Ин таҳқиқот дар компрессори меҳварии трансонии NASA Rotor 37 баррасӣ кардааст, ки интиқоли гармӣ байни муҳити ҷараён дар дохили компрессор ва қисмҳои сахт, аз қабили корпус, парра ва диск, ба кори ченшуда ва ҳисобшудаи компрессор чӣ гуна таъсир мерасонад. Дар таҳқиқот чор конфигуратсияи ададӣ муқоиса шудаанд: девори адиабатӣ, корпуси изотермӣ дар ҳарорати 288,15 K, интиқоли ҳамбастаи гармӣ, ки танҳо корпусро дар бар мегирад, ва интиқоли ҳамбастаи гармӣ, ки минтақаҳои сахти корпус-парра-дискро дар бар мегирад. Шартҳои ҳаддии гармӣ таносуби умумии фишорро танҳо ба андозаи маҳдуд тағйир додаанд, аммо тақсимоти ҳарорати умумиро, махсусан дар наздикии қисми марказӣ ва корпуси берунӣ, инчунин каҷҳои самаранокиро, ки бо усули анъанавӣ ҳисоб шудаанд, ба таври назаррас тағйир додаанд. Бо вуҷуди ин, таҳқиқот нишон медиҳад, ки тамоми тағйироти самаранокии аз фарқи ҳарорат ҳисобшударо ҳамчун тағйироти талафоти аэродинамикӣ шарҳ додан мумкин нест.

Муҳимтарин натиҷаи термодинамикӣ ин аст, ки вақте гармии аз ҷараён ба минтақаҳои сахт гузашта ба ҳисоби самаранокии эквивалентии адиабатӣ дохил карда мешавад, каҷҳои самаранокии чор конфигуратсия ба андозаи зиёд ба ҳам наздик мешаванд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки қисми муҳими фарқҳои байни каҷҳои анъанавии самаранокӣ на аз тағйироти воқеии барнагаштпазирии ҷараён, балки аз ба ҳисоб нагирифтани ҷараёни гармӣ дар тавозуни энергия сар мезанад. Конфигуратсияи интиқоли ҳамбастаи гармии корпус-парра-диск, ки ҳамчун варианти ба ҳолати физикӣ наздиктарин арзёбӣ шудааст, дар ҳисоби анъанавии самаранокӣ танҳо тақрибан %0,3 беҳбудӣ ба вуҷуд овардааст; дар таҳқиқот алоҳида шарҳ дода нашудааст, ки ин қимат нуқтаи фоизии мутлақ аст ё тағйироти нисбӣ.

Натиҷаҳои майдони ҷараён инчунин нишон медиҳанд, ки интиқоли гармӣ комилан бетаъсир нест. Дар ҳалли ҳамбастаи корпус-парра-диск кори парра ва таносуби умумии фишор дар наздикии қисми марказӣ кам, вале пайваста афзудаанд ва оғози ҷудошавии кунҷии канори ақиб дар сатҳи ҷаббиши парра ба таъхир афтодааст. Баръакс, гарчанде шарти корпуси изотермӣ ба каҷи таҷрибавии самаранокӣ наздиктар менамояд, он нисбат ба ҳалли воқеии интиқоли ҳамбастаи гармӣ хунуккунии хеле бештар ба вуҷуд оварда, профили ҳарорати девори нӯгиро ба дараҷае тағйир додааст, ки бо раванди физикӣ мувофиқат намекунад. Аз ин рӯ, танҳо наздикӣ ба каҷи таҷрибавии самаранокии умумӣ дурустии физикии шарти ҳаддии девори интихобшударо исбот намекунад.

Натиҷаҳо танҳо ба таҳлили ададии геометрияи NASA Rotor 37, ки аз як зина ҷудо карда шудааст ва асосан дар %80 суръати тарҳрезӣ анҷом ёфтааст, такя мекунанд. Таҳқиқот preprint мебошад; он таҷрибаи интиқоли ҳамбастаи гармиро, ки бо ченкуниҳои мустақими ҳарорати ҷисми сахт ё ҷараёни гармӣ тасдиқ шудааст, таҳлили компрессори бисёрзинагӣ ё санҷиши саҳроӣ дар шароити воқеии муҳаррик пешниҳод намекунад. Аз ин рӯ, натиҷаҳо бояд дар доираи фарзияҳои муайяни модел ва шартҳои ҳаддӣ арзёбӣ шаванд.

Аҳамияти эҳтимолӣ аз нигоҳи Туркия

Дар таҳқиқот маҷмӯи додаҳо ё натиҷаи татбиқии мустақим марбут ба Туркия вуҷуд надорад. Бо вуҷуди ин, натиҷаи методологӣ барои таҳқиқоти турбинаҳои газӣ, муҳаррикҳои ҳавопаймо ва компрессорҳои баландсуръате, ки метавонанд дар Туркия анҷом дода шаванд, муҳим аст: наздик шудани модели динамикаи ҳисоббарории моеъҳо ба каҷи таҷрибавии самаранокӣ ҳатман маънои онро надорад, ки шарти ҳаддии гармии истифодашуда аз ҷиҳати физикӣ дуруст аст. Барои интиқол додани натиҷаҳо ба корҳои тарҳрезӣ дар Туркия, моделҳои ҳамбаста бояд бо таҷрибаҳое, ки дар онҳо ҳарорати корпус, парра ва диск чен мешавад, санҷида шаванд; суръатҳо, зинаҳо ва нуқтаҳои кори гуногун омӯхта шаванд; инчунин таъсири профили радиалии ҳарорат аз баромади зинаи аввал ба мувофиқати зинаҳои баъдӣ арзёбӣ гардад. Таҳқиқот кори самаранок, эътимоднокӣ ё муваффақияти саноатии ягон муҳаррики маҳаллиро исбот намекунад.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Саволи асосии таҳқиқот ин аст, ки интиқоли гармӣ байни ҷараён ва сатҳҳои сахт дар компрессор ду натиҷаи гуногунро чӣ гуна аз ҳам ҷудо мекунад: якум, талафоти воқеии аэродинамикӣ ва кори парраи компрессор; дуюм, самаранокии намоёни термодинамикӣ, ки аз ҳароратҳои даромад ва баромад ҳисоб мешавад. Гарчанде дар ҳисобҳои компрессор сатҳҳои парра, қисми марказӣ ва корпуси берунӣ аксаран адиабатӣ қабул карда мешаванд, дастгоҳҳои таҷрибавӣ ва муҳаррикҳои воқеӣ бо муҳити атроф мубодилаи гармӣ доранд. Аз ин рӯ, тағйироти ҳарорати умумии баромад метавонад на танҳо кори механикии ба ҷараён додашуда ё талафоти аэродинамикӣ, балки гармии аз сатҳҳои сахт гузаштаро низ дар бар гирад.

Таҳқиқотчиён махсусан ин фарқро баррасӣ кардаанд: оё беҳтар мувофиқ шудани шарти корпуси берунии изотермӣ ба каҷи таҷрибавии самаранокӣ маънои онро дорад, ки ин шарт интиқоли воқеии физикии гармиро дуруст ифода мекунад, ё ин мувофиқат танҳо аз ба таври сунъӣ паст кардани ҳарорати баромад ба вуҷуд меояд?

Чаро таҳқиқот муҳим аст?

Таносуби умумии фишор, ҳарорати баромад, самаранокӣ ва ҳадди устувории компрессор нишондиҳандаҳои асосии кори муҳаррик ё тарҳрезии турбинаи газӣ мебошанд. Вақте гармии аз деворҳо ба берун хориҷшуда ҳарорати баромадро паст мекунад, муодилаи анъанавии самаранокии адиабатӣ метавонад самаранокии баландтар нишон диҳад. Аммо ин афзоиш маънои онро надорад, ки мавҷҳои зарбавӣ, қабатҳои сарҳадӣ, ҷараёни ихроҷи нӯгӣ ё минтақаҳои ҷудошавӣ дар гузаргоҳи парра воқеан беҳтар шудаанд.

Ин фарқ дар компрессорҳои бисёрзинагӣ боз ҳам муҳимтар аст. Профили радиалии ҳарорат дар баромади як зина шарти даромади зинаи баъдиро ташкил медиҳад. Ҳатто агар таносуби умумии фишор хеле кам тағйир ёбад, тағйироти тақсимоти ҳарорат дар наздикии қисми марказӣ ё корпуси берунӣ метавонад ба мувофиқати байни зинаҳо таъсир расонад. Таҳқиқот ин таъсири бисёрзинагиро мустақим ҳисоб накарда, онро ҳамчун мавзӯи таҳқиқоти оянда муайян кардааст.

Компрессор ва шароити кори баррасишуда

Объекти таҳқиқот NASA Rotor 37 мебошад, ки аз ҷониби NASA Glenn Research Center таҳия шуда, ҳамчун зинаи даромадии компрессори ҳаштзинагии ядроӣ тарҳрезӣ шудааст. Rotor 37 ротори ҷудошудаи компрессори меҳварӣ мебошад, ки дар режими трансонӣ кор мекунад, таносуби паҳлуии паст дорад ва дорои 36 парраи шаклашон камонҳои сершумори доиравӣ мебошад.

Расми 1 парраи ротор, қисми марказӣ, корпуси берунӣ, минтақаҳои даромад ва баромадро ҳам дар шакли сеандоза ва ҳам дар ҳамвории меридионалӣ нишон медиҳад. Дар намуди меридионалӣ дарозии меҳварии минтақаи ҳисоббарорӣ тақрибан 14,86 cm дода шудааст.

Чор конфигуратсияи гармии муқоисашуда

Мувофиқи таърифҳои усул ва Расми 2, мувофиқати дурусти конфигуратсияҳо ҳамин аст. Аммо дар баъзе ҷумлаҳои бахши натиҷаҳо тавсифҳои конфигуратсияҳои 2 ва 3 омехта шудаанд. Илова бар ин, гарчанде дар бахши натиҷаҳо конфигуратсияи 4 баъзан ҳамчун “корпус-диск CHT” кӯтоҳ карда шудааст, дар бахши усул ба таври равшан гуфта шудааст, ки минтақаи сахти парра низ ба ҳал дохил карда шудааст.

Ҳалли ададӣ чӣ гуна иҷро шудааст?

Муодилаҳои сеченакаи Reynolds-миёнаи Navier-Stokes дар минтақаи ҷараён ва муодилаҳои интиқоли гармӣ дар минтақаҳои сахт бо нармафзори CFX 2025 ҳал шудаанд. Барои ҷараёни мураккаби фишурдашаванда модели турбулентии интиқоли таниши буришӣ (shear stress transport, SST) ва коркарди автоматии девор истифода шудааст. Ҳадҳои конвексия ва турбулентӣ бо схемаи баланддақиқӣ дискретӣ шудаанд.

Аз сабаби такроршавии геометрияи ротор дар самти даврӣ, як гузаргоҳи парра ва шарти даврияти гардишӣ истифода шудааст. Дар даромад фишори умумӣ 101,325 kPa, ҳарорати умумӣ 288,15 K ва ҷараёни меҳварӣ муайян карда шуда, дар баромад фишори статикӣ татбиқ шудааст. Барои девори корпуси берунӣ шарти девори зиддигардиш, ва дар интерфейсҳои ҷараён-сахт бошад равиши frozen-rotor, ки пайвастагии ҳарорат ва ҷараёни гармии нормалиро таъмин мекунад, истифода шудааст. Маводи ҳамаи минтақаҳои сахт пӯлод қабул шудааст.

Дар нуқтаҳои кори интихобшудаи наздик ба самаранокии баландтарин ва наздик ба ҳадди ноустуворӣ ҳисобҳои вобаста ба вақт иҷро шудаанд. Таҳқиқотчиён гузориш додаанд, ки ин ҳисобҳо нисбат ба ҳалли устувор таносуби умумии фишори каме пасттар ва самаранокии баландтар дода, ба натиҷаҳои таҷрибавӣ наздик шудаанд. Аммо ҷузъиёте, аз қабили қадами вақт, давомнокии умумии физикии ҳал ва мустақилияти шабака аз рӯйи вақт, дар матн оварда нашудаанд.

Муодилаи энергияи минтақаи сахт

Интиқоли энергия дар минтақаи сахт бо муодилаи зерин ифода шудааст:

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

Дар ин ҷо ρ зичӣ, h энталпияи хос, t вақт, U_s суръати ҳаракати минтақаи сахт, λ гармигузаронӣ, T ҳарорат ва S_E манбаи ҳаҷмии энергияро ифода мекунад. Ҳадҳои тарафи чап ҷамъшавии энергия дар ҷисми сахт ва интиқоли энергия бо ҳаракати ҷисми сахтро; ҳади гузариши тарафи рост бошад гармии дар дохили ҷисми сахт аз сабаби градиенти ҳарорат паҳншавандаро ифода мекунад. Агар манбаи ҳаҷмии гармӣ мавҷуд бошад, таъсири он бо S_E ба ҳисоб гирифта мешавад.

Муодилаи конвексияи сатҳи берунӣ

Ҷараёни гармии аз сатҳи корпуси берунӣ ё диск ба муҳит гузаранда бо робитаи зерин ҳисоб шудааст:

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

q ҷараёни гармӣ аз воҳиди масоҳати сатҳ буда, бо воҳиди W/m² ифода мешавад. h_c коэффисиенти интиқоли гармӣ тавассути конвексия буда, воҳидаш W/(m²·K) мебошад. T_o ҳарорати муҳити берунӣ ва T_w ҳарорати деворро нишон медиҳад. Аломат вобаста ба фарқи ҳарорат байни муҳити берунӣ ва девор самти ҷараёни гармиро нишон медиҳад.

Дар матни асосӣ коэффисиенти корпуси берунӣ барои конвексияи табиӣ 25 W/(m²·K) нишон дода шудааст, дар ҳоле ки дар Расми 2(b) 15 W/(m²·K) навишта шудааст. Номувофиқии байни ин ду қимат дар матн шарҳ дода нашудааст. Ҳарорати муҳити берунӣ дар ҳар ду ҳолат 288,15 K аст. Расми 2(c), ки ҳалли корпус-парра-дискро нишон медиҳад, барои сатҳи берунии диск қимати тақрибан 1100 W/(m²·K)-ро нишон медиҳад.

Робитаи Nusselt барои диски гардишкунанда

Барои муайян кардани коэффисиенти конвексия дар сатҳи берунии диск робитаи таҷрибавии барои дискҳои собит ва гардишкунанда додашуда истифода шудааст:

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

Nu_r адади Nusselt вобаста ба мавқеи радиалӣ ва Re_r адади маҳаллии Reynolds-ро ифода мекунанд, ки ҳар ду бузургиҳои бебуъд мебошанд. Адади Nusselt таносуби интиқоли гармӣ тавассути конвексияро ба интиқоле, ки танҳо тавассути гузариш сурат мегирад, ифода мекунад. Дараҷаи 0,8-и адади Reynolds нишон медиҳад, ки бо зиёд шудани суръати гардиш ва ҷараён конвексия ба таври ғайрихаттӣ пурзӯр мешавад.

Самаранокии анъанавии адиабатӣ

Муодилаи анъанавии самаранокии адиабатӣ, ки барои муқоисаи кори таҷрибавӣ ва ададӣ истифода шудааст, чунин аст:

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

η_ad самаранокии адиабатӣ, π таносуби умумии фишор, γ таносуби гармии хос, T_t,1 ҳарорати умумии даромад ва T_t,2 ҳарорати умумии баромадро нишон медиҳад. Муодила афзоиши идеалии изентропии ҳароратро барои афзоиши муайяни фишор бо афзоиши воқеии ҳарорати умумӣ муқоиса мекунад.

Ин таъриф дар ҳолате, ки аз деворҳо гармӣ намегузарад, аз ҷиҳати термодинамикӣ дуруст аст. Вақте ҷараён ба сатҳҳои сахт гармӣ медиҳад, ҳарорати баромад танҳо бо кори компрессор муайян намешавад. Аз ин рӯ, талафи гармӣ метавонад афзоиши ҳароратро дар махраҷ кам карда, ҳатто бидуни тағйир ёфтани талафоти воқеии аэродинамикӣ самаранокии зоҳиран баландтар ба вуҷуд орад.

Самаранокии эквивалентии адиабатӣ

Барои баргардонидани ҷараёни гармӣ ба тавозуни энергия ҳарорати умумии эквивалентии баромад ва самаранокии эквивалентии адиабатӣ муайян шудаанд:

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

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

T′_t,2 ҳарорати умумии эквивалентии баромад аст, ки барои таъсири интиқоли гармӣ ислоҳ шудааст. Q интиқоли умумии гармиро аз майдони ҷараён ба минтақаҳои сахт, ṁ сарфи массавӣ ва C_p иқтидори гармии хос дар фишори собитро нишон медиҳад. Ҳади Q/(ṁC_p) эквиваленти ҳароратии энергияест, ки аз як воҳиди массаи ҷараён ба ҷисми сахт мегузарад.

Бо як қиёси оддӣ, ҳисоби анъанавӣ ҳарорати ҳавои аз компрессор баромадаро танҳо натиҷаи кори мошин мешуморад. Ҳисоби эквивалентӣ бошад гармии ба корпус додаи ҳаворо дубора ба тавозуни энергия илова карда, кӯшиш мекунад кори компрессорро аз таъсири хунуккунии девор ҷудо кунад.

Афзоиши энталпияи умумӣ ва кори парраи Euler

Афзоиши энталпияи умумии ҷараён бо муодилаи зерин ҳисоб шудааст:

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

Δh_t афзоиши энталпияи умумӣ буда, бо J/kg ё kJ/kg ифода мешавад. Ин қимат аз зарби фарқи ҳарорати умумии даромад ва баромад ба иқтидори гармии хос ба даст меояд. Дар ҳолати мавҷудияти интиқоли гармӣ ин афзоиш ҳам кори иҷрокардаи ротор ва ҳам мубодилаи энергияи ҷараён бо сатҳҳои сахтро дар бар мегирад.

Кори хоси аз ҷониби парраҳои ротор ба ҷараён додашуда бо муодилаи турбомошинии Euler ҳисоб шудааст:

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

L_u кори парра ба як воҳиди масса, U суръати даврии маҳаллии парра ва V_t ҷузъи даврии суръати ҷараёнро ифода мекунад. Индексҳои 1 ва 2 мавқеъҳои даромад ва баромадро нишон медиҳанд. Дар ҳолати адиабатӣ фарқи байни Δh_t ва L_u бо соиши девор алоқаманд карда мешавад, дар ҳоле ки фарқи иловагӣ байни конфигуратсияҳои дорои интиқоли гармӣ гармии аз сатҳҳои сахт гузаштаро инъикос мекунад.

Робитаи конвексияи маҷбурӣ

Барои сенарияе, ки дар муҳаррики turbofan корпуси берунӣ метавонад ба ҷараёни босуръати баромади fan дучор шавад, коррелятсияи лавҳаи ҳамвор истифода шудааст:

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

Nu адади Nusselt, Re адади Reynolds ва Pr адади Prandtl-ро ифода мекунад. Адади Prandtl таносуби паҳншавии импулсро ба паҳншавии гармӣ нишон медиҳад. Дар таҳқиқот суръати ҷараёни берунӣ 100 m/s қабул шуда, бо ин робита барои корпуси берунӣ коэффисиенти конвексияи 250 W/(m²·K) ба даст оварда шудааст.

Мустақилияти шабака ва муқоисаи таҷрибавӣ

Барои минтақаҳои ҷараён ва сахт таҳқиқоти алоҳидаи мустақилияти шабака гузаронида шудаанд. Дар минтақаи ҷараён панҷ сатҳи шабака арзёбӣ шуда, дар фишори статикии собити баромади 105.000 Pa сарфи массавӣ, таносуби умумии фишор ва самаранокии изентропӣ назорат шудаанд. Баландии ҳуҷайраи аввалини назди девор дар ҳамаи конфигуратсияҳо 0,003 mm интихоб шуда, хабар дода шудааст, ки қимати y⁺ аз 3 паст нигоҳ дошта шудааст.

Вақте шабакаи ҷараён аз 1,05 миллион ба 1,22 миллион элемент зиёд карда шуд, тағйироти сарфи массавӣ дар ҳудуди 2×10⁻³ kg/s ва тағйироти самаранокии изентропӣ дар ҳудуди 4×10⁻⁴ боқӣ монд. Вақте шабакаи сахти корпус аз 65 ҳазор ба 79 ҳазор элемент зиёд карда шуд, тағйироти самаранокӣ дар ҳудуди 1×10⁻⁵ ва тағйироти ҷараёни гармии интегралӣ дар ҳудуди 7×10⁻⁴ W боқӣ монд.

Барои тавозун байни хароҷоти ҳисоббарорӣ ва дақиқӣ дар минтақаи ҷараён тақрибан 1,05 миллион, дар минтақаи сахти корпус 65 ҳазор ва дар минтақаи сахти диск 79 ҳазор элемент интихоб шудааст. Дар шабакаи ниҳоӣ дар тӯли баландии парра 87 ҳуҷайра ва дар дохили фосилаи нӯг 17 ҳуҷайраи радиалӣ мавҷуд аст. Расми 5 нишон медиҳад, ки шабака дар нӯги парра ва интерфейсҳои ҷараён-сахт зичтар карда шудааст.

Дар Расми 4 ҳалли адиабатӣ бо додаҳои таҷрибавии NASA Rotor 37 муқоиса шудааст. Шакли умумии каҷи таносуби фишор ба даст оварда шудааст, аммо қиматҳои ададӣ дар қисми зиёди доираи корӣ аз таносуби фишори таҷрибавӣ каме баландтар мондаанд. Гарчанде тамоюли каҷи самаранокӣ гирифта шудааст, самаранокии ададӣ аз қиматҳои таҷрибавӣ пасттар мондааст. Матн хабар медиҳад, ки инҳироф дар самаранокии баландтарини изентропӣ дар ҳудуди %3 ва инҳирофи дигар дар ҳудуди %1,5 аст; аммо дар ҷумла равшан гуфта нашудааст, ки таносуби дуюм ба таносуби умумии фишор ё ба меъёри дигар тааллуқ дорад.

Каҷҳои умумии кор чӣ нишон медиҳанд?

Паёми асосии Расми 6 ин аст, ки шартҳои интиқоли гармӣ таносуби умумии фишорро хеле кам, вале самаранокии бо муодилаи анъанавӣ ҳисобшударо ба таври намоён тағйир медиҳанд. Чор каҷи таносуби фишор дар тамоми доираи корӣ қариб пурра ба ҳам мувофиқ омадаанд. Нуқтаҳои охирини ҳисоби устувор низ ба ҳам наздик мондаанд; танҳо дар конфигуратсияи интиқоли ҳамбастаи гармии корпус бартарии хурди захираи устуворӣ гузориш шудааст.

Конфигуратсияи корпуси изотермӣ нисбат ба ҳалли адиабатӣ самаранокии анъанавии баландтар ба вуҷуд оварда, ба каҷи таҷрибавии самаранокӣ бештар наздик шудааст. Баръакс, моделҳои ҳамбастае, ки танҳо корпус ё корпус-парра-дискро бо гузариши воқеии ҷисми сахт ҳал мекунанд, таъсири гармии хеле маҳдудтар нишон додаанд. Дар конфигуратсияи 4, ки аз ҷиҳати физикӣ воқеӣтарин ҳисоб шудааст, афзоиши самаранокӣ тақрибан %0,3 гузориш шудааст.

Ин муқоиса нишон медиҳад, ки беҳтар мувофиқ шудани шарти изотермӣ ба таҷриба худ аз худ санҷиши физикӣ ҳисобида намешавад. Девори изотермӣ ҳарорати корпусро дар тамоми сатҳ ба 288,15 K маҷбур карда, нисбат ба он чизе, ки аз гузариши воқеии ҷисми сахт ва конвексияи берунӣ ба вуҷуд меояд, хунуккунии хеле бештар фароҳам кардааст.

Чаро самаранокии эквивалентӣ натиҷаи дигар медиҳад?

Дар Расми 7, вақте ҷараёни гармӣ ба ҳарорати эквивалентии баромад илова мешавад, чор каҷи самаранокии эквивалентии адиабатӣ ба андозаи зиёд ба ҳам мувофиқ меоянд. Ин нишон медиҳад, ки фарқи назарраси байни каҷҳои анъанавии самаранокӣ фарқи баробарҳаҷми барнагаштпазирии аэродинамикиро ифода намекунад. Ба ибораи дигар, самаранокии баланди зоҳирии корпуси изотермӣ асосан аз он ба вуҷуд меояд, ки гармии аз ҷараён хориҷшуда ҳамчун қисми кори компрессор ҳисоб намешавад.

Таҳқиқот қатъиян исбот намекунад, ки ҳамаи талафоти аэродинамикӣ тағйир наёфтаанд. Дар наздикии қисми марказӣ тағйироти хурд, вале ченшавандаи майдони ҷараён пайдо шудаанд. Бо вуҷуди ин, фарқи калони зоҳирӣ дар каҷи самаранокии умумӣ бо андозаи тағйироти аэродинамикӣ яксон нест.

Профилҳои радиалии фишор ва ҳарорат

Дар Расми 8 профилҳои таносуби умумии фишор дар шароити самаранокии баландтарин дар қисми зиёди баландии парра бо натиҷаҳои таҷрибавӣ тамоюли монанд нишон дода, байни чор конфигуратсияи гармӣ фарқи хеле кам доштанд. Дар намуди калонкардашудаи назди қисми марказӣ бартарии хурди таносуби умумии фишори конфигуратсияи 4 дида мешавад.

Аммо профилҳои таносуби умумии ҳарорат ба шарти ҳаддии гармӣ ҳассостаранд. Конфигуратсияи корпуси изотермӣ дар минтақаи болоии фосила, ки ба корпуси берунӣ наздик аст, бузургтарин пастшавии ҳароратро ба вуҷуд овардааст. Натиҷаҳои корпус CHT ва корпус-парра-диск CHT нисбат ба натиҷаи изотермӣ ба тамоюли таҷрибавии ҳарорат наздиктар мондаанд. Дар тақрибан %10 минтақаи наздиктарин ба қисми марказӣ, конфигуратсияи 4 аз сабаби интиқоли гармӣ тавассути диск ва парра профили ҳароратеро ба вуҷуд овардааст, ки аз конфигуратсияҳои дорои қисми марказии адиабатӣ фарқ мекунад.

Дар ҳолати наздик ба ҳадди ноустуворӣ дар Расми 9 рафтори монанд идома ёфтааст, аммо минтақаи радиалии зери таъсири интиқоли гармӣ дар наздикии корпуси берунӣ васеътар шудааст. Конфигуратсияи изотермӣ боз ҳам бузургтарин коҳиши ҳарорати умумиро дар наздикии корпуси берунӣ ба вуҷуд овардааст. Дар минтақаи қисми марказӣ фарқҳои хурди конфигуратсияи 4 дар таносуби умумии фишор ва тақсимоти энталпия нигоҳ дошта шудаанд.

Афзоиши энталпия, кори парра ва ҷараёни гармӣ

Расмҳои 10 ва 11 афзоиши энталпияи умумӣ ва кори парраи Euler-ро алоҳида нишон медиҳанд. Афзоиши энталпияи умумӣ, махсусан дар наздикии қисми марказӣ ва корпуси берунӣ, вобаста ба шарти ҳаддии гармӣ тағйир ёфтааст. Баръакс, профилҳои кори парра дар қисми зиёди фосила ба ҳам хеле наздик мондаанд. Ин натиҷа ақидаро дастгирӣ мекунад, ки тамоми тағйироти профили ҳарорат ва энталпия аз тағйироти кори механикии аз ротор ба ҷараён додашуда ба вуҷуд намеояд.

Дар конфигуратсияи 4 дар наздикии қисми марказӣ афзоиши хурди кори парра дида шудааст. Ин афзоиш бо баландшавии каме таносуби умумии фишор дар ҳамон минтақа ҳамроҳ будааст. Гарчанде конфигуратсияи 2 ҷараёни гармии хеле калонтар ба вуҷуд овардааст, он афзоиши монанди кори парра ё таносуби фишорро надодааст. Аз ин рӯ, танҳо хунуккунии бештар маънои кори аэродинамикии беҳтарро надорад.

Мавҷҳои зарбавӣ ва ҷудошавии ҷараён

Дар Расми 12 дида мешавад, ки дар шароити самаранокии баландтарин ҷудошавӣ дар сатҳи ҷаббиш аз наздикии канори ақиб оғоз ёфта, ба самти қисми марказӣ қавитар мешавад ва хусусияти ҷудошавии кунҷиро мегирад. Гарчанде дар боло аз тақрибан %20 баландии парра, дар атрофи тақрибан 0,4 хордаи меҳварӣ минтақаи таниши пасти буриши деворӣ мавҷуд аст, ҷараён дар шароити самаранокии баландтарин дубора ба сатҳ мепайвандад.

Дар Расми 13, ҳангоми наздик шудан ба ҳадди ноустуворӣ, ҷудошавӣ равшантар шуда, ҳубобчаи маҳаллии ҷудошавӣ ба вуҷуд меояд ва ҷараён дар мавқеи дуртар дубора ба сатҳ мепайвандад. Дар Расми 14 дида мешавад, ки зарбаи канори пеш дар буриши %90 фосила ба сатҳи ҷаббиш бархӯрда, бо қабати сарҳадӣ ҳамкорӣ мекунад ва ҷудошавиро оғоз медиҳад. Дар Расми 15 зарба дар буриши %10 фосила заифтар аст ва ҳамин навъи ҷудошавии аз зарба ба вуҷудомадаро ба вуҷуд намеорад.

Азбаски дар харитаҳои умумии рангӣ фарқ байни чор конфигуратсия хурд аст, дар Расми 16 каҷҳои таниши буриши деворӣ дар буришҳои муайяни радиалӣ муқоиса шудаанд. Дар %50 фосила мавқеъҳои ҷудошавӣ ва дубора пайвастшавӣ дар чор ҳал тақрибан яксонанд. Дар %10 фосила конфигуратсияи 4 оғози ҷудошавии кунҷии канори ақибро нисбат ба дигар конфигуратсияҳо ба таъхир андохтааст. Дар %90 фосила конфигуратсияи изотермӣ ҳамчун ҳале ба назар мерасад, ки ҷудошавии аз зарба ба вуҷудомадаро бештар ба таъхир меандозад; аммо ин натиҷа бояд бо маҳдудияте арзёбӣ шавад, ки шарти изотермӣ нисбат ба CHT воқеӣ хунуккунии ғайривоқеан қавӣ ба вуҷуд меорад.

Дар Расми 17 қиматҳои решаи миёнаи квадратии тағйироти фишори статикӣ дар буриши %10 фосила, наздик ба ҳадди ноустуворӣ, муқоиса шудаанд. Конфигуратсияи 4 майдони пасттарини тағйиротро ба вуҷуд овардааст ва таҳқиқотчиён инро ҳамчун натиҷае шарҳ додаанд, ки ба майдони ҷараёни устувортар дар наздикии қисми марказӣ ишора мекунад. Ин натиҷа барои тамоми компрессор кафолати таҷрибавии устуворӣ нест; он танҳо барои буриши ададӣ ва нуқтаи кори баррасишуда дуруст аст.

Таъсири конвексияи маҷбурӣ дар корпуси берунӣ

Вақте ба ҷои конвексияи табиӣ коэффисиенти конвексияи маҷбурии 250 W/(m²·K), ки ба ҷараёни берунии 100 m/s мувофиқ аст, татбиқ шуд, ҷараёни гармӣ аз корпуси берунӣ ба таври назаррас афзуд. Расми 18 нишон медиҳад, ки конфигуратсияи конвексияи маҷбурӣ дар баъзе минтақаҳои корпус нисбат ба конвексияи табиӣ ҷараёни мутлақи гармии баландтар ба вуҷуд овардааст.

Бо вуҷуди ин, тақсимоти таниши буриши девории корпуси берунӣ дар Расми 19 ба таври намоён тағйир наёфтааст. Таҳқиқотчиён дар кори умумии компрессор низ тағйироти назаррас муайян накардаанд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки афзоиши ҷараёни гармӣ аз хунуккунии сатҳи берунӣ сохтори аэродинамикии гузаргоҳи ҷараёнро ба ҳамон андоза тағйир намедиҳад.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• Равишҳои адиабатӣ, изотермӣ ва ду навъи интиқоли ҳамбастаи гармӣ дар як компрессор ва як шароити кор муқоиса шудаанд.
• Самаранокии анъанавӣ аз самаранокии эквивалентии барои ҷараёни гармӣ ислоҳшуда ҷудо карда шуда, хатои арзёбии термодинамикӣ намоён карда шудааст.
• Ғайр аз каҷҳои умумии кор, профилҳои радиалӣ, кори парра, афзоиши энталпия, таниши буриши деворӣ, адади Mach ва тағйироти фишор таҳлил шудаанд.
• Барои минтақаҳои ҷараён ва сахт таҳқиқоти мустақилияти шабака анҷом дода шудаанд.
• Ҳалли асосии адиабатӣ бо додаҳои таҷрибавии кори NASA Rotor 37 муқоиса шудааст.
• Нуқтаҳои интихобшудаи наздик ба ҳадди ноустуворӣ бо ҳалли вобаста ба вақт алоҳида таҳлил шудаанд.
• Илова ба конвексияи табиии корпуси берунӣ, сенарияи конвексияи маҷбурӣ арзёбӣ шудааст.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Таҳқиқот preprint аст ва аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст.
• Таҳлил бо як ротори ҷудошуда маҳдуд аст; статорҳо ва мувофиқати компрессори бисёрзинагӣ ҳисоб нашудаанд.
• Таҳлили муфассал асосан ба %80 суръати тарҳрезӣ тамаркуз кардааст.
• Ҳамаи минтақаҳои сахт пӯлод қабул шудаанд; маводи воқеии қисмҳо, муқовиматҳои тамос ва рӯйпӯшҳо моделсозӣ нашудаанд.
• Коэффисиенти конвексияи корпуси берунӣ бо фарзияҳои эмпирикӣ муайян шудааст ва қимати конвексияи табиӣ байни матн ва Расми 2 номувофиқ аст.
• Санҷиши CHT бо ченкунии мустақими таҷрибавии ҳарорати корпус, парра ва диск ё ҷараёнҳои гармӣ пешниҳод нашудааст.
• Равиши даврияти гардишии якгузаргоҳӣ сохторҳои ҷараёни аз ҷиҳати даврӣ асимметриро ифода карда наметавонад.
• Равиши SST-RANS ҳамаи миқёсҳои гузарои турбулентӣ ва ҷудошавиро мустақим ҳал намекунад.
• Дар интерфейси ҷараён-сахт равиши frozen-rotor истифода шудааст.
• Қадами вақт, давомнокии намунагирӣ ва ҷузъиёти ҳамгароии вақтӣ барои ҳисобҳои вобаста ба вақт дода нашудаанд.
• Ҳадди ноустувории ададӣ аз рӯйи он муайян шудааст, ки зиёд кардани фишори баромад ба 100 Pa боиси вайрон шудани ҳал мегардад; ин таъриф бо ченкунии таҷрибавии rotating stall ё surge яксон нест.
• Танҳо мустақилияти шабака муфассал пешниҳод шудааст; барои хосиятҳои мавод, коэффисиенти конвексияи берунӣ ва модели турбулентӣ таҳлили ҳамаҷонибаи номуайянӣ дода нашудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Шартҳои ҳаддии гармӣ метавонанд ба ҳарорати умумии баромад ва махсусан ба профили радиалии ҳарорат дар наздикии деворҳои нӯгӣ ба таври назаррас таъсир расонанд.
• Самаранокии анъанавии компрессор, ки бе ба ҳисоб гирифтани ҷараёни гармӣ ҳисоб мешавад, метавонад тағйироти талафоти аэродинамикиро аз воқеият калонтар нишон диҳад.
• Вақте ҷараёни гармӣ ба самаранокии эквивалентии адиабатӣ дохил карда мешавад, фарқи самаранокӣ байни чор конфигуратсия ба андозаи зиёд кам мешавад.
• Таносуби умумии фишор байни чор конфигуратсияи гармӣ танҳо тағйироти хурд нишон додааст.
• Дар ҳалли корпус-парра-диск CHT оғози ҷудошавӣ дар наздикии қисми марказӣ ба таъхир афтода, кори парра ва таносуби фишор каме афзудаанд.
• Наздиктар будани натиҷаи корпуси изотермӣ ба самаранокии умумии таҷрибавӣ худ аз худ дурустии физикии шарти ҳаддиро исбот намекунад.
• Конвексияи маҷбурӣ дар корпуси берунӣ ҷараёни гармиро зиёд кардааст, аммо дар шароити баррасишуда кори умумиро ба таври намоён тағйир надодааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот исбот намекунад

• Таҳқиқот исбот намекунад, ки шарти корпуси изотермӣ дар компрессори воқеӣ шарти ҳаддии дуруст аст.
• Тағйироти самаранокии тақрибан %0,3 маънои беҳбуди масрафи сӯзишворӣ ё иҷрои вазифа дар миқёси муҳаррики воқеиро надорад.
• Ба таъхир афтодани ҷудошавии ададӣ мустақиман афзоиши таҷрибавии stall margin ё surge limit-ро исбот намекунад.
• Натиҷаҳои як роторро мустақим ба компрессорҳои бисёрзинагии фишори баланд умумӣ кардан мумкин нест.
• Таҳқиқот муваффақияти саҳроиро дар муҳаррик, ҳавопаймо ё иншооти энергетикии муайян нишон намедиҳад.
• Хулоса баровардан мумкин нест, ки хунуккунии маҷбурии берунӣ дар ҳар суръат, ҳар компрессор ё дар фарқҳои ҳарорати калонтар бетаъсир аст.
• Модели ададӣ арзёбии устувории дарозмуддат, таниши гармӣ, хастагӣ ё муҳлати хизмати қисмро пешниҳод намекунад.
• Таҳқиқот кафолати бехатарӣ ё кори тарҳи тиҷоратии компрессорро таъмин намекунад.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Хулосаи техникии усул

Хулосаи муқоисавии натиҷаҳои асосӣ

Арзёбии умумии илмӣ

Қавитарин натиҷаи таҳқиқот нишон додани зарурати ҷудо кардани мубодилаи энергияи гармӣ аз талафоти аэродинамикӣ ҳангоми шарҳи самаранокии компрессор мебошад. Гарчанде шарти корпуси изотермӣ натиҷаи ба қимати таҷрибавии самаранокӣ наздиктар медиҳад, профилҳои муфассали ҳарорат ва ҳалли ҳамбаста нишон медиҳанд, ки ин мувофиқат интиқоли физикии гармиро дуруст ифода намекунад.

Аз нуқтаи назари майдони ҷараёни маҳаллӣ, интиқоли гармӣ комилан пассив нест. Ба ҳал дохил кардани минтақаҳои сахти парра ва диск ба ҳарорат, оғози ҷудошавӣ, тағйироти фишор ва кори парра дар наздикии қисми марказӣ таъсирҳои хурд расондааст. Аммо ин беҳбудиҳои маҳаллӣ барои шарҳ додани тамоми фарқи дар каҷҳои анъанавии самаранокӣ дидашуда кофӣ калон нестанд.

Хулосаи таҳқиқот дар бораи компрессорҳои бисёрзинагӣ пешгӯӣ мебошад: азбаски профили ҳарорати девори нӯг ба таври назаррас тағйир меёбад, ҳарорати даромад ва мувофиқати зинаҳои баъдӣ метавонад таъсир бинад. Ин механизм дар таҳқиқоти мазкур мустақим санҷида нашудааст. Дар оянда геометрияи бисёрзинагӣ, фарқҳои калонтари ҳарорати газ-сахт ва моделҳои CHT, ки бо ҳароратҳои ченшудаи ҷисми сахт санҷида шудаанд, заруранд.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи аслии таҳқиқот: The Effect of Heat Transfer on the Compressor Performance

Муаллифон ва тартиби онҳо: Xuegao Wang; Hongwei Yan; Yuze Liu; You Zuo; Xinqian Zhen; Baotong Wang.

Муаллифи баробари аввал: Дар таҳқиқот маълумот дар бораи муаллифии баробари аввал ё саҳми баробар оварда нашудааст.

Муаллифи масъул: Hongwei Yan. Дар матн суроғаи почтаи электронии муаллифи масъул lepidum@outlook.com дода шудааст.

Мувофиқати муаллиф ва муассиса:

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

Номҳои муассисаҳо то ҳадди имкон дар шакле, ки дар таҳқиқот оварда шудаанд, ҳифз шудаанд. Дар матн барои баъзе муассисаҳо навишти “Chinese Academy of Sciences” ва барои баъзе дигар “Chinese Academic of Science” истифода шудааст; ин фарқи навишт пинҳонӣ ба як шакл табдил дода нашудааст.

DOI: 10.2139/ssrn.7201740

Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқотии preprint бо хусусияти моделсозии ададӣ ва симулятсия.

Платформаи нашр: SSRN.

Маҷалла: Дар ин версия номи маҷаллаи ҳамтоёбӣ оварда нашудааст ва версияи нашршудаи маҷалла тасдиқ нашудааст.

Ношир: Ношири ҷудогонаи аслии маҷалла вуҷуд надорад. SSRN платформаи preprint ва таҳқиқоти ибтидоии марбут ба Elsevier мебошад; ин сабт нашри ниҳоии маҷаллаи ҳамтоёбӣ нест.

Соли нашр: 2026.

Вазъи ҳамтоёбӣ: Ин таҳқиқот preprint аст ва аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст. Дар ҳар саҳифаи матн огоҳии “Preprint not peer reviewed” мавҷуд аст.

Пайванди расмии манбаъ: https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=7201740

Дастрасии додаҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки додаҳо бо дархост пешниҳод мешаванд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки ягон манфиати молиявии маълум ё муносибати шахсие, ки метавонад ба таҳқиқот таъсир расонад, вуҷуд надорад.

Ёддошт оид ба саҳми муаллифон: Гарчанде дар сатри муаллифони мақола шаш таҳқиқотчӣ ҳастанд, дар изҳороти саҳми CRediT танҳо вазифаҳои Xuegao Wang ва Hongwei Yan шарҳ дода шудаанд. Барои Xuegao Wang танзими додаҳо, таҳқиқот ва навиштани тарҳи аввал; барои Hongwei Yan таҳлили формалӣ, бозбинӣ ва таҳрир нишон дода шудаанд. Нақшҳои саҳмии Yuze Liu, You Zuo, Xinqian Zhen ва Baotong Wang дар ин версия алоҳида шарҳ дода нашудаанд.

Ин шарҳи тоҷикӣ бо баррасии пурраи таҳқиқоти 15-саҳифагии боршуда аз аввал то охир омода шудааст. Усули илмӣ, қиматҳои ададӣ, муодилаҳо, расмҳо ва натиҷаҳо танҳо аз мундариҷаи пешниҳодшуда дар таҳқиқот гирифта шудаанд. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи библиографии DOI, сабти SSRN, хусусияти платформа ва вазъи ҳамтоёбӣ истифода шудаанд; ба натиҷаҳои илмии мақола аз берун натиҷаи нав илова нашудааст.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот инҳоянд: аз арзёбии ҳамтоён нагузаштан, ба геометрияи як ротори ҷудошуда асос ёфтан, тамаркузи таҳлилҳои муфассал дар %80 суръати тарҳрезӣ, пешниҳод накардани санҷиши мустақими таҷрибавии CHT бо ҳароратҳои воқеии ҷисми сахт ва ҷараёнҳои гармӣ, ҳисоб накардани мувофиқати бисёрзинагӣ ва мавҷудияти номувофиқиҳои дохилии матн дар коэффисиенти конвексияи табиӣ ва баъзе номгузориҳои конфигуратсия. Натиҷаҳо бояд бо дарназардошти ин маҳдудиятҳо хонда шаванд.