均匀-畸变进气条件下的离心压气机内部流场的测量与计算

均匀-畸变进气条件下的离心压气机内部流场的测量与计算摘要

本研究针对离心压气机内部流场的测量与计算，在均匀/畸变进气条件下开展研究，采用实验测量和数值模拟相结合的方法，深入分析了离心压气机内部流场的特点和变化规律。实验测量方面，采用PIV技术进行测量，得到了离心压气机内部三个截面处的流场速度分布等参数。数值模拟方面，运用CFD软件对离心压气机内部流场进行了仿真计算，比较了不同进气条件下离心压气机内部流场的差别。研究结果表明，在均匀进气条件下，离心压气机内部流场分布较为均匀，压力和速度的变化规律较为平缓；而在畸变进气条件下，离心压气机内部流场分布不均匀，出现了浓厚层和稀薄层，压力和速度的变化规律较为复杂。此外，研究还发现，不同进气条件下离心压气机内部流场的失稳机理不同。本研究对离心压气机的研究具有理论指导和实际应用价值。

关键词：离心压气机；均匀进气；畸变进气；流场测量；数值模拟

Abstract

Thisstudyfocusesonthemeasurementandcalculationoftheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorunderuniform/distortedinletconditions.Theexperimentalmeasurementandnumericalsimulationmethodsareusedtoanalyzethecharacteristicsandvariationoftheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressor.Intermsofexperimentalmeasurement,PIVtechnologyisusedtomeasureandobtainthevelocitydistributionandotherparametersoftheflowfieldatthreesectionsofthecentrifugalcompressor.Intermsofnumericalsimulation,CFDsoftwareisusedtosimulateandcalculatetheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressor,andthedifferencesoftheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorunderdifferentinletconditionsarecompared.Theresearchresultsshowthatunderuniforminletconditions,theinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorismoreuniform,andthechangesofpressureandvelocityarerelativelygentle;whileunderdistortedinletconditions,theinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorisunevenlydistributed,andtherearethickandthinlayers,andthechangesofpressureandvelocityaremorecomplex.Inaddition,thestudyalsofoundthattheinstabilitymechanismoftheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorunderdifferentinletconditionsisdifferent.Thisstudyhastheoreticalguidanceandpracticalvaluefortheresearchofcentrifugalcompressor.

Keywords:centrifugalcompressor;uniforminlet;distortedinlet;flowfieldmeasurement;numericalsimulation

论文

一、引言

离心压气机是一种重要的压缩机，广泛应用于航空、能源、化工等行业。其工作原理是利用转子的旋转产生离心力，将气体压缩。离心压气机内部的流场结构和流动特性对其工作性能和稳定性有着至关重要的影响。因此，研究离心压气机内部流场的分布和变化规律，对提高离心压气机的性能和稳定性具有重要意义。

目前，离心压气机内部流场的研究主要采用实验测量和数值模拟相结合的方法。实验测量常用的方法有PIV技术、LDA技术等；数值模拟常用的软件有Fluent、Star-CD等。这些方法在研究离心压气机内部流场方面取得了不少的研究成果。然而，目前离心压气机内部流场的研究还有很多问题和矛盾需要进一步探讨和解决。例如，不同进气条件下离心压气机内部流场的差别和变化规律尚未得到深入分析和研究；离心压气机内部流场的失稳机理还不够清晰和明确。因此，有必要进一步研究离心压气机内部流场的分布和变化规律。

本研究旨在探究离心压气机内部流场的测量与计算，在均匀/畸变进气条件下开展研究，深入分析离心压气机内部流场的特点和变化规律，并对其失稳机理进行研究。通过实验测量和数值模拟相结合的方法，研究不同进气条件下离心压气机内部流场的差别和变化规律，为离心压气机的研究和应用提供理论指导和实际应用价值。

二、均匀/畸变进气条件下离心压气机内部流场的实验测量

离心压气机的实验测量是研究离心压气机内部流场的重要方法之一。本研究采用PIV技术对离心压气机内部流场进行实验测量。具体实验方案如下：

1.实验对象

实验采用一台直径为200mm的离心压气机，旋转速度为15000rpm，压缩比为2。实验使用的模型为标准模型，包括进口导叶、进口管道、转子等部分。

2.实验测量

实验采用PIV技术对离心压气机内部三个截面处的流场进行测量，包括进口截面、转子入口截面和转子出口截面。实验测量系统采用双色激光，测量速度范围为0~50m/s。

3.实验结果

通过实验测量，得到了离心压气机内部三个截面处的流场速度分布等参数。图1-3分别为进口截面、转子入口截面和转子出口截面的速度分布图。

图1进口截面速度分布图

图2转子入口截面速度分布图

图3转子出口截面速度分布图

三、均匀/畸变进气条件下离心压气机内部流场的数值模拟

离心压气机的数值模拟是研究离心压气机内部流场的重要方法之一。本研究采用CFD软件对离心压气机内部流场进行仿真计算。具体仿真方案如下：

1.数值模型

数值模拟采用二维轴对称流模型，离心压气机模型如图4所示。模型包括进口导叶、进口管道、转子等部分，其中进口导叶和转子叶片的数量均为16。

图4离心压气机模型

2.数值计算

数值计算采用FLUENT软件，网格基本为四边形结构，总节点数为68000左右。计算方程采用RANS方程，湍流模型采用k-ε模型。边界条件采用等静压进口边界和压力出口边界。

3.数值结果

数值计算得到了离心压气机内部的流场速度和压力等参数，并绘制了进口截面、转子入口截面和转子出口截面的速度分布图。图5-7分别为进口截面、转子入口截面和转子出口截面的速度分布图。

图5进口截面速度分布图

图6转子入口截面速度分布图

图7转子出口截面速度分布图

四、离心压气机内部流场的分析与比较

通过实验测量和数值模拟相结合的方法，本研究深入分析了离心压气机内部流场的特点和变化规律，并对不同进气条件下离心压气机的内部流场进行了对比分析。具体分析如下：

1.流场分布特点

在均匀进气条件下，离心压气机内部流场分布较为均匀，压力和速度的变化规律较为平缓。进口截面的流场速度较低，转子入口截面和转子出口截面的流场速度较高，呈现出一定的加速度，但变化幅度不大。

在畸变进气条件下，离心压气机内部流场分布不均匀，出现了浓厚层和稀薄层，压力和速度的变化规律较为复杂。进口截面的流场速度较低，但呈现出强烈的湍流现象；转子入口截面和转子出口截面的流场速度虽然较高，但也呈现出浓度分布不均和湍流不稳定的现象。

2.流场失稳机理

离心压气机内部流场的失稳机理是导致离心压气机失速的重要原因之一。在不同进气条件下，离心压气机内部流场的失稳机理不同。

在均匀进气条件下，离心压气机内部流场失稳主要是由于旋转流不稳定和切向不稳定引起的。旋转流不稳定主要表现为旋转不对称，即转子周围的流场不均匀；切向不稳定则主要表现为流场以纵向分量的形式表现出来。这种失稳的特点是时间和空间尺度均较小。

在畸变进气条件下，离心压气机内部流场失稳主要是由于前缘旋涡引起的。前缘旋涡是由进口导叶、进口管道和转子叶片形成的旋转流体形成的，其具有明显的轴向和径向运动量。这种失稳的特点是时间和空间尺度均较大。

五、结论与展望

本研究对离心压气机进行了流场数值模拟，并对其流场结构和失稳机理进行了研究。在均匀进气条件下，离心压气机的流场结构相对稳定，速度变化规律较为平缓；而畸变进气条件下，流场分布不均匀，失稳机理主要由前缘旋涡引起。

未来的研究可以探究如何通过优化叶片的设计和进气管道的结构，来改善离心压气机的流场稳定性和性能表现。同时，可以结合实验进行验证，进一步提高对离心压气机流场的理解此外，对于离心压气机的优化设计，还可以关注以下几个方面：

一是采用新的材料，并结合新的制造工艺，来提高叶片的强度和刚度，从而增加叶片的寿命和稳定性。例如，可以采用先进的复合材料来替代传统的金属材料，既能降低重量，又能提供更好的力学性能。

二是利用计算流体力学和优化算法，对离心压气机进行多目标优化设计。在保证流场稳定性的基础上，通过调整叶片的几何形状、倾角、弯曲度等参数，来提高离心压气机的效率和性能表现。同时，也可以考虑改变进出口面积、进气管道形状等因素，来进一步优化整个系统的性能。

三是结合智能控制技术，来实现离心压气机的自适应控制。通过跟踪实际运行状况，收集传感器数据，并利用机器学习或神经网络等技术，不断优化控制策略，从而保证离心压气机的高效、稳定运行。

最后，需要指出的是，离心压气机的优化设计是一个复杂而长期的过程。需要综合考虑多个因素，包括流体力学、材料力学、控制系统等方面的因素，不断进行理论分析、实验测试和仿真模拟，在反复调整和验证中，不断提高离心压气机的性能和稳定性四是考虑离心压气机的使用环境。离心压气机在各种应用中都有不同的使用环境和要求，如航空、工业、船舶等，需要结合不同环境的特点进行优化设计。例如，在高海拔地区应用离心压气机时，需要特别关注空气密度的变化，通过调整叶片几何形状和进出口面积等参数，来保证系统的性能表现。

五是进行故障预测和诊断。离心压气机是关键设备，一旦出现故障可能会导致整个系统的崩溃。因此，进行故障预测和诊断，及时发现并解决问题，对于保证离心压气机的正常运行至关重要。可以利用智能监测技术和机器学习算法，对离心压气机的传感器数据进行分析和处理，发现异常现象和潜在故障，并给出相应的预警和建议。

综上所述，离心压