變幾何動(dòng)力渦輪全流場(chǎng)數(shù)值模擬

變幾何動(dòng)力渦輪全流場(chǎng)數(shù)值模擬

根據(jù)適應(yīng)性指南技術(shù)（bo），變幾何動(dòng)態(tài)輥可以有效調(diào)節(jié)和優(yōu)化汽車座件之間的匹配，提高氣輪的變異點(diǎn)的性能。因此，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于世界各地：1978年，通用汽車公司開發(fā)了采用變幾何動(dòng)態(tài)輥技術(shù)的gt-250d汽車輪機(jī)。由于低轉(zhuǎn)換率r的入口溫度顯著提高，gt-25型汽車輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能得到了有效提高。1983年，王仲奇等人根據(jù)線路曲線法制定了計(jì)算程序，研究了變幾何動(dòng)態(tài)軸技術(shù)對(duì)高原氣橋運(yùn)動(dòng)的影響。在此基礎(chǔ)上，使用了dac-iiim葉片網(wǎng)絡(luò)損失模型。1985年，日本放松市市長(zhǎng)takagai根據(jù)dac和c-42c英速變動(dòng)圈損失模型的1級(jí)流程序預(yù)測(cè)了多音速變化幾何動(dòng)態(tài)軸的動(dòng)態(tài)性能，但基于c-42c葉網(wǎng)絡(luò)損失模型的計(jì)算提供了更好的計(jì)算和計(jì)算。1989年,美國(guó)Solar和Caterpiller公司聯(lián)合研制了采用變幾何動(dòng)力渦輪技術(shù)的Solar5650型艦船燃?xì)廨啓C(jī),盡管僅采用了回?zé)岷蚔AN技術(shù),它的油耗卻減小到了當(dāng)時(shí)中速柴油機(jī)的水平;1991年,美國(guó)海軍開始設(shè)計(jì)發(fā)展新一代船用燃?xì)廨啓C(jī)—WR-21,由于采用了間冷、回?zé)岷蚔AN3大關(guān)鍵技術(shù)并有機(jī)配合使用,從而使WR-21相比于簡(jiǎn)單循環(huán)LM2500燃?xì)廨啓C(jī),不僅輸出功率增加,額定功率下的耗油率降低,而且在大部分功率范圍內(nèi)具有一平坦的耗油率曲線.如今WR-21艦船燃?xì)廨啓C(jī)已應(yīng)用于英國(guó)海軍45型防空導(dǎo)彈驅(qū)逐艦,并進(jìn)一步擬將其應(yīng)用于綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng).艦船燃?xì)廨啓C(jī)變幾何動(dòng)力渦輪技術(shù)研究具有現(xiàn)實(shí)的國(guó)防意義和重要的應(yīng)用前景.基于求解N-S方程的三維粘性數(shù)值方法與基于葉柵損失模型的一維或二維的數(shù)值方法相比,可以提供比較精確的流場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息,已經(jīng)成為葉輪機(jī)械氣動(dòng)設(shè)計(jì)和流動(dòng)分析的有力工具,為縮短設(shè)計(jì)周期,降低試驗(yàn)及生產(chǎn)成本,提高葉輪機(jī)械效率做出了重要貢獻(xiàn).基于葉輪機(jī)械全三維粘性數(shù)值模擬技術(shù),文中首先對(duì)原設(shè)計(jì)的定幾何動(dòng)力渦輪進(jìn)行全工況四級(jí)聯(lián)算,然后再對(duì)變幾何動(dòng)力渦輪的全工況氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析.通過(guò)深入分析變幾何動(dòng)力渦輪典型非設(shè)計(jì)工況下的三維粘性流動(dòng)特性,以期為該型艦船燃?xì)廨啓C(jī)變幾何動(dòng)力渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)提供定性的理論依據(jù),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索艦船燃?xì)廨啓C(jī)變幾何動(dòng)力渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)律.1sst模型及邊界條件經(jīng)過(guò)Favre平均三維粘性可壓縮N-S方程在一般曲線坐標(biāo)系(ξ,η,ζ)下可寫為如下形式:?Q?t+?(E?EV)?ξ+?(F?FV)?η+?(G?GV)?ζ=S?(1)Q=J?1[rρrρuθrρurrρuzre]T.?Q?t+?(E-EV)?ξ+?(F-FV)?η+?(G-GV)?ζ=S?(1)Q=J-1[rρrρuθrρurrρuzre]Τ.式中:E、F、G為對(duì)流通量;EV、FV、GV為粘性通量;S為源項(xiàng),計(jì)及了離心力和科氏力的影響;uθ、ur和uz分別為柱坐標(biāo)下θ、r和z方向的絕對(duì)速度分量;ρ為密度;e為總內(nèi)能;J為轉(zhuǎn)換雅可比行列式;動(dòng)力粘性系數(shù)μ由Sutherland公式計(jì)算,湍流渦粘系數(shù)μt由1994年Menter提出的SST雙方程湍流模型計(jì)算.若分別以Φ1、Φ2、Φ3表示k-ω模型和k-ε模型及SST模型中的函數(shù)關(guān)系,則SST雙方程湍流模型可簡(jiǎn)單表示為Φ3=F1Φ1+(1?F1)Φ2.(2)Φ3=F1Φ1+(1-F1)Φ2.(2)由式(2)可知:雙方程SST湍流模型實(shí)質(zhì)上是Menter通過(guò)引用一個(gè)混合函數(shù)F1把k-ω模型和k-ε模型合并而成的一個(gè)新模型,其中F1=tanh(a41).在該模型中,為獲得正確的輸運(yùn)特性,定義渦粘系數(shù)為μ1=α1k/max(α1ω,ΩF2),這里Ω是渦量的絕對(duì)值,F2是類似于F1的一個(gè)混合函數(shù),F2=tanh(a2222);其它相關(guān)量表達(dá)式如下:a1=min(max(k√β?ωy?500vy2ω),4ρσω2kCkωy2)?Ckω=max(2ρσω21ω?k?xj?ω?xj,1.0×10?10)?a2=max(2k√β?ωy,500vy2ω).a1=min(max(kβ?ωy?500vy2ω),4ρσω2kCkωy2)?Ckω=max(2ρσω21ω?k?xj?ω?xj,1.0×10-10)?a2=max(2kβ?ωy,500vy2ω).雙方程SST模型渦粘系數(shù)的定義限制了邊界層內(nèi)過(guò)高的剪切應(yīng)力,使之滿足Bradshaw關(guān)于剪切應(yīng)力的假設(shè)τ=ρα1k,反映了一定的非線性效應(yīng),從而精確地考慮湍流切應(yīng)力的輸運(yùn),并更精確地模擬各種壓力梯度下的分離現(xiàn)象.從理論和計(jì)算的觀點(diǎn)講,雙方程SST模型綜合了近壁k-ω模型的穩(wěn)定性及邊界層外部k-ε獨(dú)立性的優(yōu)點(diǎn),它的計(jì)算模擬性能優(yōu)于后兩者.計(jì)算中模型常量取值見文獻(xiàn).在文中的計(jì)算中給定渦輪進(jìn)口總溫、總壓、絕對(duì)氣流角分布、出口背壓;在葉片內(nèi)、背弧和上下端壁施加無(wú)滑移條件,并應(yīng)用了溫度的法向梯度為零的條件;求解葉柵流場(chǎng)時(shí)還采用了周期性邊界條件;求解N-S方程時(shí),對(duì)流項(xiàng)數(shù)值格式采用線型分布對(duì)稱迎風(fēng)格式(LPS)加物理對(duì)流修正(PAC);粘性項(xiàng)采用中心差分格式;為加快程序的計(jì)算速度采用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù).2葉片網(wǎng)格結(jié)構(gòu)計(jì)算靜動(dòng)葉片采用合理的分區(qū)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格:繞葉型采用O型網(wǎng)格以保證壁面網(wǎng)格的正交性及提高葉片前緣、尾緣的網(wǎng)格質(zhì)量;動(dòng)葉頂間隙區(qū)域采用“鑲嵌”式網(wǎng)格結(jié)構(gòu).計(jì)算靜葉片網(wǎng)格徑向取46個(gè)網(wǎng)格點(diǎn);動(dòng)葉片徑向取54個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)、葉頂間隙取9個(gè)網(wǎng)格點(diǎn);單列靜、動(dòng)葉片網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)分別約為10萬(wàn)個(gè)及14萬(wàn)個(gè),總的計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)約95萬(wàn)個(gè).計(jì)算中靜動(dòng)葉片排軸向間隙未作延伸處理,葉片排首尾通過(guò)“混合平面”相連.設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)全流場(chǎng)的最大計(jì)算殘差均收斂到10-4以下.圖1為整個(gè)渦輪的計(jì)算網(wǎng)格.3葉柵內(nèi)部公車面流場(chǎng)分布由圖2可見,對(duì)原設(shè)計(jì)定幾何動(dòng)力渦輪總體性能的計(jì)算結(jié)果與可以利用的設(shè)計(jì)參數(shù)符合較好,其中橫坐標(biāo)以額定功率無(wú)量綱化.對(duì)定幾何動(dòng)力渦輪進(jìn)行的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也基本與此相一致,這里不再給出有關(guān)曲線.由此可見,文中采用的三維粘性流動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)具有較高精度,可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)文中算例艦船燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪的總體氣動(dòng)性能.由變幾何動(dòng)力渦輪的效率變化曲線可以看出,與定幾何動(dòng)力渦輪相比,低工況時(shí)變幾何動(dòng)力渦輪效率降低了1%～5%.這里效率降低的大小與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果基本一致.實(shí)際上,在變幾何動(dòng)力渦輪的運(yùn)行中,當(dāng)渦輪的功率減小時(shí),可調(diào)導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)角相應(yīng)逐漸關(guān)小.而對(duì)比圖2的效率變化曲線可見:隨著渦輪功率減小,變幾何動(dòng)力渦輪的效率比定幾何動(dòng)力渦輪的效率降低得更快,特別在50%及30%工況時(shí),變幾何動(dòng)力渦輪的效率比定幾何動(dòng)力渦輪的效率分別降低了2.5%和4.5%,而在變幾何動(dòng)力渦輪可調(diào)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角的選取中,此時(shí)可調(diào)導(dǎo)葉僅僅進(jìn)一步關(guān)小了1°.因此,如下主要分析在30%及50%工況下變幾何動(dòng)力渦輪可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)的三維粘性流動(dòng)特性,以分析由于可調(diào)導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致變幾何動(dòng)力渦輪的效率下降的流場(chǎng)機(jī)理.由圖3可見,在較低工況時(shí),由于可調(diào)導(dǎo)葉的關(guān)小,變幾何動(dòng)力渦輪的可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉趨向在較大的正沖角下運(yùn)行;而可調(diào)導(dǎo)葉吸力面的高亞聲速區(qū)也逐漸擴(kuò)大,這將導(dǎo)致可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)的流動(dòng)損失增大.由圖3中可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉下端壁的極限流線分布可見,當(dāng)動(dòng)葉在較大的正沖角下運(yùn)行時(shí),由于氣流在慣性作用下來(lái)不及折轉(zhuǎn)和受到來(lái)自壓力面分支氣流的排擠,引起葉片前緣近壁區(qū)域的主流流向大幅度改變和加速,導(dǎo)致氣流在葉柵前緣發(fā)生分離,形成了大尺度旋渦區(qū).在50%工況時(shí),分離渦渦心在葉片10%軸向弦長(zhǎng)處,分離渦長(zhǎng)度大于30%軸向弦長(zhǎng);而在30%工況時(shí),閉式分離渦的強(qiáng)度及尺度進(jìn)一步增大,分離渦渦心移向葉片下游35%軸向弦長(zhǎng)處,分離渦長(zhǎng)度增大到50%軸向弦長(zhǎng)范圍,并幾乎充斥了近二分之一的流道空間.分離渦流動(dòng)的發(fā)生必將嚴(yán)重降低葉柵的氣動(dòng)性能和改變渦輪的通流特性.由圖4中可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉吸力面表面極限流線分布可以看到:在動(dòng)葉片壓力面存在一條分離結(jié)點(diǎn)—鞍點(diǎn)—分離結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的分離線,這條分離線起始于奇點(diǎn),因此該分離為閉式分離,并與圖3(a)、(b)的泡式分離結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng);而由圖中動(dòng)葉片吸力面極限流線分布可以看到,在吸力面也存在一條分離結(jié)點(diǎn)—鞍點(diǎn)—分離結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的分離線,同樣對(duì)應(yīng)于閉式分離結(jié)構(gòu),在50%工況時(shí),分離線相對(duì)應(yīng)的分離結(jié)點(diǎn)均位于葉片中下部前緣附近,其中有一分離結(jié)點(diǎn)為螺旋結(jié)點(diǎn),而在30%工況時(shí),這條分離線更為明顯,并位于葉片中部.在50%工況時(shí),二次流動(dòng)的影響占據(jù)了動(dòng)葉的整個(gè)壓力面葉高,但只影響了葉片吸力面的下半部,自葉片展向中部一直到近葉片頂部,吸力面極限流線從前緣到尾緣平行流過(guò),沒有發(fā)生分離;而在30%工況時(shí),二次流動(dòng)的影響占據(jù)了整個(gè)葉片的壓力面和吸力面.對(duì)應(yīng)這2個(gè)非設(shè)計(jì)工況,盡管可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉處于較大的正沖角,但在葉片表面并沒有形成不可再附的開式分離,在葉片下端壁處形成的分離渦的閉式分離特性有效抑制了輪轂處大面積分離流動(dòng)的發(fā)生,由此動(dòng)葉片仍能維持正常的氣動(dòng)喉部,不過(guò)此時(shí)渦輪內(nèi)部的流動(dòng)特性顯著惡化.因此,對(duì)于文中變幾何動(dòng)力渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)而言,其可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉片的壓力面、吸力面需進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì),并需要特別的關(guān)注.由圖5可見,在50%工況時(shí),可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉片吸力面的閉式分離泡在葉片中部已經(jīng)耗散掉了,這與圖3、圖4計(jì)算結(jié)果相一致;然而在30%工況時(shí),可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉片吸力面的閉式分離泡依然存在,不過(guò)強(qiáng)度已經(jīng)有所減弱,從中也可以看出這與圖3、圖4計(jì)算結(jié)果相一致.值得說(shuō)明的是,在30%工況時(shí),計(jì)算所揭示的可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉流道內(nèi)的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)演變與著名的Langston實(shí)驗(yàn)葉柵在正沖角工況下分離流場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)比較吻合.實(shí)際上,對(duì)壁面附近流動(dòng)的研究,盡管非常有利于了解該區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)特點(diǎn),但要從物面的極限流線圖譜去推斷整個(gè)復(fù)雜流場(chǎng)狀況幾乎是不可能的.因此,如下圖6給出可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉流道內(nèi)的空間三維分離渦流場(chǎng),以及葉頂間隙的泄漏流場(chǎng)結(jié)構(gòu),以準(zhǔn)確揭示葉頂間隙泄漏渦、葉片吸力側(cè)脫落渦,上通道渦等之間的相互作用過(guò)程,及三維分離渦的演變.由圖6(a)、(b)可見,在50%工況時(shí),一個(gè)閉式三維分離渦在可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉下端壁前緣吸力面表面產(chǎn)生并做逆時(shí)針螺旋上升運(yùn)動(dòng),由于產(chǎn)生時(shí)強(qiáng)度較弱,從20%葉高起三維分離渦的渦心就不明顯了,在近50%葉高處就耗散掉,與來(lái)自相鄰葉片壓力面的流體相互作用,進(jìn)入主流向葉片尾緣流去;而在30%工況時(shí),三維分離渦強(qiáng)度很大,自葉片根部向葉頂一直做逆時(shí)針螺旋上升運(yùn)動(dòng),并保持封閉的“死區(qū)”結(jié)構(gòu),最后在葉片95%葉高處吸力面與一個(gè)由脫落渦引起的順時(shí)針強(qiáng)誘導(dǎo)渦強(qiáng)烈相互作用耗散掉進(jìn)入主流.由圖6(c)可見,在近葉頂區(qū)域,葉片前緣流道中的一部分流體由壓力面跨過(guò)頂部間隙向吸力面下游流去而形成泄漏渦,泄漏渦在向下游發(fā)展的過(guò)程逐漸遠(yuǎn)離葉片吸力側(cè),并進(jìn)入主流,不過(guò)在葉片前緣形成的脫落渦緊貼葉片吸力側(cè)表面向下游發(fā)展,因此脫落渦在向尾緣流去的過(guò)程中并沒有與泄漏渦發(fā)生強(qiáng)烈的摻混.然而,由圖中可以清晰地看到,由脫落渦引起的順時(shí)針強(qiáng)誘導(dǎo)渦在發(fā)展的過(guò)程中與流道內(nèi)的三維分離渦發(fā)生了強(qiáng)烈的摻混.三維分離渦與強(qiáng)誘導(dǎo)渦、泄漏渦與上通道渦等的相互作用將顯著改變可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉的通流特性.因此,至少應(yīng)對(duì)變幾何動(dòng)力渦輪的可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉片采取合理的端壁“修型”(endwallcontouring,3Dairfoildesign,etc)技術(shù)等,采用葉型三維優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,以有效提高葉片根部的抗分離流動(dòng)能力.可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉的葉型設(shè)計(jì)將是整個(gè)變幾何動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一.由于采用可調(diào)導(dǎo)葉技術(shù),在低工況時(shí)變幾何動(dòng)力渦輪也可以運(yùn)行在相對(duì)更高的進(jìn)口總溫、總壓下,整個(gè)機(jī)組的循環(huán)效率也可望有所提高,然而可調(diào)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的大攻角三維分離流動(dòng)使整個(gè)變幾何動(dòng)力渦輪的效率顯著地下降,而且渦輪效率的下降必然會(huì)抵消循環(huán)效率的提高.因此,可調(diào)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角范圍的確定不僅取決于變幾何動(dòng)力渦輪隨工況變化控制其流量改變的具體要求,而且也必須考慮到相應(yīng)可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉的攻角適應(yīng)能力,可調(diào)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角合理取值并實(shí)現(xiàn)可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)的良好匹配是變幾何動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù).實(shí)際上當(dāng)進(jìn)口參數(shù)提高時(shí),渦輪的出口溫度也會(huì)相應(yīng)提高,以該文的計(jì)算為例,在50%及30%工況下,變幾何動(dòng)力渦輪的出口溫度與定幾何動(dòng)力渦輪的相比分別升高了20℃左右,若將先進(jìn)的間冷回?zé)嵫h(huán)技術(shù)與變幾何動(dòng)力渦輪技術(shù)有機(jī)配合使用,必然會(huì)通過(guò)提高回?zé)嵝识岣哒麄€(gè)機(jī)組低工況的經(jīng)濟(jì)性,況且采用間冷回?zé)嵫h(huán)技術(shù),將大大有利于降低整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣紅外特性,從而極大地提高整個(gè)艦船的生命力.4變幾何動(dòng)力齒輪生長(zhǎng)特性及環(huán)保性能的確定根據(jù)對(duì)一個(gè)艦船燃?xì)廨啓C(jī)變幾何動(dòng)力渦輪多級(jí)環(huán)境下的全三維粘性流動(dòng)特性的數(shù)值分析,可得到以下結(jié)論:1)可調(diào)導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)角選取是變幾何動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.其轉(zhuǎn)角范圍的確定不僅取決于渦輪功率變化的要求及其與燃?xì)獍l(fā)生器的匹配,同時(shí)也取決于可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉柵的沖角適應(yīng)性.對(duì)本文變幾何動(dòng)力渦輪可調(diào)導(dǎo)葉級(jí)動(dòng)葉片的壓力面及吸力面的再設(shè)計(jì)需要特別的關(guān)注.2)在多級(jí)環(huán)境下,動(dòng)葉柵在較大正沖角下運(yùn)行時(shí),其下端壁附近吸力面出現(xiàn)的分離泡是由輪轂壁面附近的流體流入葉片通道時(shí)與來(lái)自壓力面