于勝劍,王志強(qiáng),羅玉娟,趙修宇,趙哲斌
(1. 大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧大連 116000;2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司,遼寧大連116000;3. 上海船舶設(shè)備研究所,上海 200031)
離心通風(fēng)機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的設(shè)備[1]。在過去,離心風(fēng)機(jī)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)或?qū)υ性O(shè)備進(jìn)行改進(jìn)的主要流程是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)調(diào)整,而離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)效果的驗(yàn)證必須通過樣機(jī)制造和試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)[2]。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術(shù)在葉輪機(jī)械領(lǐng)域的成熟應(yīng)用,數(shù)值模擬在離心風(fēng)機(jī)的流動分析、性能預(yù)測以及優(yōu)化設(shè)計(jì)中起到了越來越重要的作用,通過計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后,再進(jìn)行樣機(jī)的制造和試驗(yàn),使離心風(fēng)機(jī)的整個設(shè)計(jì)流程周期縮短、成本降低[3-6]。
數(shù)值模擬又叫數(shù)值試驗(yàn),數(shù)值模擬的主要流程包括針對研究對象建立反映問題(工程問題、物理問題等)本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行模型處理、劃分網(wǎng)格、選用合適的湍流模型、設(shè)置邊界條件以及計(jì)算分析等。其中,選擇的湍流模型是否合適,對數(shù)值模擬計(jì)算所需的時間、計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性等都會產(chǎn)生較大的影響。工程湍流理論中,多種模型各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。在葉輪機(jī)械流場計(jì)算中,常用的湍流模型有BL模型、SA模型和k-ε模型等。雖然這些湍流模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于葉輪機(jī)械數(shù)值模擬領(lǐng)域,但至今還沒有得到一個有效的通用湍流模型。因此,在離心風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬研究中,根據(jù)實(shí)際需求,對比分析出一種更合適、更準(zhǔn)確的湍流模型是十分必要的。
本文對特定的某型離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,分別采用了BL、SA和k-ε三種湍流模型進(jìn)行計(jì)算,分析了湍流模型的選取對數(shù)值結(jié)果的影響,并將其與樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。
本文研究的離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量為11000 m3/h,全壓3200 Pa,轉(zhuǎn)速2920 r/min。風(fēng)機(jī)主要由進(jìn)口集流器、葉輪和蝸殼組成,其中,葉輪為后彎型式。圖1為離心風(fēng)機(jī)三維圖,圖2為主要部件關(guān)系的透視圖。該離心風(fēng)機(jī)的主要尺寸參數(shù)為:葉輪葉片進(jìn)口直徑D1為328 mm,葉輪葉片出口直徑D2為520 mm,葉輪進(jìn)口寬度b1為138 mm,葉輪出口寬度b2為102 mm,葉片數(shù)Zn為 12,葉片進(jìn)口安裝角β1A為 28°,蝸殼寬度B為298 mm。
在構(gòu)建計(jì)算模型的過程中,本文對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化。風(fēng)機(jī)主要被分成進(jìn)口集流器、葉輪和蝸殼 3個流動區(qū)域模型,其中進(jìn)口集流器在來流方向加了一定的延伸,如圖3所示。
圖1 離心風(fēng)機(jī)三維圖
圖2 離心風(fēng)機(jī)透視圖
圖3 離心風(fēng)機(jī)流動區(qū)域模型
離心風(fēng)機(jī)同時包含轉(zhuǎn)動部件和靜止部件,為了減小網(wǎng)格對計(jì)算結(jié)果的影響,需要使用合理的網(wǎng)格生成方法。網(wǎng)格劃分時,首先對進(jìn)口集流器、葉輪和蝸殼3個區(qū)域分別劃分網(wǎng)格,然后將 3個部分單獨(dú)生成的網(wǎng)格組裝起來,如圖5所示。網(wǎng)格處理時,為了在幾何上盡可能地與離心風(fēng)機(jī)真實(shí)結(jié)構(gòu)相似,考慮了葉輪前盤和后盤的厚度、進(jìn)口集流器的厚度及輪轂結(jié)構(gòu)。同時,在蝸殼、葉輪等近固體壁面處對網(wǎng)格進(jìn)行加密,以確保能較為準(zhǔn)確地反應(yīng)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動情況。整機(jī)網(wǎng)格數(shù)約為 210萬,網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果表明,本文計(jì)算網(wǎng)格數(shù)滿足無關(guān)要求。
圖4 離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分
本文分別采用了BL、SA和k-ε三種湍流模型對離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算。由于存在旋轉(zhuǎn)區(qū)域,本文采用MRF方法處理動靜結(jié)合部分??紤]到計(jì)算介質(zhì)為空氣,其流速低且壓比小,因此可視為不可壓縮流體??諝庠陲L(fēng)機(jī)中流動時,傳熱過程基本可以忽略,因此不涉及能量方程的求解。在計(jì)算中,輪轂、葉片表面以及蝸殼壁面采用無滑移、絕熱邊界條件,葉輪轉(zhuǎn)速為2920 r/min。假設(shè)上游均勻來流,流動方向與界面垂直,因此入口選用流量進(jìn)口邊界條件;假設(shè)穩(wěn)定出流,因此出口選用自由出流邊界條件。
本文主要分析不同湍流模型對數(shù)值計(jì)算的影響,工作中采用同種幾何結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格數(shù)目的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析。
圖5、圖6給出了3種湍流模型下計(jì)算獲得的離心風(fēng)機(jī)特性圖。在圖5中可看到:3種湍流模型計(jì)算得到的流量-全壓曲線整體變化趨勢相同,全壓都隨著風(fēng)量的減少而增加。但 3種模型得到的具體數(shù)值有明顯差異,在相同流量的情況下,使用BL湍流模型計(jì)算獲得的全壓值都低于使用 SA模型和k-ε模型計(jì)算獲得的值;而SA模型和k-ε模型對應(yīng)的流量全壓曲線吻合度較高。流量-效率曲線圖如圖6所示。從圖6可以看到:不同湍流模型對應(yīng)曲線的整體變化趨勢相同,但相比其余2個湍流模型,BL湍流模型計(jì)算獲得的效率在計(jì)算流量范圍內(nèi)較低,這一點(diǎn)在額定流量附近區(qū)域內(nèi)尤其明顯,而其余 2個湍流模型對應(yīng)的流量效率曲線基本相同。通過對比分析使用不同湍流模型計(jì)算得到的總性能,可以看出:使用SA模型和k-ε模型計(jì)算獲得的性能曲線比較一致,而使用BL模型計(jì)算獲得的性能值則普遍較低。
圖5 離心風(fēng)機(jī)流量全壓曲線
圖6 離心風(fēng)機(jī)流量效率曲線
前文分析了使用不同湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬對離心風(fēng)機(jī)總性能計(jì)算結(jié)果的影響。本節(jié)通過對比分析額定工況下不同湍流模型計(jì)算得到的葉片通道內(nèi)速度矢量分布及風(fēng)機(jī)內(nèi)部剖面的流場,探索了湍流模型對于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的影響。
圖7、圖8及圖9分別給出了額定工況下,3種葉高處(約10%、50%及90%)的靜壓分布圖。從圖7中可以觀察到:BL模型在12點(diǎn)、3點(diǎn)及4點(diǎn)方向的通道內(nèi)存在高壓區(qū),SA模型和k-ε模型都是在3點(diǎn)方向的通道內(nèi)存在高壓區(qū)。從圖8和圖9中可以發(fā)現(xiàn):SA模型和k-ε模型得到的葉片通道靜壓分布形式類似,BL模型得到的靜壓分布形式則呈現(xiàn)出較大的不同;在50%、90%葉高處,多個葉片通道內(nèi)BL模型的增壓能力都弱于其它兩種模型。
圖10給出了額定工況下離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部某剖面上氣流速度矢量分布示意圖,該剖面通過旋轉(zhuǎn)軸且垂直于X坐標(biāo)方向。從圖中可以看到:3種湍流模型都能很好地捕獲發(fā)生在集流器彎曲段附近的氣流增速現(xiàn)象以及發(fā)生在后蓋板軸套處的氣流分離現(xiàn)象。BL模型獲得的結(jié)果顯示:左右葉片通道前蓋板處存在氣流分離區(qū),右邊通道內(nèi)的低速區(qū)域范圍比左邊的大,在蝸殼內(nèi)近集流器左側(cè)出現(xiàn)了旋渦流動分布。SA模型計(jì)算結(jié)果顯示:左右葉片通道前蓋板處也存在氣流分離區(qū),左邊通道內(nèi)低速區(qū)往低葉高處發(fā)展的程度比右邊的大,在蝸殼內(nèi)近集流器左側(cè)同樣出現(xiàn)了旋渦流動分布。k-ε模型顯示:左右通道內(nèi)的低速區(qū)范圍與SA模型所顯示的差不多,在蝸殼內(nèi)近集流器左側(cè)也出現(xiàn)了旋渦流動分布。對比3種湍流模型計(jì)算得到的流場,可以發(fā)現(xiàn):在近集流器右側(cè)壁面處,BL模型得到的氣流速度很大,而SA模型和k-ε模型得到的氣流速度都很小。相較而言,SA模型和k-ε模型得到的結(jié)果更符合流動規(guī)律。
圖7 額定工況下,約10%葉高處的靜壓分布圖
圖8 額定工況下,約50%葉高處的靜壓分布圖
圖9 額定工況下,約90%葉高處的靜壓分布圖
圖10 額定工況下,風(fēng)機(jī)內(nèi)相對速度矢量分布剖面圖
從以上分析可以看出:3種湍流模型計(jì)算獲得的離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場整體上相似,都能夠反映風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動特性。但分析靜壓分布和速度矢量分布細(xì)節(jié)可以發(fā)現(xiàn):SA模型和k-ε模型獲得的結(jié)果相對更合理。
圖11和圖12為3種湍流模型計(jì)算獲得的性能曲線與離心風(fēng)機(jī)試驗(yàn)曲線的對比圖。這 2幅圖表明:不同湍流模型計(jì)算獲得的性能曲線整體走勢都與試驗(yàn)曲線相似,說明了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性;采用k-ε模型計(jì)算獲得的性能曲線與試驗(yàn)獲得的性能曲線吻合度更高,說明了采用k-ε模型能夠獲得更為可靠的結(jié)果。
圖11 離心風(fēng)機(jī)流量全壓曲線(模擬與實(shí)驗(yàn)對比圖)
圖12 離心風(fēng)機(jī)流量效率曲線(模擬與實(shí)驗(yàn)對比圖)
使用 3種不同湍流模型對某型離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬,通過分析模擬得到的計(jì)算結(jié)果,并將結(jié)果與該型風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,可以得到以下結(jié)論:1)采用這 3種常用的湍流模型獲得的風(fēng)機(jī)總性能變化趨勢都與試驗(yàn)結(jié)果相吻合,3種模型計(jì)算得到的內(nèi)部流場也大體相似,因此,數(shù)值模擬的結(jié)果是有參考意義的;2)從細(xì)節(jié)上看,k-ε模型的總性能計(jì)算值與試驗(yàn)值更為接近,相較于SA模型,其得到的流動細(xì)節(jié)也更符合流動規(guī)律,因此,在后續(xù)工作中將主要采用k-ε模型。
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