后置蜗壳斜流风机整机数值模拟

1、后置蜗壳斜流风机整机数值模拟Numerical Simulation of Flow Field For Mixed-flow Fan with Post-volute杨泳 楚武利 吴艳辉/西北工业大学动力与能源学院 摘要：使用商业软件Numeca的Fine/Turbo模块，对包含斜流叶轮与蜗壳一体的斜流风机进行整机计算。对一斜流风机在设计转速下不同工况点进行了数值模拟，并与试验结果进行了比较,吻合较好。通过特定截面的不同流动图谱，证实了蜗壳、叶轮相互作用引起的整机流场的不对称性。研究结果表明，叶轮内部叶顶间隙区二次流动和叶轮与蜗壳相互作用引起的涡系是影响斜流风机效率的主要原因。关键词：斜流风

2、机 叶轮 蜗壳 数值模拟中图分类号：TH432.2 文献标识码:B文章编号：1006-8155（2005）06-0001-04Abstract: Using Fine /Turbo module of commercial software NUMECA ,the overall calculation is carried out on the mixed-flow fan with impeller and volute. The numerical simulation is carried out on the mixed-flow fan in different operation

3、 conditions under the design speed, and compared with the test results and coincide better. The asymmetry of overall flow field caused by the interaction between impeller and volute is proved by different flow atlas of the specific section. The investigative result shows that the secondary flow of t

4、he tip gap within the impeller and vort ex .caused by the interaction between impeller and volute are the main reason to affect the efficiency of the mixed-flow fan.Key words: Mixed-flow fan Impeller Volute Numerical simulation1 引言斜流叶轮内部流是介于轴流式和离心式的中间状态,沿着锥形流面的流动,气流在三个方向的速度分量大小相差不大,具有显著的三元流动特性。在试验研究

5、方面，文献1对自行设计的后置蜗壳斜流风机进行了试验研究，文献2对不同来流条件的后置导叶翼型斜流风机在不同的叶顶间隙情况下的进口流场进行了试验研究。在数值研究方面, 文献3基于流线曲率法及通流矩阵的无粘计算, 文献4采用商业软件NUMECA对有无叶顶间隙两种情况下的斜流叶轮内部流场进行了对比分析，文献5采用Simple算法对矩形蜗壳内部涡系的形成及蜗壳与叶轮的不同配置对内流场细节的影响进行了细致的研究，文献6通过叶轮与蜗壳相互迭代来求解蜗壳内部流场，突破传统的单独计算蜗壳流场时进口只能给定均匀流动边界条件的局限性，得出在变工况计算时，传统的均匀流动边界条件给定方法不能给出满意的求解结果的结论。这

6、些试验研究和数值计算在研究斜流风机内部流场方面均得出一些有用的结论，但由于试验测量条件和计算机资源的限制，对于叶轮和蜗壳相互干涉的整机研究很少涉及。而蜗壳的高度非对称特性表明，叶轮、蜗壳相互作用引起的流场非对称性及其内部复杂的涡系结构用传统的单通道模式是无法准确把握的。本文使用商业软件Numeca的Fine/Turbo模块，对某包含斜流叶轮与蜗壳一体的斜流风机进行整机计算，对该斜流风机在设计转速下不同工况点进行了数值模拟，与已有的试验数据对比。在此基础上，本文重点分析了蜗壳内部流场的不对称性和蜗壳内部涡系形成与发展的过程。证实了叶轮与蜗壳相互作用引起的涡系是影响斜流风机效率的主要原因。2 网格

7、生成及求解方法2.1 模型的选取_收稿日期：2005-07-08 西安市 710072 利用DES公司的三维造型软件UG, 以某斜流风机作为研究对象，该风机叶片数为13。利用UG与IGG通用接口格式IGES建立蜗壳部分的数学模型并生成网格，叶轮部分网格利用NUMECA商业软件中的Auto Grid模块生成，最后在IGG中对接形成整个区域的计算网格。由于蜗壳出口处存在很大的漩涡,且涡的强度和位置均呈现周期性变化,因此在蜗壳出口加了出口延长管道,长度是出口当量直径的5倍。2.2 网格生成采用分区分块网格生成方法将复杂的几何区域分割成若干简单的小块,然后将每一小块区域单独生成合适的网格,最后将所有的

8、网格耦合起来8， 整个计算区域分为叶道区、蜗壳区及中间过渡区。叶道区利用Numeca中专门针对叶轮机械部分网格生成模块Auto Grid生成，见图1。 蜗壳部分网格利用UG与IGG通用接口建立数学模型，利用多块网格技术进行划分,见图2。其中叶片为钝头结构，尾缘部分采用单独的网格块，叶顶间隙采用蝶形网格生成，分内外两层网格结构，见放大图3。过渡区网格采用H型网格结构。整个计算单元总数为1525918，详细的网格单元分布见表1。表1 计算网格单元分布 网格数目叶轮部分（单个叶片）过渡区蜗壳部分主通道间隙区尾迹区蜗壳出口延伸段周向（I）2191713173737径向（J）339933292529流向

9、（K）93161131710612933图1 叶轮网格 图2 蜗壳网格图3间隙网格及尾迹区网格放大图2.3 计算方法及边界条件商业计算软件Numeca使用时间相关法求解Reynolds时均方程，为了快速计算各种复杂流场，该软件采用多块/多重网格的计算技术，并有多种可供选择的对流项离散格式和湍流模型。计算采用B-L代数模型，对流项采用中心差分并结合四阶耗散项，时间推进选用四阶显式Runge-Kutta方法。计算时使用三重“V型”网格循环，CFL数取值3。由于流场中多处出现漩涡，且在出口处涡核强度和涡核位置均受上游的影响不断发生变化，因此整个流场呈现了一定的非定常特性，因此当进出口流量发生小幅振荡

10、时，可基本认为计算收敛。计算时给定进口总温、进口速度及进口气流角，出口给定背压，叶轮进出口延伸区和叶顶间隙给定周期条件，绝热固体壁面给定无滑移条件。3 计算结果及分析3.1 计算结果与试验结果的比较数值计算采用与试验条件完全一致的不同设计工况点下进行，额定转速为16014r/min，大气温度30，大气压力100.5kPa，进口轴向进气，给定静温和轴向进口速度，出口给定的背压为大气压力。图4和图5分别给出了试验和计算的绝热效率、总压比随流量变化的性能曲线图。从图中可以看出，计算性能与已有的试验数据吻合较好,误差均在5%以内。但由于计算模型中忽略了叶轮外壁厚度导致顶部间隙增大，泄漏流动增强，导致流

11、量、效率均有所降低，而压比比度验值均普遍偏高。另外，网格数目、网格质量、数值结果带有一定的非定常波动特性均会对计算结果产生一定的误差。由于试验条件的限制，无法对内部流动流场细节进行测量，下面以最高效率点的计算结果来对内部流场的分布作初步分析。 图4 等熵效率曲线图 图5 总压比曲线图3.2 静压分布图6表示的是跨蜗壳前后壁的中央截面静压云图；图7为蜗壳内壁对应于图6的4个不同截面的静压沿蜗壳宽度变化的曲线图； 图8为蜗壳内壁低端、中间截面和顶部3个截面的静压沿周向变化的曲线图，由于在该计算中动叶出口与蜗壳之间采用“冻结转子法”的交接面处理技术，这种动静干涉技术忽略了转子的运动，因此稳态解取决于

12、转子相对于静子的相对位置。由图6可见，蜗壳内静压随蜗壳半径的增大而增大，在接近外壁面处达到最高值。由图7可以看出，4个截面处静压沿蜗壳宽度方向的变化很大，但都呈现先减小后增大的趋势，这是因为中间为叶轮出口与蜗壳的掺混区，而且叶轮斜向底端冲击进入蜗壳，因此低端的静压比顶部静压比高。 图8表示蜗壳内壁3个不同高度位置处静压的周向曲线图，由图中仍然可以看出明显的不均匀特性，对于底端曲线，由于叶轮钝头尾迹的影响，呈现出明显的周期性，对于中间曲线和顶部曲线，蜗壳的非对称性引起90180范围内的静压明显增大。 图6 蜗壳前后壁中央处回转面的静压分布 图7 4个截面沿蜗壳宽度方向的压力分布曲线图8 3个不同

13、高度位置周向压力分布曲线3.3 蜗壳内部涡系的形成与发展图9、图10、图11和图12是蜗壳相应位置上的二次速度矢量分布图，图13和图14表示的是蜗壳出口及蜗壳出口延伸段的二次流动现象。由图9图12看出，在蜗壳内气流存在着很强的漩涡流动，这种漩涡流动是由于受叶轮出口气流的冲击引起的，气流冲击方向均由蜗壳内壁指向外壁（图9图12中从右至左）。这是由于气流撞击壁面而形成的漩涡，在蜗壳内漩涡运动一直存在并发展着，但比较图13和图14后发现漩涡运动逐渐减弱。在蜗壳延伸段，气流是以螺旋形式向前运动的，漩涡强度逐渐减小。由图13和图14可知，在蜗壳出口处漩涡非常明显，甚至在5倍当量直径的蜗壳出口延伸段仍然有

14、比较大的漩涡存在，因此计算时会呈现一定的非定常特性。 图9 蜗壳0截面二次流动 图 10蜗壳90截面二次流动 图11 蜗壳180截面二次流动 图12 蜗壳270截面二次流动图13 蜗壳出口截面二次流动图14 蜗壳延伸段出口截面二次流动4 结论（1）本次数值计算设计转速性能与试验结果吻合较好，可以为试验结果提供理论基础和验证，并可为不同转速下进一步的特性试验提供指导。（2）计算表明，蜗壳通流区域存在明显的漩涡流动，这种流动至蜗壳延伸段出口360区域经历了一个产生、发展和耗散的演变过程。 （3）本次数值模拟很好地捕捉了斜流风机内部许多重要的流动现象，这些现象表明了斜流风机内的流动非常复杂，不具有任

15、何轴对称性，属于全三维的粘性流动，而且部件之间的关联非常紧密，下游部件也会对上游部件产生很大影响。因此，在某些简化模型下对风机内某个部件或某个流道做的数值模拟并不能准确反映蜗壳与叶轮之间的相互作用，也很难为风机的设计和性能优化提供可信的理论依据。参 考 文 献1 吴克启，于文华.后置蜗壳斜流叶轮进出口流动的实验研究.工程热物理学报，1994，15(4).2 李强,吴克启.后置导叶翼型斜流叶轮进口流场的实验研究.流体机械，1997,25(9).3 Arjun S R.A Study of the Behaviourof Flow in a Diagonal-Flow TurbomachineC.ASME Paper .4 赖焕新,康顺