离心压气机流场的数值分析研究

摘 要:以某离心压气机叶轮为基础,通过反设计形成的几何模型,采用湍流模型计算流场的湍流效应,对微型的离心压气机流场进行了数值模拟。结果表明:采用大小叶片技术的叶轮在较宽的工作范围内有很好的性能,入口攻角增大以及叶尖间隙二次流与压气机叶轮流场的失速有直接的关系。

关键词:离心压气机 流场 失速 数值模拟

中图分类号:TK402 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(b)-0080-02

由于级增压比高,造价低,小尺寸的离心叶轮在汽车、电子等行业有了越来越多的应用。对于微型叶轮机械,各种间隙、表面粗糙等和尺度相关的效应在整个流场中占有的比例较大,是否满足要求、如何改进,是关心的问题。由于流场参数测量困难、实验耗费高,高速叶轮机械流场的数值仿真一直是实验的有效补充。进行模拟研究具有重要的工程意义。

某型离心压气机为大小叶片高转速压气机,为了控制成本、简化生产工艺采用了较小的叶片进口角变化率和相对直的叶形。对叶轮进行测绘和反设计形成的三维几何模型。

本文以测绘形成的几何文件为基础,生成用于叶轮气动计算的三维网格,对该叶轮的气动性能进行计算,分析叶轮的特性参数及其流场并为下一步的改型提供参考。

1 计算模型

利用多坐标系技术处理旋转叶轮中流场的计算,即将计算坐标系置于旋转的叶轮上。以此技术处理动区域中流场的计算需要在进行速度矢量的转化并动量方程中考虑旋转速度旋转分量的影响,但可以避免采用动网格带来的计算量较大的问题。

在高速叶轮流场中湍流效应明显,同时叶顶间隙还存在明显的二次流。综合考虑计算量和对旋转叶轮流场计算精度等问题,采用湍流模型描述叶轮中的流场,即除求解旋转坐标系中N-S方程外,还需计算方程:

湍流粘性:其中:

。计算过程中设叶轮入口为标准大气条件;流场壁面均为绝热壁面。

2 计算结果分析

设计条件下该离心叶轮10%、50%、90%叶高的速度矢量图,可见该离心叶轮为典型的跨音速叶轮,由于采用了大小叶片的设计,小叶片在对整个叶轮流量影响不大的情况下增加了叶轮对气流的做功和约束能力,使该微型压气机在具有较高增压比的条件下保证了较高的效率。计算结果表明:叶轮设计转速和流量条件下增压比为:2.883,效率为:0.888。此外计算还表明反设计的叶轮在设计转速增压比稳定裕度约为15%,且在较宽范围内有良好稳定性和效率。

失速条件下该离心叶轮10%、50%、90%叶高的速度矢量图,可见失速主要发生在50%叶高以上的区域。由于叶轮采用了较小的叶片进口角变化率和相对直的叶形,近失速条件下叶轮流场中的气流攻角过大,吸力面发生大范围的分离,引起失速。同时给出了设计和失速条件下叶顶二次流示意图可见设计条件下小叶片对大叶片的叶顶二次流有很好的约束,避免了二次流引起的涡系的进一步发展;失速条件下由于攻角较大,小叶片的约束离减弱,吸力面的负压和二次流的涡系耦合发展引起大范围的低速区域,造成叶轮流场的失速。(图5)

3 结语

(1)由于采用大小叶片技术,小叶片增加了对气流的做功和约束能力,叶轮在较宽的工作范围内有很好的性能。

(2)入口攻角增大以及叶尖间隙二次流与压气机叶轮流场的失速有直接的关系。

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