離心風機渦旋結構及失穩(wěn)流動特性分析

姜晨龍，李恩達，朱興業(yè)*

(1. 江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 南京森林警察學院，江蘇 南京 210023)

不穩(wěn)定流動普遍存在于風機、壓氣機、泵等旋轉機械偏工況運行條件下，不僅會造成大的能量損失，還會惡化流場，產(chǎn)生噪聲，甚至威脅轉子的使用壽命，造成葉輪葉片的損壞并會進一步誘發(fā)旋轉失速、喘振等惡性現(xiàn)象[1-2].MADHAVAN等[3]對壓力面流動分離引起的P型失穩(wěn)進行探討，指出壓力面失穩(wěn)是由于進口預旋等畸變現(xiàn)象所導致.王企鯤等[4]基于Jameson格式計算方法對離心風機蝸殼內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，探究了蝸殼渦旋對能量特性的影響及流動損失機理.文獻[5-6]對離心風機噪聲展開研究，提出葉片不均勻排列方法和結構優(yōu)化來降低噪聲.ZHANG等[7]對軸流風機中相鄰異常葉片引起的失穩(wěn)現(xiàn)象進行探討，分析了失速工況下風機葉片的應力及變形分布.金東海等[8]對于低速風機轉子區(qū)域的二次流進行探討，提出非軸對稱端壁來抑制橫向流動的發(fā)展及角區(qū)流動分離現(xiàn)象.ZHANG等[9]基于URANS方法計算了離心風機近壁面不同監(jiān)測點的壓力脈動特性，通過頻譜分析確定非定常二次流及擾動的實時位置.目前國內(nèi)外學者對離心風機研究主要集中于振動噪聲抑制和消除，對根源的探究仍較為匱乏，轉子不穩(wěn)定流動特性是造成振動噪聲的根本原因，現(xiàn)有失穩(wěn)特性研究多針對轉子區(qū)域的脫流及二次流現(xiàn)象，很少針對葉輪進流面與轉子的匹配關聯(lián)性展開研究.

文中基于渦動力學，通過對轉子進流面流態(tài)及沖角的探究，進一步闡述風機失穩(wěn)流動的機制，捕捉失穩(wěn)流道渦旋結構及尺度,為抑制轉子失穩(wěn)提供一定的理論參考.

1 計算模型及仿真方法

1.1 計算模型

圖1為離心風機的三維模型，離心風機部件包括進口管、葉輪、蝸殼、前后腔體、出口管，各部件均采用Pro/E軟件三維建模并裝配.離心風機性能參數(shù)和結構參數(shù)分別為風量QBEP=0.46 m3/s,全壓H=5 600 Pa,轉速n=7 000 r/min,葉輪內(nèi)徑D1=162 mm,葉輪外徑D2=210 mm，葉片高度b2=43 mm,葉片數(shù)Z=22,基圓直徑D3=220 mm.

圖1 離心風機三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

運用ICEM軟件對離心風機計算域的所有部件進行六面體結構化網(wǎng)格劃分，如圖2所示.通過對葉片壁面進行網(wǎng)格加密，在近壁面邊界層布置10個節(jié)點數(shù)，并采用自動近壁面處理來滿足SSTk-ω湍流模型的適用性.基于在拓撲結構、節(jié)點位置不變前提下，通過改變節(jié)點數(shù)對離心風機模型段進行網(wǎng)格無關性.當全局網(wǎng)格數(shù)量接近414 萬時，靜壓、效率等特性變化極小，相對誤差在±2%以內(nèi)，滿足網(wǎng)格無關性要求，轉子區(qū)域y+分布特性如圖3所示.

圖2 離心風機網(wǎng)格劃分

圖3 轉子區(qū)域y+分布特性

1.3 湍流模型及邊界條件

輸送介質設為常溫、理想、不可壓縮氣體，進出口邊界條件分別設置為自由進流、質量流量出流，參考壓力設置為1.01×105Pa.壁面采用無滑移邊界條件，各流域通過交界面相連接， 進出口管、前后腔體、蝸殼均設置為靜止域，葉輪設置為旋轉域，轉速為7 000 r/min，動靜交界面設置為凍結轉子模式.采用CFX軟件對離心風機進行全流場數(shù)值計算，以時均N-S方程作為基本控制方程，以標準SSTk-ω雙方程為湍流模型和連續(xù)性方程來使動量方程封閉，采用二階精度迎風格式，計算收斂標準為10-4.對流項采用高分辨率格式，擴散項采用中心差分格式.

2 能量性能試驗驗證

為驗證數(shù)值計算結果的準確性，搭建試驗裝置系統(tǒng)來測量離心風機的能量性能特性,如圖4所示.

圖4 離心風機試驗裝置示意圖

數(shù)值計算結果與試驗測試結果對比曲線如圖5所示，兩者趨勢基本一致.在設計工況下，數(shù)值預測和試驗結果的靜壓和效率的誤差分別為3.31%和2.72%，說明了數(shù)值計算的準確度較高.

圖5 離心風機性能特性曲線

3 數(shù)值計算結果分析

3.1 轉子非均勻流動特性

圖6為不同工況下離心風機轉子區(qū)域流動特性，不同風量下轉子區(qū)域內(nèi)流特性整體保持一致，近一半的流道中存在旋渦，流動分離效應顯著，流速較低；而另一半流道內(nèi)的流動較為平穩(wěn)，流速相對較高.根據(jù)轉子流動特性，將轉子流道劃分為穩(wěn)流區(qū)、失穩(wěn)區(qū).其中部分失穩(wěn)流道中旋渦所裹挾的流體速度降至10 m/s以下，造成嚴重的能量耗散.大流量工況至小流量工況，失穩(wěn)流道中的旋渦尺度進一步擴大，畸變程度加劇.由于不同風量下轉子區(qū)域的流動特性主要是旋渦尺度的擴大，并且1.0QBEP是離心風機的主要運行工況，因此文中著重探究1.0QBEP葉輪流道失穩(wěn)機制.

圖6 不同工況下轉子區(qū)域流動特性

圖7為額定工況下離心式風機不同截面下的速度分布云圖，其中截面Z1靠近葉片前緣，截面Z2為葉輪中部，截面Z3靠近葉片尾緣.首先觀察不同葉高下轉子區(qū)域流動特性.3種截面下葉輪區(qū)域的氣流速度皆成非均勻分布，靠近蝸殼流道及隔舌處的氣流速度明顯高于其他區(qū)域.

圖7 不同葉高下葉輪內(nèi)流特性

3個截面下的速度整體分布特性保持一致性，但不同葉高下氣流特性存在較大差異.截面Z1蝸殼隔舌附近區(qū)域出現(xiàn)大面積回流，在截面Z3轉子區(qū)域的氣流速度普遍低于30 m/s，不存在高速氣流區(qū).截面Z2氣流能夠得到充分發(fā)展，相較于其余兩截面，轉子區(qū)域的流動不均勻性最為突出，整體流速最高，不會出現(xiàn)截面Z1蝸殼隔舌附近區(qū)域的大面積回流，以及截面Z3氣流速度的不充分發(fā)展.因此葉輪中部截面的流動特性更能反映額定工況下離心風機的流動形態(tài).

3.2 進流面流態(tài)與轉子區(qū)域流態(tài)的匹配性

由文中可知，截面Z2在轉子區(qū)域的速度呈現(xiàn)更為明顯的非均勻分布，所以針對0.5葉高下轉子截面進行進一步分析.圖8為轉子區(qū)域截面Z2的流動特性.由于該離心式風機轉子具有22個葉片，因此將22個流道順時針劃分命名為Y1—Y22，如圖所示.Y5—Y15這11個流道風速整體偏高，流動較為穩(wěn)定，屬于穩(wěn)流區(qū)；而Y1—Y4，Y16—Y22這11個流道截面普遍流速較低，并存在大范圍旋渦，屬于失穩(wěn)區(qū).其中Y1—Y3這3個流道，大尺度的渦旋已徹底堵塞了整個流道截面，并形成了渦心死水區(qū).同時比較堵塞流道的速度云圖，Y1—Y3的低速區(qū)已經(jīng)覆蓋了整個流道.故該3個流道是堵塞區(qū)流動分離、渦旋堵塞最為嚴重的流道.

圖8 截面Z2葉輪內(nèi)流特性

轉子區(qū)域的氣流特性往往與離心式風機的進流品質息息相關，而轉子區(qū)域的失穩(wěn)流動往往影響著風機進流面流動的均勻性[10].圖9為轉子進流面非均勻流態(tài)分布.探討離心風機進流面流動特性，并分別用壓力畸變強度、進流速度進行染色，其中壓力畸變強度DC為

(1)

式中：p為壓力，Pa；pmin為截面壓力最小值，Pa；pmax為截面壓力最大值，Pa.

圖9 轉子進流面非均勻流態(tài)分布

與轉子區(qū)域流動類似，離心風機進流面速度、壓力也同樣呈非均勻分布，并呈現(xiàn)橫向速度、壓力差.截面左側壓力較低，速度較高；截面右側壓力較高，速度偏低.同時圖10a為進流面速度分布與葉輪流動特性的對應關系，由圖可知，進流面高速區(qū)所對應的葉輪流道處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，而進流面低速區(qū)所對應的葉輪流道則處于流動失穩(wěn)狀態(tài).圖10b,10c能更好地展示進流不均勻性與葉輪流道流動的匹配性.圖10b為進流面高速區(qū)(v≥25 m/s)的流動特性，而圖10c為低速區(qū)(v≤20 m/s)的流動特性.由圖可知，進流面高速區(qū)流體流經(jīng)葉輪左側流道，對應于穩(wěn)流區(qū)；而進流面低速區(qū)流體則流經(jīng)葉輪軸端區(qū)域，并經(jīng)過離心力的作用進入葉輪各個流道.

圖10 非均勻進流流態(tài)與轉子氣流特性匹配關系

由于離心風機進流面與轉子區(qū)域流態(tài)的匹配關系，轉子區(qū)域的流動失穩(wěn)、渦旋堵塞現(xiàn)象往往是由于進流面的沖角激增所誘導的，同時進流面的非均勻流動分布往往也會誘導進流面沖角發(fā)生畸變，進而誘發(fā)轉子區(qū)域的非穩(wěn)定流動[11].圖11為離心風機進流面沖角分布特性.沖角計算公式為

(2)

式中：u為軸向速度，m/s；v為速度，m/s，θ為葉片進口安放角，(°).

圖11 轉子進流面沖角分布特性

由圖11可知，當36°

3.3 失穩(wěn)流道渦旋尺度與結構

由圖8所知，額定工況下流道Y1—Y3的旋渦尺度最大，氣流速度降至最低，流道堵塞嚴重.因此文中選取這3個流道的渦旋作為研究對象，利用速度環(huán)量與切向速度對比為研究方法，對比3個流道渦旋的尺度，揭示渦旋與周圍氣流的干涉機理.定義各流道死水區(qū)速度最低點為渦核位置，流道Y1渦核如圖12所示，獲得各流道切向速度vt在半徑方向的分布，并能夠通過對比失穩(wěn)區(qū)3個流道vt分布特性，判斷渦旋堵塞流道程度及渦旋的具體尺度[12].其中3個流道的旋渦的切向速度計算公式為

(3)

式中：r表示以渦核為圓心的半徑，m；Г表示以r為半徑圓面的速度環(huán)量，m2/s.

圖12 Y1流道渦核位置

圖13展示了流道Y1—Y3切向速度的分布情況.其中流道Y1，Y2旋渦切向速度分布情況大致相同，而流道Y3切向速度明顯低于前兩個流道，因此流道Y3旋渦尺度不及流道Y1，Y2，而Y1，Y2旋渦尺度相當，因此文中著重分析流道Y1的旋渦結構及內(nèi)流特性.

圖13 失穩(wěn)流道切向速度分布

分別統(tǒng)計失穩(wěn)區(qū)堵塞流道Y1及穩(wěn)流區(qū)流道Y12的葉片靜壓分布及載荷特性，如圖14，15所示，其中l(wèi)ine1，line2對應圖14中堵塞流道Y1葉片1，2中截面圓周交線的壓力分布，line3，line4對應穩(wěn)流區(qū)葉片3，4.圖15中弦長系數(shù)λ計算公式為

λ=x/C，

(4)

式中：x為葉片表面弦向方向位置坐標；C為葉片總弦長.其中葉片進口邊對應弦長系數(shù)為0，葉片出口邊對應弦長系數(shù)為1.

相較于穩(wěn)流區(qū)的葉片壓力面、吸力面存在較大壓差，堵塞區(qū)葉片兩側的靜壓差距極小.堵塞流道葉片吸力面的靜壓整體提升明顯，靜壓提升達到4 kPa以上，同時壓力面靜壓也略有降低.從前緣至尾緣葉片兩側所產(chǎn)生的靜壓差都不及1 kPa，葉片前緣處葉片吸力面壓力甚至高于工作面，出現(xiàn)逆壓力梯度，葉片兩側負壓差的產(chǎn)生阻止氣流流入該流道，造成進一步的堵塞.伴隨著進流沖角的激增，部分流道吸力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)流動分離現(xiàn)象.伴隨著吸力面?zhèn)让摿鳜F(xiàn)象，進一步誘發(fā)形成吸力面阻力上升、壓力面升力下降現(xiàn)象，造成葉片兩側壓差過小，進而誘發(fā)做功能力下降、升力不足等現(xiàn)象.

圖14 轉子監(jiān)測點位置

圖15 葉片兩側靜壓分布特性

堵塞區(qū)所對應的進口沖角遠高于穩(wěn)流區(qū)，沖角的激增迫使吸力面流體偏離葉片表面流動，導致葉片兩側靜壓差衰減，進而誘發(fā)翼型升力不足現(xiàn)象，在流道內(nèi)形成大面積渦旋.

圖16為流道Y1渦旋的流動特性，其中截取了流道Y1 6個軸截面的旋渦強度分布(TKE>30).由圖可知，流道Y1存在3種明顯的渦旋結構，分別命名為V1，V2，V3.其中旋渦V1沿弦長方向其湍動能強度逐漸減弱，而V2，V3恰好相反，在流道后緣湍動能強度最大.

圖16 流道Y1渦旋強度分布

針對V1，V2，V3的旋渦結構，分別截取不同截面處的渦核，其中渦核位置為截面湍動能最大值所對應點.同時分別做出流經(jīng)V1，V2，V3旋渦結構所對應的流動軌跡，并做出經(jīng)過渦核的三維流線代表被渦旋所裹挾的流體，如圖17所示.

由圖17可知，V1，V3這2種旋渦結構流動方式基本一致， V1，V3高湍動能區(qū)周圍流體共同組成失穩(wěn)堵塞流道外緣的大尺度回轉渦旋結構.由于過小的壓力梯度，氣流無法順利流出轉子區(qū)域，大面積回轉旋渦所裹挾的氣流流向大規(guī)模發(fā)生偏折，流動軌跡發(fā)生突變的位置分別位于葉片1吸力面?zhèn)燃叭~片2壓力側，分別對應于V1，V3高湍動能區(qū)域.而渦旋V2所裹挾的氣流由于在轉子后緣大量堆積，受到卷吸作用影響，形成由后緣至前緣的螺旋式回流結構，并有回流至下一流道，干擾下游流態(tài)的趨勢.由于后緣氣流的大范圍堆積，流道出口氣流流動分離、湍流耗散嚴重，氣流流向發(fā)生嚴重畸變，而回流至流道前緣時，僅呈現(xiàn)小角度的流向改變，因而渦旋V2所對應的湍動能由后緣向前緣逐漸減弱.綜上，堵塞流道中的渦旋結構包括了環(huán)繞在外緣的大尺度回轉旋渦以及由后緣至前緣的螺旋式回流渦旋.

4 結 論

1) 進流面流態(tài)非均勻分布特性與轉子內(nèi)流特性有較強匹配性.進流面高速氣流僅僅沖刷位于葉輪穩(wěn)流區(qū)流道，氣流速度、過流能力較強；而進流面低速氣流流經(jīng)葉輪軸端區(qū)域后，經(jīng)由離心力的作用流入轉子各個流道.

2) 進流沖角的激增加劇了葉片吸力面?zhèn)鹊牧鲃臃蛛x現(xiàn)象.伴隨著吸力面?zhèn)鹊拇罅棵摿?，葉片兩側壓差隨之減小，造成升力不足、做功能力下降等特性，并進一步形成完全堵塞流道的氣流渦團.

3) 在環(huán)繞在外緣的大尺度回轉旋渦以及由后緣至前緣的螺旋式回流渦旋的同時作用下，氣流無法順利流出失穩(wěn)流道.