離心壓氣機流場的數(shù)值分析研究

顏青欽 隋玉堂

摘 要:以某離心壓氣機葉輪為基礎(chǔ),通過反設(shè)計形成的幾何模型,采用湍流模型計算流場的湍流效應(yīng),對微型的離心壓氣機流場進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:采用大小葉片技術(shù)的葉輪在較寬的工作范圍內(nèi)有很好的性能,入口攻角增大以及葉尖間隙二次流與壓氣機葉輪流場的失速有直接的關(guān)系。

關(guān)鍵詞:離心壓氣機流場失速數(shù)值模擬

中圖分類號:TK402 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0080-02

由于級增壓比高,造價低,小尺寸的離心葉輪在汽車、電子等行業(yè)有了越來越多的應(yīng)用。對于微型葉輪機械,各種間隙、表面粗糙等和尺度相關(guān)的效應(yīng)在整個流場中占有的比例較大,是否滿足要求、如何改進,是關(guān)心的問題。由于流場參數(shù)測量困難、實驗耗費高,高速葉輪機械流場的數(shù)值仿真一直是實驗的有效補充。進行模擬研究具有重要的工程意義。

某型離心壓氣機為大小葉片高轉(zhuǎn)速壓氣機,為了控制成本、簡化生產(chǎn)工藝采用了較小的葉片進口角變化率和相對直的葉形。對葉輪進行測繪和反設(shè)計形成的三維幾何模型。

本文以測繪形成的幾何文件為基礎(chǔ),生成用于葉輪氣動計算的三維網(wǎng)格,對該葉輪的氣動性能進行計算,分析葉輪的特性參數(shù)及其流場并為下一步的改型提供參考。

1計算模型

利用多坐標(biāo)系技術(shù)處理旋轉(zhuǎn)葉輪中流場的計算,即將計算坐標(biāo)系置于旋轉(zhuǎn)的葉輪上。以此技術(shù)處理動區(qū)域中流場的計算需要在進行速度矢量的轉(zhuǎn)化并動量方程中考慮旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)分量的影響,但可以避免采用動網(wǎng)格帶來的計算量較大的問題。

在高速葉輪流場中湍流效應(yīng)明顯,同時葉頂間隙還存在明顯的二次流。綜合考慮計算量和對旋轉(zhuǎn)葉輪流場計算精度等問題,采用湍流模型描述葉輪中的流場,即除求解旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中N-S方程外,還需計算方程:

湍流粘性:其中:

。計算過程中設(shè)葉輪入口為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件;流場壁面均為絕熱壁面。

2計算結(jié)果分析

設(shè)計條件下該離心葉輪10%、50%、90%葉高的速度矢量圖,可見該離心葉輪為典型的跨音速葉輪,由于采用了大小葉片的設(shè)計,小葉片在對整個葉輪流量影響不大的情況下增加了葉輪對氣流的做功和約束能力,使該微型壓氣機在具有較高增壓比的條件下保證了較高的效率。計算結(jié)果表明:葉輪設(shè)計轉(zhuǎn)速和流量條件下增壓比為:2.883,效率為:0.888。此外計算還表明反設(shè)計的葉輪在設(shè)計轉(zhuǎn)速增壓比穩(wěn)定裕度約為15%,且在較寬范圍內(nèi)有良好穩(wěn)定性和效率。

失速條件下該離心葉輪10%、50%、90%葉高的速度矢量圖,可見失速主要發(fā)生在50%葉高以上的區(qū)域。由于葉輪采用了較小的葉片進口角變化率和相對直的葉形,近失速條件下葉輪流場中的氣流攻角過大,吸力面發(fā)生大范圍的分離,引起失速。同時給出了設(shè)計和失速條件下葉頂二次流示意圖可見設(shè)計條件下小葉片對大葉片的葉頂二次流有很好的約束,避免了二次流引起的渦系的進一步發(fā)展;失速條件下由于攻角較大,小葉片的約束離減弱,吸力面的負壓和二次流的渦系耦合發(fā)展引起大范圍的低速區(qū)域,造成葉輪流場的失速。(圖5)

3結(jié)語

(1)由于采用大小葉片技術(shù),小葉片增加了對氣流的做功和約束能力,葉輪在較寬的工作范圍內(nèi)有很好的性能。

(2)入口攻角增大以及葉尖間隙二次流與壓氣機葉輪流場的失速有直接的關(guān)系。

參考文獻

[1] 高麗敏,韓偉,高杰.用多重網(wǎng)格法數(shù)值預(yù)測高速離心葉輪三維流場[J].計算機仿真,2011,28(3):410～413.

[2] 殷明霞,冀國鋒,桂幸民.葉尖間隙流動對某微小型離心壓氣機性能的影響[J].航空動力學(xué)報,2010,25(3):565～571.

[3] 何學(xué)群,曹淼龍.低速電驅(qū)離心壓氣機特定工況下內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[J].機械設(shè)計與制造,2010,20(4):198～200.

[4] 袁鵬,胡駿,王志強.帶分流葉片離心葉輪氣動設(shè)計及其流場分析[J].燃氣渦輪試驗與研究,2008,21(1):33～37.

[5] 馬超,王航,劉云崗.小流量下離心壓氣機無葉擴壓器數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2010,19(5):13～16.

[6] 張偉,馬崢,余運超，等.離心葉輪及非設(shè)計工況湍流RANS模擬的驗證和確認[J].水動力學(xué)研究與進展,2011,26(1):10～16.