不同湍流模型下燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)的模擬

艾建君，侯 力，傅笑珊，毛曉芳

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

1 引言

進(jìn)氣系統(tǒng)的主要作用是給燃?xì)廨啓C(jī)提供足夠潔凈的空氣[1]，使氣缸中的氣體能夠完全燃燒；同時(shí)要求流阻和壓損小。進(jìn)氣系統(tǒng)增強(qiáng)了進(jìn)氣的質(zhì)量，與此同時(shí)也導(dǎo)致了燃?xì)廨啓C(jī)的壓損。壓損的增加會(huì)降低機(jī)組的工作效率，不均勻的氣流速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布會(huì)使壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)偏離，壓氣機(jī)工作穩(wěn)定性會(huì)受到嚴(yán)重的影響[2]。因此，權(quán)衡進(jìn)氣系統(tǒng)工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一是其壓損值的大小。目前，CFD數(shù)值模擬是分析進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)的主要方法。CFD以電腦為硬件平臺(tái)，采用計(jì)算數(shù)學(xué)方法將流動(dòng)控制方程離散化，得到空間和時(shí)間離散點(diǎn)上的流動(dòng)物理量，達(dá)到再現(xiàn)真實(shí)流動(dòng)的目的，以解決各種實(shí)際問題，在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中空氣流動(dòng)域的流場(chǎng)分析中有著重大的影響。湍流模型的選擇直接關(guān)系到仿真結(jié)果的精確性，因此它是流場(chǎng)模擬中十分重要的環(huán)節(jié)[3]。在目前進(jìn)氣系統(tǒng)的流體分析中，大多數(shù)研究在選擇湍流模型時(shí)基本都按照以往經(jīng)驗(yàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，但是不同湍流模型模擬出來的流態(tài)是不同的。因此，在定義相同的邊界條件下，使用Fluent15.0軟件，分別應(yīng)用三種湍流模型（Realizable k-ε湍流模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型），分析模擬了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的流場(chǎng)，比較了在這三種情況下進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)變化的差異，并把其壓損值與某廠實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，綜合得出哪一種湍流模型下的流場(chǎng)分析更接近實(shí)際。

2 計(jì)算模型

研究對(duì)象為某型號(hào)地面重型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，該進(jìn)氣系統(tǒng)采用三面進(jìn)氣（前進(jìn)氣口、左進(jìn)氣口和右進(jìn)氣口），一面出氣的結(jié)構(gòu)。共有七大模塊：雨棚、初過濾模塊、檢修過濾模塊、過渡段、消音段、彎頭、直管段。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Figure of Structure of Inlet System

通過三維建模軟件Solidworks2010對(duì)該燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行建模得到模型，如圖2（a）所示。流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域采用全流道計(jì)算域方法，即整體外殼實(shí)體減去燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部支撐桿件、消音片等流體無法穿過的部件所得的實(shí)體部分[4]。提取的流道，如圖2（b）所示。從前進(jìn)氣口到出氣口的流道總長(zhǎng)為18.5m，左右進(jìn)氣口之間的流道長(zhǎng)度為21.3m，初過濾模塊和過濾模塊的總高11.1m。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)模型圖、流道三維模型圖及計(jì)算域Fig.2 Inlet System Model and Three-Dimensional Model of Flow Channel and Computational Domain

3 數(shù)值方法

進(jìn)氣系統(tǒng)可視為絕熱系統(tǒng)，建立其基本控制方程時(shí)視流體為三維定常不可壓縮黏性流體。用軟件Fluent15.0進(jìn)行模擬，分別采用三種湍流模型，穩(wěn)態(tài)分離隱式方案進(jìn)行求解，通過有限體積法進(jìn)行空間離散[6-7]。Pressure-Velocity關(guān)聯(lián)算法選擇SIMPLE算法。三種湍流模型的輸運(yùn)方程分別如下：

Realizable k-ε 湍流模型[10]：

式中：Gk—因平均速度梯度引發(fā)的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb—由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；YM—可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；Sk和Sε為用戶自定義源項(xiàng)[11]。

由于流體不可壓，因此得出，Gk=YM=Sk=Sε=0，得到最終簡(jiǎn)化的輸運(yùn)方程如下：

式中：C1、C2、C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；αk—k 的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)（即圖3中TKE）；αε—ε的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)（即圖3中TDR）[10]，F(xiàn)luent15.0中的湍流模型是基于以上公式來設(shè)定這些經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，設(shè)定如圖3所示。

圖3 三種湍流模型參數(shù)設(shè)置界面Fig．3 Parameters Setting Interface of Three Turbulence Models

4 網(wǎng)格劃分及邊界條件

燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)屬于側(cè)向進(jìn)氣，尺寸較大，里面裝有消音片、支撐桿件等結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣流場(chǎng)復(fù)雜，難以生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[5]。故將對(duì)整個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方法，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性分析，最終采用的計(jì)算網(wǎng)格包含單元數(shù)7．965458×106個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1．48576×106個(gè)。

初始條件：進(jìn)氣量為608m3/s，最大環(huán)境風(fēng)速為160km/h．入口條件：設(shè)定壓力出口（pressure-outlet），給定均勻不變的總壓和總溫，總壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa，總溫為288K，以空氣為流質(zhì)，其密度為1．22kg/m3，湍流強(qiáng)度計(jì)算得3%。出口條件：設(shè)定速度入口（velocity-inlet），給定負(fù)的速度值，模擬進(jìn)氣系統(tǒng)“抽氣”過程[8]。視進(jìn)氣系統(tǒng)為絕熱系統(tǒng)，所以壁面條件絕熱、無滑移。

5 計(jì)算結(jié)果與分析

先以初始條件（進(jìn)氣量608m3/s）為例，對(duì)三種湍流模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖4 總體壓力分布云圖Fig．4 The Overall Pressure Distribution Contour

在三種湍流模型的分析下進(jìn)氣系統(tǒng)的總體壓力分布云圖，如圖4所示。從中可以得出：（1）三種湍流模型均反應(yīng)出進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力隨著流道大小的變化而變化，彎頭為進(jìn)氣系統(tǒng)的最大壓損出現(xiàn)處，因?yàn)榭諝庠诖颂庍M(jìn)行轉(zhuǎn)向，氣流速度最大，形成負(fù)壓，消音段因?yàn)橄羝霈F(xiàn)了突縮和突擴(kuò)的現(xiàn)象[9]，速度很大，形成了次最大壓損值；（2）標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型下的總體壓力云圖除了壓力分布范圍值不一樣外，極為一致，Realizable k-ε湍流模型雖然反應(yīng)了進(jìn)氣系統(tǒng)壓力值的變化，也反應(yīng)了彎頭處和消音段處的壓力變化，但是雨棚和初過濾模塊壓力分布不均勻，出現(xiàn)局部壓力降低的小塊，這是不應(yīng)該出現(xiàn)的；因?yàn)檫M(jìn)氣系統(tǒng)的初過濾模塊、檢修模塊和過渡段流道的大小和方向并沒有改變，所以空氣從雨棚進(jìn)入經(jīng)過初過濾模塊和檢修過濾模塊到達(dá)過渡段時(shí)，壓力損失應(yīng)該并不大，而Realizable k-ε湍流模型從雨棚到過渡段的壓力損失已經(jīng)達(dá)到500Pa左右，因此Realizable總體壓力云圖并沒有標(biāo)準(zhǔn)和RNG的總體壓力云圖準(zhǔn)確。

圖5 總體速度流線圖Fig．5 The Overall Velocity Streamline Diagram

總體速度流線圖，如圖5所示。表示了三種湍流模型分析下進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部從入口到出口空氣的流向情況。由此得出，三種湍流模型均反應(yīng)出進(jìn)氣系統(tǒng)在雨棚、初過濾模塊、檢修過濾模塊和過渡段速度變化不大，空氣通過過濾段后，進(jìn)入消音段，流道由大口變?yōu)樾】?，速度急劇增加，通過消音段進(jìn)入彎頭時(shí)空氣開始轉(zhuǎn)向，此時(shí)速度最大，其中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型流線圖和矢量圖極為相似，但是Realizable k-ε湍流模型前進(jìn)氣口上方局部速度上升，出現(xiàn)了局部旋流。

圖6 進(jìn)口和出口壓力分布云圖Fig．6 Inlet and Outlet Pressure Field Distribution Contour

三種湍流類型下進(jìn)出口壓力分布云圖，如圖6所示。從入口壓力分布圖看，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型入口壓力成均勻分布，極為相似，但是Realizablek-ε湍流模型出現(xiàn)了壓力局部集中區(qū)域；從出口壓力分布圖看，三種湍流模型的壓力分布都比較均勻且接近。如圖4～圖6所示為初始條件（進(jìn)氣量608m3/s）下三種湍流模型計(jì)算結(jié)果的比較，為了更精確對(duì)比三種湍流模型分析哪一種更為貼合實(shí)際分布，一共計(jì)算了八種工況，并設(shè)定八種工況入口條件不變，出口條件中的出口速度分別設(shè)定為（-37．0）m/s、（-38．5）m/s、（-40）m/s、（-41．5）m/s、（-43）m/s、（-44．5）m/s、（-46）m/s、（-47．5）m/s。分別測(cè)量這八種工況下進(jìn)氣系統(tǒng)的壓損，并與某廠樣機(jī)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)出口的壓力差即為進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失，簡(jiǎn)稱壓損。由圖5和圖6可以看出進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)出口的壓力值不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)變化范圍，所以得到的壓損也是一個(gè)變化范圍，為了與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，所以三種湍流模型分析下的進(jìn)氣系統(tǒng)的壓損取值采用與進(jìn)出口實(shí)際測(cè)量點(diǎn)相同的位置進(jìn)行壓力值的取值，因此得到以下的壓損表，如表1所示。現(xiàn)場(chǎng)是通過在雨棚尾處和出口處設(shè)置兩個(gè)壓力傳感器，在電腦中輸入相關(guān)條件，在電腦中反應(yīng)出這兩測(cè)量點(diǎn)的壓力值，取最大的那一個(gè)，（-38.5）m/s工況下應(yīng)于以上方法測(cè)量到的進(jìn)出口壓力值，取最大一個(gè)即為976Pa，如圖7所示。

圖7 （-38.5）m/s工況下的進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)測(cè)壓損Fig.7 The Actual Measured Pressure Loss of the Inlet System

表1 不同工況下三種湍流模型的壓損表Tab.1 Pressure Loss Table with Three Turbulence Models with Different Working Conditions

圖8 壓損變化曲線Fig.8 Pressure Loss Change Curve

八種工況下三種湍流模型與某廠實(shí)際測(cè)量值的壓損變化曲線，如圖8所示。由此看出，三種湍流模型壓損變化曲線相差不是特別大，均隨著出口速度的增加而增加，RNGk-ε湍流模型的壓損變化曲線與實(shí)測(cè)值的變化曲線幾乎一致，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型的曲線比較相似，但是與實(shí)測(cè)值的變化曲線不一樣，并且隨著進(jìn)氣量的增加，與實(shí)測(cè)值的變化曲線的差異越來越明顯。這是由于Realizablek-ε湍流模型為耗散率ε增加了新的輸運(yùn)方程，即為方程（2），這個(gè)方程來源于一個(gè)為層流速度脈動(dòng)而作的精確方程[10]，而進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部流體的流動(dòng)視為完全湍流，所以對(duì)于本進(jìn)氣系統(tǒng)來說，Realizablek-ε湍流模型的模擬結(jié)果并沒有標(biāo)準(zhǔn)湍流模型和RNGk-ε湍流模型全面，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型模擬結(jié)果很相似，但是由于RNGk-ε湍流模型在ε方程中增加了一個(gè)條件（即方程（6）中的R），并考慮到了湍流漩渦、渦流等，因此保證了在計(jì)算跨度大的情況下的精度。

6 結(jié)論

（1）三種湍流模型下模擬的結(jié)果均能反應(yīng)出進(jìn)氣系統(tǒng)壓力的變化，均正確反應(yīng)出進(jìn)氣系統(tǒng)最大壓損值出現(xiàn)在彎頭處，此處空氣轉(zhuǎn)向，速度最大，出現(xiàn)負(fù)壓。（2）標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型模擬出的壓力變化極為相似，但是在標(biāo)準(zhǔn)工況下，RNG的壓損值最接近于實(shí)測(cè)值，而Realizable k-ε湍流模型出現(xiàn)了局部渦流，云圖變化不均等情況。（3）標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與Realizable湍流模型壓損變化曲線很相似，但是隨著進(jìn)氣量的增加，它們的變化曲線與實(shí)測(cè)變化曲線差異越來越明顯，RNG k-ε湍流模型變化曲線與實(shí)測(cè)變化曲線極為相似，因?yàn)樵讦欧匠讨性黾恿艘粋€(gè)條件，保證了在計(jì)算跨度大的情況下的精度，所以RNG k-ε湍流模型下模擬分析與實(shí)際最為相符。