顏青欽 隋玉堂

摘 要:以某離心壓氣機(jī)葉輪為基礎(chǔ),通過(guò)反設(shè)計(jì)形成的幾何模型,采用湍流模型計(jì)算流場(chǎng)的湍流效應(yīng),對(duì)微型的離心壓氣機(jī)流場(chǎng)進(jìn)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(jī)葉輪流場(chǎng)的失速有直接的關(guān)系。

關(guān)鍵詞:離心壓氣機(jī)流場(chǎng)失速數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào):TK402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)06(b)-0080-02

由于級(jí)增壓比高,造價(jià)低,小尺寸的離心葉輪在汽車(chē)、電子等行業(yè)有了越來(lái)越多的應(yīng)用。對(duì)于微型葉輪機(jī)械,各種間隙、表面粗糙等和尺度相關(guān)的效應(yīng)在整個(gè)流場(chǎng)中占有的比例較大,是否滿(mǎn)足要求、如何改進(jìn),是關(guān)心的問(wèn)題。由于流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量困難、實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)高,高速葉輪機(jī)械流場(chǎng)的數(shù)值仿真一直是實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。進(jìn)行模擬研究具有重要的工程意義。

某型離心壓氣機(jī)為大小葉片高轉(zhuǎn)速壓氣機(jī),為了控制成本、簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝采用了較小的葉片進(jìn)口角變化率和相對(duì)直的葉形。對(duì)葉輪進(jìn)行測(cè)繪和反設(shè)計(jì)形成的三維幾何模型。

本文以測(cè)繪形成的幾何文件為基礎(chǔ),生成用于葉輪氣動(dòng)計(jì)算的三維網(wǎng)格,對(duì)該葉輪的氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算,分析葉輪的特性參數(shù)及其流場(chǎng)并為下一步的改型提供參考。

1計(jì)算模型

利用多坐標(biāo)系技術(shù)處理旋轉(zhuǎn)葉輪中流場(chǎng)的計(jì)算,即將計(jì)算坐標(biāo)系置于旋轉(zhuǎn)的葉輪上。以此技術(shù)處理動(dòng)區(qū)域中流場(chǎng)的計(jì)算需要在進(jìn)行速度矢量的轉(zhuǎn)化并動(dòng)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(dòng)網(wǎng)格帶來(lái)的計(jì)算量較大的問(wèn)題。

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

湍流粘性:其中:

。計(jì)算過(guò)程中設(shè)葉輪入口為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件;流場(chǎng)壁面均為絕熱壁面。

2計(jì)算結(jié)果分析

設(shè)計(jì)條件下該離心葉輪10%、50%、90%葉高的速度矢量圖,可見(jiàn)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(jì),小葉片在對(duì)整個(gè)葉輪流量影響不大的情況下增加了葉輪對(duì)氣流的做功和約束能力,使該微型壓氣機(jī)在具有較高增壓比的條件下保證了較高的效率。計(jì)算結(jié)果表明:葉輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和流量條件下增壓比為:2.883,效率為:0.888。此外計(jì)算還表明反設(shè)計(jì)的葉輪在設(shè)計(jì)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(jiàn)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(jìn)口角變化率和相對(duì)直的葉形,近失速條件下葉輪流場(chǎng)中的氣流攻角過(guò)大,吸力面發(fā)生大范圍的分離,引起失速。同時(shí)給出了設(shè)計(jì)和失速條件下葉頂二次流示意圖可見(jiàn)設(shè)計(jì)條件下小葉片對(duì)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(jìn)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(fù)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(chǎng)的失速。(圖5)

3結(jié)語(yǔ)

(1)由于采用大小葉片技術(shù),小葉片增加了對(duì)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(jī)葉輪流場(chǎng)的失速有直接的關(guān)系。

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