離心壓縮機(jī)模型級(jí)流動(dòng)數(shù)值分析

離心壓縮機(jī)模型級(jí)流動(dòng)數(shù)值分析

1cfd模型級(jí)的試驗(yàn)研究在離心式電機(jī)中，電機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對(duì)管道的特性起到了決定性的作用，同時(shí)發(fā)揮著過(guò)濾功能。設(shè)計(jì)葉輪的主要?dú)鈩?dòng)參數(shù),如流量系數(shù)、沖角、滑移系數(shù)、進(jìn)出口動(dòng)量矩變化等,在工程設(shè)計(jì)中通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算或進(jìn)行選取。然而,這也正是一元設(shè)計(jì)的不確定之處,為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性要進(jìn)行模型級(jí)的試驗(yàn)。鑒于目前CFD已能在滿(mǎn)足工程精度的范圍內(nèi)得到葉輪機(jī)械內(nèi)部的流場(chǎng)細(xì)節(jié),而且還能真實(shí)地反映離心式壓縮機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象,甚至還能夠預(yù)見(jiàn)理論分析和試驗(yàn)研究中尚未發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。國(guó)際上著名的公司已將CFD技術(shù)用于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)和進(jìn)行流場(chǎng)研究及性能預(yù)測(cè),這說(shuō)明CFD技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始由研究階段向?qū)嵱没姆较虬l(fā)展。本文利用一例試驗(yàn)研究用的離心壓縮機(jī)模型級(jí),并通過(guò)對(duì)模型級(jí)進(jìn)行定常流動(dòng)數(shù)值分析,再根據(jù)CFD的計(jì)算結(jié)果,分析了葉輪進(jìn)出口主要?dú)鈩?dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。通過(guò)反思一元設(shè)計(jì),可為工程設(shè)計(jì)提供參考。2幾何模型及邊界條件計(jì)算用離心式壓縮機(jī)模型級(jí),由進(jìn)口段、葉輪、葉片擴(kuò)壓器、蝸殼和出口段組成,如圖1a所示。葉輪外徑D2=0.4m;葉片數(shù)Z=21;葉片出口安裝角β2A=70°;葉片進(jìn)口安裝角β1A=33°;葉片出口相對(duì)寬度b2/D2=0.02595;葉片擴(kuò)壓器出口直徑D4=0.57525m;葉片擴(kuò)壓器出口寬度b4=0.0186m;葉片數(shù)Z=24;葉片擴(kuò)壓器進(jìn)口安裝角α3=18°;出口安裝角α4=31.5°。計(jì)算采用了四面體和六面體的混合網(wǎng)格系統(tǒng),蝸舌部分采用四面體網(wǎng)格,其他部分采用六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)為796882,總節(jié)點(diǎn)數(shù)為849629。計(jì)算網(wǎng)格如圖1b所示。求解可壓縮雷諾平均Navier_Stokes方程并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程紊流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算采用了多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系隱式方法,應(yīng)用STAR-CD并行版PROHPC軟件包。邊界條件:進(jìn)口邊界按照容積流量給定均勻來(lái)流速度,在出口給定局部單向化(OUTLET)條件,壁面均采用無(wú)滑移邊界條件,近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理,進(jìn)口紊動(dòng)能k1=0.005(U2112+V2112+W2112),耗散率ε1=k1.5111.5/(0.01D2)2。葉輪各葉道排序如圖1b,葉輪或葉道進(jìn)、出口的參量指葉輪或單個(gè)葉道進(jìn)、出口控制面上質(zhì)量的加權(quán)平均值。葉輪或葉道進(jìn)、出口質(zhì)量定義為Q=∫A(ρCr)idAQ=∫A(ρCr)idA質(zhì)量加權(quán)平均參量定義為?=∫A?i(ρCr)idA∫A(ρCr)idA?=∫A?i(ρCr)idA∫A(ρCr)idA其中?表示速度、動(dòng)量矩、進(jìn)口沖角等參量;?i為表面上每個(gè)小單元的參量;(Cr)i表示相應(yīng)單元的徑向速度;A表示垂直于(Cr)i的有效面積。3計(jì)算結(jié)果和分析3.1試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比試驗(yàn)研究是研究離心式壓縮機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特征的重要方法,也是驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的必要基礎(chǔ)。但是,不僅試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷?fù)雜、制造成本高、研制周期長(zhǎng)、工作量大、難以實(shí)現(xiàn)極端工作條件,而且試驗(yàn)方法還受到相關(guān)測(cè)試儀器安裝、測(cè)量和誤差等客觀條件的限制,使得離心式壓縮機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的試驗(yàn)研究非常困難,可用于驗(yàn)證葉輪數(shù)值計(jì)算的文獻(xiàn)資料也極少。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量分析,可以全面獲得氣動(dòng)性能參數(shù),具有真實(shí)可靠的優(yōu)點(diǎn)。因此,用CFD性能預(yù)測(cè)結(jié)果與氣動(dòng)性能試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果評(píng)估數(shù)值計(jì)算的工程精度。該模型級(jí)在轉(zhuǎn)速12000r/min時(shí),6種流量工況計(jì)算預(yù)測(cè)性能和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖2所示。從圖中看出,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。其中,工況1和工況2的誤差較大,原因是工況1和工況2位于大流量區(qū),計(jì)算預(yù)測(cè)到葉片擴(kuò)壓器的流道中局部出現(xiàn)跨超音速區(qū),所以預(yù)測(cè)結(jié)果有偏差。下面采用圖2中工況5的CFD結(jié)果進(jìn)行分析。3.2葉道內(nèi)部質(zhì)量流量分布通常,離心式壓縮機(jī)的工程設(shè)計(jì),即一元設(shè)計(jì),是假定各葉道質(zhì)量流量相等、各葉道的進(jìn)、出口平均參數(shù)相等。但是從多例CFD計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),一元設(shè)計(jì)的假定與實(shí)際不符。離心式壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特征,流場(chǎng)參數(shù),如速度、壓力、溫度以及導(dǎo)出參數(shù)的分布等,都取決于壓縮過(guò)程進(jìn)行的幾何條件及運(yùn)轉(zhuǎn)條件。其中,幾何條件對(duì)流場(chǎng)參數(shù)分布起著決定性作用。圖3給出了葉輪共21個(gè)葉道內(nèi)的相對(duì)質(zhì)量流量分布,這里相對(duì)是指與葉輪總流量之比。平均值為0.047619,各個(gè)葉道質(zhì)量流量偏離平均值的幅度在+6%～-7.6%之間。從圖中看出,葉道內(nèi)部質(zhì)量流量分布總體上呈現(xiàn)3個(gè)周期:從葉道1～7,對(duì)應(yīng)蝸殼截面的第一象限,位于蝸舌附近,這里幾何形狀特殊流動(dòng)狀況復(fù)雜,各葉道內(nèi)的質(zhì)量流量高于平均值;葉道8～15對(duì)應(yīng)蝸殼截面的第二、三象限,離蝸舌與排氣管較遠(yuǎn),該周期的平均流量與平均值持平;葉道15～21對(duì)應(yīng)在蝸殼截面的第四象限,連接排氣管,葉道內(nèi)的質(zhì)量流量低于平均值。各葉道質(zhì)量流量分布不均勻、呈現(xiàn)周期性的原因,主要是受蝸殼中流場(chǎng)分布的影響。一個(gè)級(jí)的流場(chǎng)是一個(gè)整體,局部流場(chǎng)分布的不均勻會(huì)影響其上、下游。由圖4可見(jiàn),沿圓周方向蝸舌截面速度矢量分布是不均勻的,隨著蝸殼圓周角的增大,速度下降、靜壓升高。由于蝸舌處有間隙,在壓差作用下產(chǎn)生從排氣管向蝸舌間隙的倒流,因而蝸殼截面的第一象限速度大、靜壓低,這種不均勻性一直影響到前面擴(kuò)壓器、葉輪和進(jìn)口段的流場(chǎng)。筆者曾將蝸殼改為一個(gè)幾何形狀對(duì)稱(chēng)的環(huán)形排氣室與擴(kuò)壓器連接,流場(chǎng)參數(shù)分布的不均勻性便得以改善。3.3葉道沖角分析圖5給出了各葉道進(jìn)口沖角的分布。平均約為+6°,正沖角偏大,可以認(rèn)為是工況5位于小流量區(qū)的原因,沖角變化幅度在3°左右。從圖可見(jiàn),沖角和流量的分布恰好相反,對(duì)應(yīng)大流量的葉道正沖角小,而小流量的葉道正沖角大。整個(gè)葉輪,沖角分布也呈現(xiàn)3個(gè)周期。由于葉輪的葉片進(jìn)口安裝角是相同的,所以要保證每個(gè)葉道進(jìn)口的沖角都落在最佳范圍是一難點(diǎn)。圖6給出了各葉道進(jìn)、出口截面C1u/u1的分布。通常離心式壓縮機(jī)的一元設(shè)計(jì),假定無(wú)進(jìn)口預(yù)旋器的級(jí)C1u=0。從圖中看出,在各葉道的進(jìn)口截面均存在正預(yù)旋,與假定不符。究其原因,是由于氣體存在慣性和粘性,慣性促使氣體跟隨葉輪一起旋轉(zhuǎn),而粘性阻止氣體跟隨葉輪一起旋轉(zhuǎn),在葉道中出現(xiàn)了與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的軸向漩渦。軸向漩渦會(huì)使葉輪出口相對(duì)速度的圓周分速度減小。從CFD計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),軸向漩渦同時(shí)也會(huì)使葉輪進(jìn)口相對(duì)速度的圓周分速度減小,從而誘導(dǎo)出正預(yù)旋。各個(gè)葉道內(nèi)C1u/u1的分布與圖5沖角的分布較相似,對(duì)應(yīng)大流量的葉道正預(yù)旋較小,對(duì)應(yīng)小流量的葉道正預(yù)旋較大。從圖中看出,雖然正預(yù)旋C1u/u1的值不大,但是當(dāng)u1比較大時(shí)就會(huì)影響葉輪的做功能力,從而影響了級(jí)的性能。3.4滑移系數(shù)cs圖7給出了各葉道C2u/C2u∞的分布。C2u∞是葉片數(shù)為無(wú)窮多,葉輪出口的氣流相對(duì)速度方向與葉片出口安裝角一致時(shí)葉輪出口氣流的圓周分速度。通常將μ=C2u/C2u∞稱(chēng)之為滑移系數(shù)。由于葉輪中的流動(dòng)狀況十分復(fù)雜,工程設(shè)計(jì)中,滑移系數(shù)根據(jù)由某些試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式確定,都有一定局限性。從圖中看出,滑移系數(shù)的平均值為0.84,各葉道C2u/C2u∞在平均值附近波動(dòng),波動(dòng)幅度不大。在流量大的葉道,C2u/C2u∞相應(yīng)較小,而流量小的葉道,C2u/C2u∞相應(yīng)較大。各葉道的進(jìn)、出口動(dòng)量矩變化C2uR2-C1uR1的分布如圖8所示。從圖中看出,各葉道葉輪的動(dòng)量矩變化在平均值附近浮動(dòng),幅度變化不大,和C2u/C2u∞的分布較相似。由于動(dòng)量矩的變化反映了葉輪對(duì)氣體做功能力的大小,大流量的葉道內(nèi)葉輪對(duì)氣流的做功減少,而在小流量的葉道,葉輪對(duì)氣流的做功能力較大。4流場(chǎng)參數(shù)分布隨幾何條件及運(yùn)轉(zhuǎn)條件分布的規(guī)律通過(guò)以上分析可知,離心式壓縮機(jī)葉輪內(nèi)部流動(dòng)狀況十分復(fù)雜,葉輪進(jìn)出口氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)遠(yuǎn)不像工程設(shè)計(jì)中假定的那么簡(jiǎn)單。葉輪各葉道質(zhì)量流量和進(jìn)口沖角不均勻,呈現(xiàn)周期性變化,主要是受蝸殼中流場(chǎng)分布的影響。一個(gè)級(jí)的流場(chǎng)是一個(gè)整體,局部流場(chǎng)分布不均勻會(huì)影響其上、下游元件內(nèi)的流動(dòng)。離心式壓縮機(jī)內(nèi)流場(chǎng)參數(shù)的分布,取決于壓縮過(guò)程進(jìn)行時(shí)的幾何條件及運(yùn)轉(zhuǎn)條件。其中,幾何條件對(duì)流場(chǎng)參數(shù)的分布起著決定性作用。雖然計(jì)算用離心式壓縮機(jī)模型級(jí)無(wú)進(jìn)口預(yù)旋器,但是由CFD的計(jì)算結(jié)果看出,各葉道的進(jìn)口截面均存在正預(yù)旋。由此推斷,軸向