离心风机叶片扩压器三维速度场的实验研究

离心风机叶片扩压器三维速度场的实验研究

在离心式液体机械中，旋转叶片下游的静态叶片扩压器对整个过程的性能和场景的影响很大。现在，旋转离心叶片的研究相对成熟，叶片效率可以达到90%以上，但扩大叶片的研究还没有取得突破，这往往限制了叶片扩压器的性能。叶片扩压器的内部流动相当复杂。为了更好地理解扩大叶片内流的外部现象，以及叶片出口至扩张叶片内流的非定常流动对扩压器内部流场的影响，本文使用激光多普勒测速仪（ldv）对直板叶片扩压器的流场进行了测量，并将其计算的实验测量和数值计算方法结合起来，分析了扩张叶片内的流现象和运动机，为优化离心式液体机械的开发提供了参考，提高了叶片效率。1实验与研究1.1实验装置的结构实验装置是按照“GB1236-85通风机空气动力性能试验方法”建立的,主要由实验风机和出口测试管道组成(见图1).实验风机的叶轮为闭式直前盘叶轮,叶轮叶片为后向单圆弧叶片(叶片数Z1=14),扩压器为直板型叶片扩压器(叶片数Z2=12),机壳为矩形截面螺线型机壳.整个实验装置由有机玻璃制成,根据“激光多普勒测量系统的测量要求”,在机壳前侧板和扩压器前侧板上的测量范围内均开了窗口,并镶嵌有光学玻璃,以保证透光度.1.2脉冲时间测量装置是采用西安交通大学流体机械国家重点学科专业实验室的双探头六光束三维激光多普勒测量系统.LDV测量为单点测量,测量点上测得的速度为测量时间内的平均速度V¯¯¯=∑Vτ/∑τ式中:τ为脉冲时间;V为脉冲时间内测量的速度.实验选取了扩压器的一个流道进行三维测量.在扩压器内部分布的测量点数为15×7×5个.轴向均匀地取5个测量平面,每个测量平面上沿半径方向布置着7条圆弧线,沿每条圆弧线等间距分布15个测量点.按同样的方法,在扩压器与叶轮之间的区域处布置了14×4×5个测量点.本次实验分大、中、小流量3个工况(Q/Q0=1.34,1.00,0.59,其中Q/Q0=1.00是风机整机最高效率点),采用LDV对扩压器内部流场进行了测量.2风机模型的建立为了研究叶轮出口到扩压器叶片进口之间的非定常流动对扩压器内部流场的影响,采用商业数值计算软件FLUENT对风机整场进行了非定常数值模拟.根据实验风机的实际结构对其进行建模(见图2,其中叶片扩压器测量流道的网格节点数为25×13×7个).采用Realizablek-ε紊流模型进行隐式分离求解,压力和速度耦合采用SIMPLEC算法来实现,并采用滑移网格技术,在滑移界面上传递上下游的流动信息.取时间步长t=60/(nZ1Z2),一个叶轮叶片通过一个扩压器流道需要14个时间步.3数据处理与结果分析3.1处理和分析实验结果3.1.1不同流量工况下扩压器内部气流速度分布图3给出了实验的大、中、小流量工况下叶片扩压器内部靠近盖侧、盘侧和中间流道的3个回转面上的速度分布.从总体上看,气流方向沿着流道方向,并且从扩压器叶片吸力面到压力面以及从扩压器进口到出口,气流速度均是逐渐减小的.在大流量工况下(见图3a～图3c),气流速度在整个扩压器流道中分布比较均匀,从扩压器的进口到出口气流的速度减小不明显,根据伯努利方程可以判断大流量下扩压器的扩压能力很差.在扩压器的叶片压力面附近,出现了从进口向出口不断扩大的低速区,这是由于气流进口负攻角过大,叶片压力面附近的附面层影响较大的缘故.在中流量工况下(见图3d～图3f),扩压器内部的气流速度和大流量工况相差不大,且速度分布非常相似.但盘侧速度明显小于中间和盖侧回转面上的速度,且速度方向与叶轮旋转方向的夹角较小,这是因为扩压器进口靠盘侧附近气流分离显著,造成盘侧的堵塞并使气体靠近盖侧流动,促使盖侧附近的气流速度较大.在小流量工况下(见图3g～图3i),速度的最大值位于中间回转面处,扩压器两侧回转面上的速度较小.沿着气体流动方向速度减小的幅度也比大、中流量下大,这表明小流量下扩压器内部流动情况良好,扩压器的扩压能力非常好.对比3个流量工况下的中间回转面上的速度分布发现,随着流量的减小,扩压器内中间回转面上的气流的速度逐渐增大,扩压器叶片压力面附近的低速区范围逐渐减小,扩压器进口速度的最大值逐渐向叶片吸力面移动,扩压器叶片吸力面附近的测量盲区处的速度梯度逐渐增大.3.1.2风机进口的流场分布为了便于分析,仅取3个工况下扩压器中间子午面上的流场进行分析.从图4可以看到,在扩压器上游流场中,大、中流量下靠近盘侧的气流方向偏向盖侧,且中流量下气流方向与侧板的夹角较大,小流量下盘、盖两侧气流均偏向中间流动.由于实验风机叶轮出口到扩压器叶片进口之间的区域很大(R3/R2=1.1),扩压器上游和内部流场不仅受到了叶轮出口气流的影响,而且也还受到蜗壳盘、盖侧空腔的影响,并随着流量的减小,来自蜗壳两侧空腔的影响越来越大.在扩压器内部流场中,大流量下主要受叶轮出口射流的影响较大,蜗壳两侧空腔的影响较小,进口的速度分布非常均匀.中流量下扩压器盘侧附近出现了低速区,这主要是因为来自蜗壳盘侧空腔二次流的影响,使得盘侧附近出现了气流分离.小流量下扩压器盘盖侧附近的气流速度较小,蜗壳盘、盖侧空腔均有气流流入扩压器.蜗壳盘盖侧空腔的二次流均增大了扩压器内部的流量,因而扩压器内部的速度会随着风机进口流量的减小而增大.3.2计算值的处理和分析3.2.1旋转过程中非定常扰动的特征分析为了分析扩压器流场的非定常流动,在扩压器的进口、中间和出口截面的中央布置了3个监测点,用来监测扩压器3个不同位置的速度随时间的变化.为了简化篇幅,本文仅分析中流量(Q/Q0=1.00)下扩压器内部的非定常流动.图5a给出了叶轮旋转一周的时间周期内的监测结果,发现从扩压器进口截面到出口截面,随着扩压器流道的通流面积的增大,平均速度逐渐减小,满足连续性方程,同时也发现非定常速度脉动的幅度也逐渐减小.对3个监测点的非定常速度的时间序列进行快速傅里叶变换,得到了进口、中间和出口截面中央监测点处非定常速度的功率谱密度图(见图5b),3个截面处的非定常流动最大功率谱密度对应的频率均等于280Hz,与叶轮叶片的通过频率(f=nZ1/60)相等,说明在扩压器内部的非定常扰动主要来源于叶轮的旋转.随着气体远离叶轮向扩压器出口流动,功率谱密度逐渐减小,非定常流动的能量逐渐减弱,这表明扩压器内部气流受到的来自叶轮旋转的非定常干扰是逐渐衰减的.3.2.2扩压器流场模拟结果分析从监测的结果还可以发现扩压器内的流动呈现出比较好的周期性,其周期T=60/nZ1.将一个周期内扩压器内部所有网格节点上的速度进行时均处理,得到扩压器的时均流场,并与LDV实验结果进行对比分析.图6给出了在相同的流量下非定常计算出来的扩压器时均流场.与本文第2节的实验结果图3进行比较发现,数值模拟得到的扩压器流场的速度分布和实验非常相近,充分说明了数值模拟的可行性.同样也可以看到,随着流量的减小,扩压器内部中间回转面上的速度以及沿扩压器流道方向的速度减小的幅度均逐渐增大.中流量下盘侧速度和速度方向与叶轮旋转方向的夹角都较小.在数值计算结果中,还可以清楚地看到扩压器叶片附近实验测量盲区处的流场速度大小和方向.在扩压器叶片压力面附近也可以明显看到沿流道方向不断扩大的低速回流区,特别是在大流量下,回流更加显著.随着流量的减小,低速区的范围也随之减小,而扩压器叶片吸力面附近气流的速度梯度逐渐增大.3.2.3流场中的流场影响图7给出了3种流量工况下同一时刻(t=T/6)扩压器中间子午面上的数值流场.可以看出,数值流场中蜗壳盘、盖侧空腔对叶片扩压器的流场影响较实验结果更为明显.同时也发现,在蜗壳盘、盖侧空腔内流入叶轮和扩压器之间区域的二次流的方向是从扩压器的出口流向进口,这主要是由于经过扩压器的扩压作用,扩压器出口气流压力较进口大,从而在压差的作用下在蜗壳盘、盖侧空腔内形成了二次流.4两相流道方向比较本文对一实验风机直板型叶片扩压器内部流场开展了LDV测量和整场的非定常数值计算,得到了非常有价值的数据资料.(1)从总体上看,扩压器内部的气流方向沿着扩压器的流道方向,且随着气流流向下游,气流的速度逐渐减小,非定常速度脉动也逐渐减弱,非定常速度脉动的频率