawanyo wa ongezeko la entropia kati ya impela na difuza na uwiano wa michango unaobadilika na mwinuko.
• Mchoro 10: Unaonyesha kwamba ufanisi wa hatua, impela na difuza hupungua kati ya 10–25 km; hasara kubwa zaidi ya ufanisi wa kipengele hutokea katika difuza.
• Mchoro 11: Unaonyesha kwamba maeneo yenye kiwango kidogo cha kutokea kwa vipindi katika nafasi tatu za span hupanuka kando ya uso wa bapa kadiri mwinuko unavyoongezeka.
• Mchoro 12: Unaonyesha kwamba uwiano wa eneo lenye kiwango kidogo cha kutokea kwa vipindi huongezeka kwa kasi hasa baada ya 20 km.
• Mchoro 13: Unaonyesha kwamba eneo lenye nambari ndogo ya Mach katika sehemu iliyo karibu na kifuniko huongezeka kando ya uso wa kunyonya na kutoka kwa njia.
• Mchoro 14: Unaonyesha kwamba uwiano wa eneo la kasi ndogo huongezeka katika nafasi zote za span na thamani ya juu kabisa hubaki karibu na kifuniko.
• Mchoro 15: Unaonyesha kwamba mpangilio wa mistari ya mtiririko huzorota kadiri mwinuko unavyoongezeka na mkengeuko wa pembeni kuelekea uso wa kunyonya huongezeka.
• Mchoro 16: Unaonyesha kwamba mzunguko wa kurudi wa ndani ulio wazi, ambao haukuwepo katika usawa wa bahari, hujitokeza katika 25 km.
• Mchoro 17: Unaonyesha kwamba mtiririko mkuu wa pande tatu ndani ya impela huwa umetawanyika na kutokuwa na mpangilio zaidi katika mwinuko mkubwa.
• Mchoro 18: Unaonyesha kwamba maeneo ya kasi ndogo yanaingiliana zaidi na viini vya vorteksi vya kigezo cha Q na vorteksi huenea ndani ya njia.
• Mchoro 19: Unaonyesha kwamba eneo la kiini cha vorteksi lililonormalishwa huongezeka kutoka 1,000 hadi 1,206 kadiri mwinuko unavyoongezeka.
• Mchoro 20: Unaonyesha kwamba katika 25 km maeneo yenye pembe hasi ya mtiririko kwenye kuingia kwa difuza ni mapana na makali zaidi.

Tafsiri ya kimetodolojia

Matokeo ya utafiti yanaonyesha kwamba athari ya nambari ndogo ya Reynolds haipaswi kutathminiwa kama mgawo rahisi wa kusahihisha ufanisi. Athari ya mnato kwanza hubadilisha tabaka la mpaka, kisha muundo wa mtiririko wa pande tatu ndani ya njia, na hatimaye ulinganifu wa vipengele.

Hasa uso wa kunyonya upande wa kifuniko, kutoka kwa impela na kuingia kwa difuza zimetambuliwa kama maeneo muhimu. Tafiti za usanifu za baadaye zinapaswa kutathmini kwa pamoja malengo yafuatayo badala ya kulenga tu kuongeza ufanisi wa impela peke yake:

• Kupunguza eneo la kasi ndogo karibu na kifuniko,
• Kuchelewesha mtengano katika sehemu ya nyuma ya uso wa kunyonya,
• Kupunguza kuenea kwa vorteksi za uvujaji wa ncha ndani ya njia,
• Kulinganisha vizuri zaidi pembe ya mtiririko wa kutoka kwa impela na bapa za difuza,
• Kuboresha impela na difuza kwa mfumo jumuishi.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti:Low-Reynolds-number effects on a transonic centrifugal compressor under near-space conditions: Performance degradation and coupled impeller–diffuser loss evolution

Waandishi na mpangilio wao: Shaohua Lv; Yunxiao Wang; Shen Gao; Siwei Li; Yanxing Zhao; Maoqiong Gong.

Taarifa ya mwandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa: Haipo katika utafiti.

Mwandishi anayewajibika: Yanxing Zhao.

Mahusiano ya taasisi:

1. State Key Laboratory of Cryogenic Science and Technology, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China.
2. School of Advanced Interdisciplinary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China.

DOI: 10.2139/ssrn.7201739.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Jarida: Hakuna jina la jarida lililopitiwa na wataalamu ambalo limekubaliwa au kuchapishwa lililotajwa katika utafiti.

Mchapishaji wa asili: Kwa kuwa hakuna uchapishaji wa mwisho uliopitiwa na wataalamu, hakuna mchapishaji wa makala aliyethibitishwa. SSRN ni jukwaa la preprint na ushiriki wa utafiti wa awali linaloendeshwa chini ya Elsevier.

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Aina ya chanzo: Preprint ya utafiti wa kihesabu wa pande tatu, RANS ya hali tulivu na modeli ya mpito, iliyothibitishwa katika usawa wa bahari kwa data za majaribio za NASA CC3.

Hali ya mapitio ya kitaalamu: Utafiti haujapitia mapitio ya kitaalamu. Matokeo yanapaswa kutathminiwa kama matokeo ya awali ya utafiti.

Kiungo rasmi cha chanzo:https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=7201739

Michango ya waandishi: Shaohua Lv: rasimu ya kwanza, uthibitishaji, programu na upangaji wa data; Yunxiao Wang: mapitio-uhariri, uchambuzi rasmi na uundaji wa dhana; Shen Gao: mapitio-uhariri na mbinu; Siwei Li: mapitio-uhariri na mbinu; Yanxing Zhao: mapitio-uhariri, rasilimali, uchambuzi rasmi na uundaji wa dhana; Maoqiong Gong: usimamizi na rasilimali.

Msaada wa kifedha: Utafiti ulifadhiliwa na ruzuku namba 52322602 na 52227811 za National Natural Science Foundation of China.

Mgongano wa maslahi: Waandishi waliripoti kuwa hakuna maslahi ya kifedha yanayojulikana au uhusiano binafsi unaoweza kuathiri utafiti.

Maelezo haya ya Kiswahili yaliandaliwa baada ya kuchunguza kurasa 65 za utafiti uliopakiwa; taarifa za kichwa na waandishi, milinganyo, majedwali sita, Mchoro 1–20, maeneo ya mtiririko yenye azimio kubwa yaliyoongezwa, grafu za utendaji, miundo ya gridi, mgawanyo wa kutokea kwa vipindi, maeneo ya nambari ya Mach, mistari ya mtiririko, viini vya vorteksi na ramani za pembe ya kuingia kwa difuza. Maudhui ya kisayansi yametegemezwa tu kwenye mbinu, matokeo ya kihesabu na tathmini za utafiti wenyewe.

Ukaguzi wa vyanzo vya nje ulitumika tu kwa uthibitishaji wa kibibliografia wa jina la asili, waandishi, rekodi ya SSRN, DOI na hali ya preprint. Matokeo ya nje ya aerodinamiki ambayo hayapo katika utafiti hayakuongezwa kwenye maelezo.

Vikwazo vikuu vya kimetodolojia ni kutokuwepo kwa uthibitishaji huru wa majaribio katika hali za mwinuko mkubwa, kutoweza kwa mbinu ya RANS ya hali tulivu na Frozen Rotor kutatua mwingiliano wa rotor–stator unaotegemea muda, kutoweza kubainisha mipaka halisi ya stall na surge, matumizi ya modeli ya mara kwa mara ya njia moja, kuchukuliwa kwa kuta kuwa adiabatic, na kutokuzingatiwa kwa uharibifu halisi wa kuingia wakati wa ndege.

“Uwiano wa juu kabisa wa shinikizo unaoweza kuhesabiwa” katika utafiti haupaswi kutafsiriwa kama uwiano wa shinikizo katika kikomo halisi cha surge. Vivyo hivyo, eneo la kigezo cha Q lililonormalishwa linaeleza upeo wa anga wa viini vya vorteksi na halipimi moja kwa moja nguvu ya vorteksi.

Baadhi ya viungo vya fasihi katika sehemu ya utangulizi vimeharibika kwa namna ya “Error! Reference source not found.” Tatizo hili la uumbizaji wa marejeo linapaswa kurekebishwa wakati toleo la mwisho lililopitiwa na wataalamu linapoandaliwa.