Numeca渦輪級(jí)及葉輪流場(chǎng)計(jì)算規(guī)范

1、渦輪級(jí)及葉輪流場(chǎng)計(jì)算規(guī)范北京理工大學(xué)渦輪增壓實(shí)驗(yàn)室2008年 10月目錄1. 概述 12. 渦輪級(jí)網(wǎng)格劃分技術(shù). 12.1 渦殼網(wǎng)格劃分技術(shù) 12.2 噴嘴環(huán)和葉輪的網(wǎng)格劃分技術(shù) 32.3 渦輪級(jí)網(wǎng)格的生成 52.4 網(wǎng)格分區(qū)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)渦輪葉輪流道網(wǎng)格質(zhì)量的影響 62.5 附面層網(wǎng)格剖分的要求 102.6 葉輪網(wǎng)格質(zhì)量判斷準(zhǔn)則. 113. 邊界條件的給定 144 計(jì)算區(qū)域的選擇 175 湍流模型研究 226 渦輪三維流動(dòng)計(jì)算判別準(zhǔn)則 . 226.1 熵的分布 226.2 靜壓分布 236.3 馬赫數(shù)分布 256.4 葉輪進(jìn)口攻角 251.概述車用渦輪增壓器使用的小型徑流渦輪內(nèi)的流動(dòng)具有強(qiáng)烈的

2、三維特征， 氣流將 在幾何尺寸很小的通道內(nèi)從徑向轉(zhuǎn)為軸向，加上旋轉(zhuǎn)和各種曲率的影響，造成渦輪內(nèi)流動(dòng)非常復(fù)雜，因此采用三維 CFD方法對(duì)渦輪性能和內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模 擬也比較復(fù)雜，影響計(jì)算準(zhǔn)確程度的因素主要包括： 網(wǎng)格的劃分、計(jì)算區(qū)域的選 擇、計(jì)算邊界條件、湍流模型等。本課題采用葉輪機(jī)械CFD軟件NUMECA的Fin e/turbo 軟件包，對(duì)典型的車用增壓器渦輪進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究，分析上述因 素對(duì)渦輪性能的影響，并確定渦輪內(nèi)部流場(chǎng)的判別準(zhǔn)則。2.渦輪級(jí)網(wǎng)格劃分技術(shù)一個(gè)完整的徑流渦輪級(jí)包含渦殼、噴嘴環(huán)和葉輪，渦輪級(jí)的網(wǎng)格劃分研究選 擇JK90S增壓器作為研究對(duì)象，它是徑流有葉渦輪增壓器，渦輪的主要

3、幾何參 數(shù)和性能參數(shù)如表1所示。表1 JK90S增壓器渦輪結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)葉輪進(jìn)口直徑 mm83壓比2.28葉輪出口輪緣直徑mm73入口總溫K730葉輪出口輪轂直徑 mm26流里kg/s0.41葉輪進(jìn)口葉高 mm16轉(zhuǎn)速r/mi n94000葉輪軸向?qū)挾?mm25葉片數(shù)12渦殼入口面積cm234噴嘴環(huán)入口直徑mm112噴嘴環(huán)出口直徑 mm91噴嘴環(huán)葉片高度14噴嘴環(huán)葉片數(shù)15噴嘴環(huán)出口角度25渦輪級(jí)的網(wǎng)格劃分是對(duì)渦殼、噴嘴環(huán)葉片和葉輪分別劃分網(wǎng)格，然后進(jìn)行整 個(gè)級(jí)的網(wǎng)格生成。2.1渦殼網(wǎng)格劃分技術(shù)JK90S增壓器渦輪殼采用雙通道梨形 360度全周進(jìn)氣，其截面形狀如圖1所 示

4、，截面參數(shù)表如表2所示。k 71 k:r -1 -密P1L5圖1 JK90S渦輪殼流道截面形狀表2 JK90S渦殼流道截面尺寸表截面0306090120150R mm5753.550.5：4743.540r mm11.410.710.19.48.78截面1802102401 270300330R mm363227.5；22.817.5M1.3r mm7.26.45.54.563.52.26根據(jù)渦殼流道的幾何尺寸，首先利用三維CAD軟件建立渦殼流道的三維模型 （如圖2所示）。渦殼三維模型建立以后，將模型的iges文件輸入到Numeca的Fine/turbo 軟件包中的網(wǎng)格生成模塊IGG中劃分網(wǎng)格

5、。由于渦殼流通區(qū)域幾何形狀復(fù)雜，在 渦殼網(wǎng)格劃分時(shí)采用分塊的措施，即將渦殼流道劃分為13個(gè)塊，其中從入口到0-0截面為1塊，從0 0截面到360度截面按照每30度劃分為1個(gè)塊共計(jì)12 塊。整個(gè)渦殼網(wǎng)格的質(zhì)量通過對(duì)每一塊網(wǎng)格質(zhì)量的控制來達(dá)到。在分別劃分各個(gè) 塊網(wǎng)格的過程中，必須注意各個(gè)塊的網(wǎng)格坐標(biāo)及坐標(biāo)方向一致， 這是為了保證沒 有負(fù)網(wǎng)格出現(xiàn)。進(jìn)行渦殼和過渡段分塊時(shí)，要保證二者相鄰面的網(wǎng)格形狀大小相 同。從渦殼入口段至0 0截面，采用蝶形網(wǎng)格。從0 0截面到360度截面部分， 將流道截面分為3部分如圖3所示，其中1和2兩部分由于形狀比較復(fù)雜，采用 蝶形網(wǎng)格。圖3渦殼流道截面分區(qū)示意圖最后完成的渦

6、殼網(wǎng)格如圖4所示。渦殼總網(wǎng)格642874，分成14塊，最小正 交性12.99，最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比714.3,最大網(wǎng)格延展比5.10。圖4 JK90S渦輪渦殼網(wǎng)格2.2噴嘴環(huán)和葉輪的網(wǎng)格劃分技術(shù)JK90S渦輪噴嘴環(huán)葉片采用氣動(dòng)葉型，其葉片形狀和葉型數(shù)據(jù)分別見圖5和 表3。葉片型線圖5 JK90S噴嘴環(huán)葉片形狀表3噴嘴環(huán)葉片葉型數(shù)據(jù)l mm00.260.521.041.562.083.124.166.24b mm00.761.041.421.67M.852.092.212.3l mm8.3210.412.4814.5616.6418.7219.96b mm2.252.11.861.551.170.74

7、0.49渦輪葉輪由于無(wú)法獲得葉片的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)， 因此首先采用三坐標(biāo)測(cè)量測(cè)得 葉輪的幾何數(shù)據(jù)，然后根據(jù)葉輪的測(cè)量數(shù)據(jù)，利用三維 CAD軟件建立葉輪的幾 何模型（如圖6）。圖6 JK90S渦輪葉輪三維模型噴嘴環(huán)葉片和葉輪的網(wǎng)格是利用 Fine/turbo軟件包中的Autogrid模塊生成 的。模型導(dǎo)入的方法為：首先根據(jù)噴嘴環(huán)葉片和葉輪葉片的幾何數(shù)據(jù)，分別建立噴嘴環(huán)葉片的壓力面、吸力面數(shù)據(jù)文件，以及葉輪葉片的壓力面、吸力面、葉輪 通道輪轂線和輪緣線，然后將它們導(dǎo)入 Autogrid中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在對(duì)噴嘴環(huán)和葉輪網(wǎng)格的劃分過程中，為了研究噴嘴環(huán)間隙和葉輪葉背間隙 對(duì)渦輪性能的影響，劃分了 3套網(wǎng)格

8、：第一種情況是不考慮噴嘴環(huán)上下兩端的間 隙，第二種情況是噴嘴環(huán)上下兩端各加上0.2mm的間隙，第三種情況是在第二種情況的基礎(chǔ)上，再加上1mm的輪盤背面間隙。葉輪的前緣和尾緣在 shroud處 給定間隙均為0.6mm。帶噴嘴間隙和葉背間隙的網(wǎng)格圖見圖7。噴嘴環(huán)和葉輪網(wǎng)格圖（帶噴嘴間隙）噴嘴環(huán)和葉輪網(wǎng)格圖（帶輪背間隙）圖7噴嘴環(huán)和葉輪網(wǎng)格的劃分三種情況下的網(wǎng)格質(zhì)量如下：第一種情況：不帶噴嘴間隙，總網(wǎng)格數(shù)487216,分成12塊，最小正交性22.89, 最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比308.8，最大網(wǎng)格延展比2.6。第二種情況：帶噴嘴間隙，總網(wǎng)格數(shù)555592,分成16塊，最小正交性22.89, 最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比30

9、8.8，最大網(wǎng)格延展比2.6。第三種情況：帶噴嘴間隙和輪背間隙，總網(wǎng)格數(shù)613650,分成18塊，最小正交性20.5,最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比307.59，最大網(wǎng)格延展比2.6。2.3渦輪級(jí)網(wǎng)格的生成噴嘴環(huán)和葉輪三部分（如整個(gè)渦輪級(jí)的CFD計(jì)算，計(jì)算區(qū)域需要包括渦殼、 圖8所示）。圖8 JK90S渦輪級(jí)模型32IGG中生成整個(gè)渦輪級(jí)IGG，然后設(shè)定轉(zhuǎn)/靜葉的在渦殼、噴嘴環(huán)和葉輪的網(wǎng)格劃分完成后，需要在 的網(wǎng)格。將已劃分好的渦殼、噴嘴環(huán)和葉輪網(wǎng)格導(dǎo)入交接面參數(shù)即可。在渦輪級(jí)中存在兩個(gè)交接面，一個(gè)是渦殼與噴嘴環(huán)的交接面， 另一個(gè)是噴嘴環(huán)與葉輪的交接面，其中渦殼與噴嘴環(huán)之間的交接面設(shè)在距渦殼出 口 3.5mm

10、，而噴嘴環(huán)與葉輪的交接面由軟件自動(dòng)設(shè)定。 為了使給定邊界條件和試 驗(yàn)過程中的更接近，在渦殼的入口加了一段直管，最后生成的整個(gè)渦輪級(jí)網(wǎng)格如 圖9所示。圖9 JK90S渦輪級(jí)網(wǎng)格如前所述帶不帶噴嘴環(huán)間隙、帶噴嘴環(huán)間隙、帶葉輪葉背間隙三種情況下的 渦輪級(jí)網(wǎng)格情況如下：第一種情況：不帶噴嘴間隙，總網(wǎng)格數(shù)1309916,總共32塊，最小正交性12.99，最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比714.3,最大網(wǎng)格延展比5.1。第二種情況：帶噴嘴間隙，總網(wǎng)格數(shù)1378292,總共36塊，最小正交性12.99, 最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比714.3，最大網(wǎng)格延展比5.1。第三種情況：帶噴嘴間隙和輪背間隙，總網(wǎng)格數(shù)1436350,總共38塊，最小

11、正交性12.99,最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比714.3,最大網(wǎng)格延展比5.1。2.4網(wǎng)格分區(qū)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)渦輪葉輪流道網(wǎng)格質(zhì)量的影響由于渦輪葉輪三維幾何形狀相對(duì)較為復(fù)雜，應(yīng)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分 時(shí)，為了保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量并便于控制網(wǎng)格的分布， 一般采用分塊劃分的方式， 并以一定的方式將幾個(gè)塊進(jìn)行連接并可進(jìn)行數(shù)據(jù)上的傳遞。計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格塊的劃分方法及其連接方式構(gòu)成了網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形式對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量有 直接的影響，合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅可以提高網(wǎng)格的質(zhì)量， 還可使網(wǎng)格生成的過程 簡(jiǎn)化。在本節(jié)中，將對(duì)JK90S渦輪葉輪進(jìn)行不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的網(wǎng)格劃分，并進(jìn) 行對(duì)比，以選定進(jìn)行渦輪葉輪網(wǎng)格生成的推薦方法。網(wǎng)

12、格劃分采用的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是 HCH型網(wǎng)格，即葉輪流道共采用 5 個(gè)網(wǎng)格塊分區(qū)（不考慮葉頂間隙內(nèi)的網(wǎng)格塊），其中四個(gè)網(wǎng)格塊為H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 葉片前緣上游及尾緣下游各有一個(gè) H型網(wǎng)格塊，葉片通道之間各有一個(gè)H型塊， 另外一個(gè)網(wǎng)格塊為 C型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包絡(luò)近葉片區(qū)域，又稱 Skin Mesh。所謂Skin Mesh結(jié)構(gòu)是指為了保證繞葉片區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量及分布以滿足附面層內(nèi)流動(dòng)特征 捕捉的需求，將近葉片區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格包絡(luò)式網(wǎng)格劃分的結(jié)構(gòu)。需要指出的是，由于本節(jié)所研究的JK90S渦輪葉輪為鈍尾緣結(jié)構(gòu)，因此其Skin Mesh的結(jié)構(gòu)為C 型，對(duì)于非鈍尾緣結(jié)構(gòu)（圓形、橢圓形、尖形等），則對(duì)應(yīng)的Skin M

13、esh為O形結(jié)構(gòu)，完全包絡(luò)整個(gè)葉片，但對(duì)總的網(wǎng)格塊數(shù)目沒有影響。圖10為基本的網(wǎng)格拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格參數(shù)。a網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)b網(wǎng)格參數(shù)圖10網(wǎng)格拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和參數(shù)在HCH基本網(wǎng)格拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，葉輪內(nèi)部網(wǎng)格可以采用匹配和非匹配 的連接方式，匹配連接方式指相鄰兩個(gè)網(wǎng)格塊之間交接網(wǎng)格面上的網(wǎng)格點(diǎn)一一對(duì) 應(yīng)，而非匹配連接方式，即兩個(gè)相鄰網(wǎng)格塊之間的網(wǎng)格點(diǎn)非一一對(duì)應(yīng)，圖11即為葉輪內(nèi)部采用匹配和非匹配連接方式的網(wǎng)格形式。a兩個(gè)通道之間采用匹配網(wǎng)格情況b兩個(gè)通道之間采用匹配網(wǎng)格情況 圖11兩種連接方式的渦輪葉輪內(nèi)部網(wǎng)格采用以上這兩種連接方式的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都可以對(duì)渦輪葉輪進(jìn)行正常的網(wǎng)格分區(qū)和網(wǎng)格剖分，并形成最終的

14、三維計(jì)算網(wǎng)格，但由于其網(wǎng)格連接方法有所不 同，因此最終所生成網(wǎng)格的質(zhì)量也會(huì)有所不同。以下將主要針對(duì)采用這兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所生成的Blade-to-Blade截面網(wǎng)格正交性進(jìn)行對(duì)比分析，以闡述這兩種 網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異及特點(diǎn)。圖1214給出了三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的葉輪 0%、50%及100%葉高截面 網(wǎng)格單元及網(wǎng)格質(zhì)量分布圖。左列為對(duì)應(yīng)截面的網(wǎng)格單元及其正交性分布云圖， 左列柱圖為其網(wǎng)格正交性從 0-90度對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元數(shù)及占整個(gè)截面的網(wǎng)格總數(shù) 百分比分布。對(duì)于正交性，網(wǎng)格單元的角度越接近90度則說明網(wǎng)格質(zhì)量越好，越接近0度則說明網(wǎng)格質(zhì)量越差。而圖15為采用匹配和非匹配連接方式的葉輪 總的網(wǎng)格

15、正交性的分布，可以評(píng)價(jià)整個(gè)葉輪通道內(nèi)部網(wǎng)格質(zhì)量。a非匹配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)b匹配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖12 0%葉高截面網(wǎng)格及其正交性分布b匹配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖13 50%葉高截面網(wǎng)格及其正交性分布a非匹配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)b匹配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖14 100%葉高截面網(wǎng)格及其正交性分布圖15兩種連接方式總的網(wǎng)格正交性分布由圖可以明顯看出，采用非匹配連接方式的網(wǎng)格質(zhì)量可以顯著改善葉輪內(nèi)部 的網(wǎng)格質(zhì)量，表現(xiàn)在：非匹配連接方式中網(wǎng)格單元正交性角度處于54度以上的網(wǎng)格明顯多于匹配連接方式，在正交性較差的區(qū)域（小于36度），非匹配連接方 式的網(wǎng)格數(shù)量明顯少于匹配方式，這說明匹配方式未能很好的控制正交性較差的 網(wǎng)格單元數(shù)目。另外，從兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)

16、的截面上的正交性分布來看，非匹配連接方式對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格正交性分布較均勻，沒有出現(xiàn)較大的梯度，而對(duì)于匹配連接 方式，這種不均勻性明顯加劇，這將對(duì)后期的計(jì)算過程中的差分格式精度造成一 定的影響?；谝陨戏治?，采用Skin Mesh形式的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以達(dá)到相當(dāng)?shù)木W(wǎng)格質(zhì) 量及網(wǎng)格光順性，并且在采用了非匹配的網(wǎng)格連接方式后， 可以大幅度提升網(wǎng)格 質(zhì)量。因此，渦輪葉輪的網(wǎng)格劃分，推薦采用HHCHH （鈍尾緣或/與鈍前緣結(jié)構(gòu)） 結(jié)構(gòu)或者HHOHH結(jié)構(gòu)（非鈍尾緣及前緣結(jié)構(gòu)），并在網(wǎng)格的連接方式上米用非 匹配連接方式。2.5附面層網(wǎng)格剖分的要求對(duì)于渦輪內(nèi)部的三維粘性流動(dòng)數(shù)值模擬， 在保證計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目的前提下，所

17、得到的計(jì)算結(jié)果可信度主要決定于邊界層內(nèi)的流動(dòng)模擬及損失預(yù)測(cè)。而決定邊界層內(nèi)流動(dòng)特征模擬精度的最主要因素便是壁面網(wǎng)格的 y+及邊界層內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)目。 為無(wú)量剛網(wǎng)格尺度，其定義為：y y y式中y為實(shí)際的網(wǎng)格尺度，為湍流粘性系數(shù)， 為動(dòng)力粘性系數(shù)， 為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，為工質(zhì)密度。圖16給出了靠近固體壁面區(qū)域的邊界層內(nèi)速度形分布與 y+的關(guān)系。由圖可以看出，邊界層分為三個(gè)子層：粘性底層、過渡層及對(duì)數(shù)率層。由于求解控制方 程為雷諾平均Navier-Stokes問題，因此方程組的封閉需要借助與湍流模型。常 用的湍流模型分為低雷諾數(shù)模型和高雷諾數(shù)模型兩類，這兩類湍流模型對(duì)于邊界層內(nèi)參數(shù)的模擬采用不同的方法。高

18、雷諾數(shù)模型直接應(yīng)用對(duì)數(shù)關(guān)系式來求解邊界 層內(nèi)的參數(shù)，沒有對(duì)粘性底層進(jìn)行特別處理，因此對(duì)y+的要求比較寬，允許其 值在20-50之間，但通過圖可以看出，邊界層內(nèi)的分離流動(dòng)不滿足對(duì)數(shù)律關(guān)系， 因此高雷諾數(shù)湍流模型在邊界層內(nèi)分離流動(dòng)的捕捉方面存在著缺陷；而低雷諾數(shù)模型求解粘性底層內(nèi)的流動(dòng)參數(shù)，可以較準(zhǔn)確的捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)信息，因此在進(jìn)行全三維粘性流動(dòng)數(shù)值模擬中推薦使用低雷諾數(shù)模型。由于直接對(duì)粘性底層進(jìn)行求解，因此要求其y+比較小，應(yīng)控制在10以下。而為了達(dá)到更準(zhǔn)確的粘性 底層流動(dòng)信息的捕捉，應(yīng)當(dāng)在粘性底層內(nèi)布置至少 3-5個(gè)網(wǎng)格，這就要求近壁面 的應(yīng)該控制在5以下，推薦值為2-3。根據(jù)此推薦的y+

19、值，可以根據(jù)下述公式來 預(yù)測(cè)近壁面第一層網(wǎng)格的法向尺寸：式中ywaii為近壁面第一層網(wǎng)格尺度（即 AutoGrid中所要求輸入的 First Cell Width），Vref為參考速度，可取為葉輪尾緣處線速度， 為工質(zhì)動(dòng)力粘性系數(shù)，Lref 為參考長(zhǎng)度，可取為葉輪進(jìn)口葉尖直徑。圖16邊界層內(nèi)速度形分布需要注意的是，上述公式僅僅為用于預(yù)測(cè)，實(shí)際的壁面y+應(yīng)當(dāng)根據(jù)最終的三 維計(jì)算結(jié)果輸出值為準(zhǔn)。如果三維計(jì)算結(jié)果輸出的y+實(shí)際值與推薦的2-3存在較 大差別，則可根據(jù)差別的比例返回重新修改網(wǎng)格生成過程中的第一層網(wǎng)格尺度， 并重新生成網(wǎng)格完成計(jì)算。一般情況下，第一層網(wǎng)格尺度的修正僅需要一次便可 以達(dá)到滿

20、足要求的網(wǎng)格。2.6葉輪網(wǎng)格質(zhì)量判斷準(zhǔn)則延展比、長(zhǎng)寬比，其具體幾何評(píng)價(jià)網(wǎng)格質(zhì)量的因素主要包括網(wǎng)格的正交性、 含義如下所示：對(duì)于計(jì)算精度及正交性：如右圖所示，圖中對(duì)應(yīng)的實(shí)線所構(gòu)成的區(qū)域 為一網(wǎng)格單元，該網(wǎng)格單元相鄰兩條網(wǎng)格邊的的夾角 表示網(wǎng)格單元的正交性角度，該角度范圍為 0-90度, 如該角度為鈍角，這對(duì)應(yīng)的正交性角度為其余角。該 網(wǎng)格單元的最小正交性角度則為 1、2、3、4四個(gè)角度中最小的角度。該正交性角度是網(wǎng)格質(zhì)量中最重要的指標(biāo), 計(jì)算收斂性有著明顯的影響，因此應(yīng)當(dāng)盡可能的提高計(jì)算網(wǎng)格正交性角度。 由于 受實(shí)際幾何形狀等因素的影響，使計(jì)算網(wǎng)格正交性角度普遍接近 90度無(wú)法實(shí)現(xiàn)， 但對(duì)于一個(gè)

21、高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格而言，應(yīng)當(dāng)使得全局網(wǎng)格的最小正交性角度不小于 20度，并需盡可能保證大正交性角度的網(wǎng)格占據(jù)總網(wǎng)格數(shù)的比例。一 T=陂9長(zhǎng)寬比：如由圖所示，圖中a、b、c、d四條邊構(gòu)成 一個(gè)網(wǎng)格單元。取任意相鄰的兩條網(wǎng)格邊的均值及 另兩條相鄰邊的均值之間的最大值與最小值之比值 即為網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比。長(zhǎng)寬比的大小影響著網(wǎng)格單元 的形狀，其值越接近1,則網(wǎng)格單元的形狀越接近 正方形，網(wǎng)格質(zhì)量越高，對(duì)應(yīng)的計(jì)算精度也就越高。 因此，應(yīng)當(dāng)盡可能的降低全局網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比。但對(duì) 于全三維粘性湍流計(jì)算，為了捕捉邊界層內(nèi)部的流 動(dòng)信息，需要對(duì)固體壁面區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密以滿足 邊界層內(nèi)網(wǎng)格數(shù)目及分布的要求，因此在限定網(wǎng)格數(shù)

22、目的情況下，無(wú)法大幅度降 低網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比?；诖嗽?，對(duì)于粘性網(wǎng)格，應(yīng)使得全局最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比不大 于1000,并應(yīng)使長(zhǎng)寬比大于100的網(wǎng)格單元數(shù)目比例不高于10%。延展比：右圖給出了兩個(gè)相鄰的網(wǎng)格單元， 每個(gè)網(wǎng)格單元有6條網(wǎng)格邊構(gòu)成。在同一網(wǎng) 格方向上，取兩相鄰網(wǎng)格單元各自的四條網(wǎng) 格邊的均值中的最大值與最小值的比值即為 網(wǎng)格延展比。由于數(shù)值計(jì)算過程中，網(wǎng)格單 元的參數(shù)信息存儲(chǔ)在格子中心，兩相鄰網(wǎng)格 的的尺度變化過大會(huì)引起網(wǎng)格之間參數(shù)信息 傳遞的較大數(shù)值誤差，因此應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制全 局網(wǎng)格延展比。對(duì)于一三維粘性網(wǎng)格，應(yīng)當(dāng) 限制全局最大網(wǎng)格延展比不大于 5,并且應(yīng) 使90%以上的網(wǎng)格單元延展比小于

23、3。圖17給出了 JK90S渦輪葉輪的計(jì)算網(wǎng)格及三種網(wǎng)格質(zhì)量判別準(zhǔn)則的網(wǎng)格數(shù)目分布圖。由圖可以看出，網(wǎng)格正交性最小值為19.34,接近最佳的網(wǎng)格正交性最小值的標(biāo)準(zhǔn)，且正交性角度大于54度的網(wǎng)格數(shù)目占全部網(wǎng)格的93.4%以上；網(wǎng)格長(zhǎng)寬比最大值306,且值小于200的網(wǎng)格數(shù)目占據(jù)全部網(wǎng)格的99.8%以上； 網(wǎng)格延展比最大值2.6,其中延展比小于2的網(wǎng)格數(shù)目占全部網(wǎng)格的比例為 99.7% 以上，完全滿足以上所述的計(jì)算網(wǎng)格質(zhì)量要求。(a)葉輪網(wǎng)格(b)網(wǎng)格正交性6令那1?8,«2 師尼J?fr(b)網(wǎng)格長(zhǎng)寬比»434t(c)網(wǎng)格延展比 圖17網(wǎng)格質(zhì)量檢查3邊界條件的給定渦輪進(jìn)口的邊

24、界條件包括溫度、壓力和速度。溫度和壓力的給定比較簡(jiǎn)單， 分別給定總溫和總壓即可。速度的給定需要由渦輪殼進(jìn)口的方向確定，JK90S增 壓器渦殼圖如圖18所示，其進(jìn)口方向?yàn)榍芯€方向，因此進(jìn)口徑向和軸向速度方 向?yàn)榱?，只需通過計(jì)算點(diǎn)流量、進(jìn)口氣體密度和進(jìn)口截面積計(jì)算出速度大小即可 給定。如果渦殼設(shè)計(jì)為進(jìn)口與渦殼中心線有一定角度，需要根據(jù)角度計(jì)算出切向和徑向的速度分量給定。圖18 JK90S渦輪渦殼渦輪出口的邊界條件有兩種給定方法：第一種方法是出口給定質(zhì)量流量，壓 力自適應(yīng)；第二種方法是出口給定平均靜壓。為了考察這兩種出口邊界條件對(duì)計(jì) 算結(jié)果的影響，對(duì)JK90S渦輪進(jìn)行了計(jì)算研究，計(jì)算所選工況為：噴嘴

25、環(huán)葉片 角度為25度、相似轉(zhuǎn)速為3200。計(jì)算中保持進(jìn)口條件一致，按照試驗(yàn)中該相似 轉(zhuǎn)速下實(shí)測(cè)各工況點(diǎn)的參數(shù)給定出口靜壓和流量進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算所用網(wǎng)格為噴嘴環(huán)葉片不帶間隙，計(jì)算結(jié)果如圖19所示。質(zhì)量流量（kg/s ）質(zhì)量流量（kg/s ）圖19兩種出口邊界條件計(jì)算結(jié)果從流量-壓比圖可以看出，出口給定平均靜壓的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更接 近。計(jì)算點(diǎn)和試驗(yàn)點(diǎn)相比較，當(dāng)出口給定質(zhì)量流量時(shí)，對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)質(zhì)量流量大 致相等，而計(jì)算點(diǎn)的膨脹比比試驗(yàn)值減??；當(dāng)出口給定靜壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)膨 脹比大致相等，而計(jì)算點(diǎn)的流量比試驗(yàn)值增大。由于試驗(yàn)時(shí)是采用孔板流量計(jì)測(cè) 量流量，其測(cè)量精度受孔板前壓力、孔板壓差和孔板前溫度

26、三個(gè)測(cè)量量精度的影 響，而出口靜壓測(cè)量只受一個(gè)測(cè)量量精度影響， 出口靜壓的測(cè)量精度高于流量測(cè) 量的精度。因此出口給定靜壓的方法可以更好地將計(jì)算結(jié)果與渦輪特性試驗(yàn)結(jié)果 進(jìn)行比較。兩種出口條件對(duì)計(jì)算收斂特性也有比較大的影響，NUMECA中的收斂標(biāo)準(zhǔn)一般為：1）全局殘差下降三個(gè)數(shù)量級(jí)以上；每一塊中的殘差下降三個(gè)量級(jí)以上；2）進(jìn)出口流量出口流量相對(duì)誤差小于 0.5%，且流量不再發(fā)生變化。3）對(duì)于有大分離渦的流動(dòng)（尤其在進(jìn)出口處），流量收斂曲線會(huì)發(fā)生振蕩，此時(shí) 由于迭代中分離渦的位置和強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生不同程度的變化，呈現(xiàn)非定常特性， 因此流量也會(huì)隨之發(fā)生變化（但這種變化近似為周期性）。在這種情況下，也 可認(rèn)

27、為計(jì)算收斂4）計(jì)算迭代收斂時(shí)，流場(chǎng)處每一點(diǎn)處的參數(shù)值不再發(fā)生變化，或者對(duì)于有分離 渦情況，渦內(nèi)某一點(diǎn)的參數(shù)應(yīng)當(dāng)為周期性變化。5）對(duì)于定常計(jì)算，所有的總體性能（效率、轉(zhuǎn)矩、推力等）都應(yīng)當(dāng)變?yōu)楹愣ㄖ担?不再隨迭代步數(shù)而發(fā)生變化。對(duì)于有大分離的情況，這些參數(shù)則會(huì)呈現(xiàn)周期 性變化，這兩種情況下都可認(rèn)為計(jì)算收斂。對(duì)該計(jì)算工況線上的4個(gè)計(jì)算工況點(diǎn)的收斂特性進(jìn)行了比較， 其質(zhì)量流量和 效率的收斂曲線的對(duì)比如圖20所示，由圖可以看出，出口給定質(zhì)量流量時(shí)，計(jì) 算400多步后，進(jìn)出口質(zhì)量流量的誤差依然大于 0.5%，并且最終的計(jì)算結(jié)果進(jìn) 出口質(zhì)量流量并不相等；而出口給定平均靜壓時(shí)，計(jì)算200步后，進(jìn)出口質(zhì)量流 量

28、的誤差為0.05%，表明計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂，且進(jìn)出口流量相等。從以上的分析可以得出結(jié)論：渦輪的CFD計(jì)算出口邊界條件采用平均靜壓， 計(jì)算更容易收斂，并且計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比更可信。Fda.sdo.4o.Jt: U.4 7 i - yin:047«i4fi93 CI.dlr.2E - 1臺(tái)匕屯 pjDl.LrD； q打憶口 F - jjGDMoil U 37323 2r asjiHaiw如刖!1耐喘忑iOU弓E q丿祁生口 p 'OOjihi町母葡記.p?FttM理* d弘町時(shí)艸MO巧別”r 磁科 g.QI.HD。祁円 JWMgpqWBR® - W? «yp

29、l*FIT.12F1I 3W airor irucuL 匚JBT m雞out:0.4-Z3D7210CycFtic出口給定質(zhì)量流量的質(zhì)量收斂曲線3 5 oo(Es'ccaV1 oJOI& bg *_Q _2§D i |_n4W_UPi_pF fc3!UiT4 LIJ D.r-ie : 2Q0 as<fl ii i-創(chuàng) a i i. iHr' 0 OF卄£.15 e_Qj25lle_Pcsw- n e 亡.£00.,話 0 丹 *啊 I ih/4 V!' u ulu'尸口2性葉叫口円lir運(yùn)葉口呃37前E5 *£

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32、o-W1Q 網(wǎng)；JCO 嗣如 営性” P.OI.：比口匚 H.r ria I_np I Jplilk Cil «37f43 I*£<-y- i lr；1IYJsao20DCycles出口給定平均靜壓的效率收斂曲線 圖20兩種出口邊界條件流量和效率的收斂曲線4計(jì)算區(qū)域的選擇對(duì)于整個(gè)渦輪級(jí)，渦輪進(jìn)口氣流分布比較均勻，但在渦輪出口，沿葉高氣流 參數(shù)有較大變化，并且出口氣流存在旋流，因此研究渦輪出口計(jì)算區(qū)域氣流參數(shù) 的變化規(guī)律，對(duì)于提高計(jì)算的準(zhǔn)確度有比較重要的意義。渦輪出口區(qū)域的計(jì)算研究選擇 K27型增壓器作為研究對(duì)象，該增壓器渦輪 是徑流無(wú)葉渦輪，渦輪的主要幾何尺寸和性能參

33、數(shù)如表4所示。表4 K27增壓器渦輪結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)葉輪進(jìn)口直徑mm76壓比1.8葉輪出口輪緣直徑mm64入口總溫K767葉輪出口輪轂直徑 mm25流量kg/s0.235葉輪進(jìn)口葉高mm11.5轉(zhuǎn)速r/mi n100000葉輪軸向?qū)挾萴m25葉片數(shù)12渦殼入口面積cm220渦殼網(wǎng)格和葉輪網(wǎng)格的劃分方法和前述 JK90S增壓器渦輪方法一樣，不同 的是，為了對(duì)渦輪出口后的截面進(jìn)行計(jì)算，因此需要在葉輪出口處接上一段出口 段，最終生成的渦輪級(jí)網(wǎng)格如圖21所示。圖21 K27渦輪級(jí)計(jì)算網(wǎng)格為了與計(jì)算結(jié)果比較，進(jìn)行了 K27增壓器渦輪的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)是在北京 理工大學(xué)的渦輪性能試驗(yàn)臺(tái)上

34、進(jìn)行的，根據(jù)氣源條件和增壓器渦輪的實(shí)際運(yùn)行參 數(shù)，選定渦輪性能試驗(yàn)的相似轉(zhuǎn)速n/Jt!為2800,此相似轉(zhuǎn)速下的5個(gè)測(cè)量工 況點(diǎn)如表5所示表5 K27渦輪性能試驗(yàn)工況項(xiàng)目單位工況1工況2工況3工況4工況5渦輪轉(zhuǎn)速r/min5043149761493594812947837渦輪流量kg/s0.1817270.1701970.1583190.1410660.132369渦輪進(jìn)口總壓pa140760137520134870130690129400渦輪進(jìn)口總溫K320.37319.17318.25319.62319.17渦輪出口靜壓pa10066010083010112010114C101120大氣壓

35、力pa1000010000100001000010000大氣溫度K294.65294.65294.65294.65294.65按照表中的試驗(yàn)工況進(jìn)行了 K27增壓器渦輪的CFD計(jì)算，重點(diǎn)考察出口區(qū) 域的氣流變化規(guī)律。由于 CFD計(jì)算中渦輪效率計(jì)算公式中渦輪實(shí)際膨脹功是由 渦輪進(jìn)出口總焓之差計(jì)算出，因此渦輪出口總溫的計(jì)算對(duì)渦輪效率的計(jì)算結(jié)果影 響比較大。圖22示出了從渦輪出口到出口外100mm段氣流總溫的計(jì)算結(jié)果。Wd J»T*I Tanpimjra K.1FT T柯中対些爭(zhēng)|圖22 K27渦輪出口總溫計(jì)算結(jié)果由圖可以看出，在鄰近葉輪出口處，由于氣流還未充分摻混，總溫沿周向呈 周期性的

36、分布，并且沿葉高方向分布不均勻。隨著氣流離開葉輪的距離逐漸增加， 氣流充分摻混，總溫分布沿周向變得均勻，在徑向上表現(xiàn)為以管道中心為圓心的 同心圓。為了考察所計(jì)算的渦輪出口總溫分布， 在渦輪性能試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行了渦輪出口 段溫度的測(cè)量。圖23和圖24分別為出口 50mm處和100mm處試驗(yàn)測(cè)量溫度和 CFD計(jì)算溫度徑向分布的比較。由圖可以看出，在兩個(gè)測(cè)量截面處，總溫試驗(yàn) 值和計(jì)算值的變化趨勢(shì)基本一致，即由管道中心至管道外壁逐漸增加，其中出口 50mm處總溫計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值在管道中心位置附近符合很好，在管道外壁處存在一定的偏差。圖23渦輪出口處50mm總溫試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果比較徑向距離（m）圖24 渦輪

37、出口處100mm總溫試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果比較根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)渦輪出口 50mm處和100mm處進(jìn)行了質(zhì)量平均總溫的計(jì) 算，結(jié)果為50mm處為27.29C，100mm處為27.13C，基本可以認(rèn)為一致。圖25給出了工況1出口靜壓沿渦輪出口管道的分布，由圖可以看出，對(duì)于 管道外壁測(cè)取靜壓的測(cè)量方式，在渦輪出口 40mm以后管道壁面附近的靜壓基本 保持不變。圖25工況1渦輪出口靜壓軸向分布圖綜合渦輪出口總溫和靜壓的計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：在渦輪出口 50mm以外，渦輪出口的總溫分布沿周向已經(jīng)均勻分布，且質(zhì)量平均總溫基本不 發(fā)生變化，管道外壁附近的靜壓分布也基本保持不變，此時(shí)渦輪出口的邊界條件（靜壓）和計(jì)

38、算出的渦輪輸出功已經(jīng)基本不隨渦輪出口區(qū)域變化而變化，因此在進(jìn)行渦輪CFD計(jì)算時(shí)，渦輪出口延伸段至少應(yīng)大于 40mm。5湍流模型研究此部分只進(jìn)行了 JK90S渦輪分別采用B-L、S-A和k-&三種湍流模型的計(jì)算 其中采用B-L模型和k- &模型計(jì)算均不收斂，因此無(wú)法比較其對(duì)計(jì)算結(jié)果的影 響。進(jìn)一步的計(jì)算比較需要采用其他渦輪進(jìn)行計(jì)算，6渦輪三維流動(dòng)計(jì)算判別準(zhǔn)則渦輪內(nèi)部流動(dòng)總體上是加速流動(dòng)，因此各種二次流動(dòng)對(duì)渦輪性能的影響不如 壓氣機(jī)大，但是在進(jìn)行渦輪內(nèi)部流場(chǎng)的分析時(shí)， 仍需遵循一些判別準(zhǔn)則，以使渦 輪的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。6.1熵的分布從熱力學(xué)角度分析，熵的增加是由于工作過程中產(chǎn)生了流動(dòng)

39、損失，從而導(dǎo)致絕熱效率下降，因此從熵值的分布結(jié)果主要考察從渦輪進(jìn)口到出口熵值的增加和 高熵值的區(qū)域。圖26為JP78B渦輪兩種葉輪結(jié)構(gòu)下進(jìn)口和出口擬 S3流面的熵值計(jì)算結(jié)果。 由圖中可以看出，在進(jìn)口熵值和分布基本一致的情況下，（a）葉輪出口大部分區(qū) 域熵值與進(jìn)口相比增加很小，只有在靠近葉尖吸力面部分出現(xiàn)局部高熵值區(qū)域， 表明葉輪中的損失比較小。而（b）葉輪出口通道左半部分的低熵值區(qū)域較 （a）葉輪 小，且熵值較（a）葉輪高，靠近葉尖吸力面的高熵值區(qū)域大小與 （a）葉輪差別不大， 但熵值卻比（a）葉輪高。綜合熵值分布的計(jì)算結(jié)果，（b）葉輪熵增大于（a）葉輪，表 明其葉輪中損失較大。結(jié)論：葉輪的設(shè)

40、計(jì)要力求出口的高熵值區(qū)域小，且熵值較小，使得葉輪進(jìn)出口的熵增較小。（b）圖26兩種結(jié)構(gòu)葉輪進(jìn)出口熵值計(jì)算結(jié)果6.2靜壓分布?xì)怏w在渦輪中是膨脹的過程，因此渦輪的設(shè)計(jì)應(yīng)力求使靜壓由進(jìn)口平緩地 降低到出口，并盡量減少負(fù)壓區(qū)，特別是吸力面上負(fù)壓區(qū)的存在，原因可以由葉 片表面壓力分布或馬赫數(shù)分布來解釋。圖 27為渦輪葉片吸力面和壓力面馬赫數(shù) 分布圖，由圖可以看出，當(dāng)葉片載荷增大到一定程度后， 會(huì)使吸力面上出現(xiàn)過度 加速現(xiàn)象，這樣導(dǎo)致喉部與出口一段區(qū)域內(nèi)存在擴(kuò)壓段。 同樣，在壓力面上進(jìn)口 后某一段會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)壓段。但是，吸力面上的擴(kuò)壓程度對(duì)葉片性能的影響更大一些， 這是因?yàn)椋绻γ嫔系臄U(kuò)壓超過一定程度后， 就會(huì)導(dǎo)致吸力面附面層產(chǎn)生分 離，這種分離因?yàn)榭拷簿売锌赡軣o(wú)法重新附著在葉片表面上，因而導(dǎo)致流動(dòng)損失的增加；而如果在壓力面上產(chǎn)生流動(dòng)分離，由于分離流動(dòng)通常發(fā)生在葉片前緣 附近，這樣可使分離氣流有足夠的時(shí)間再附著在壓力面上，因此對(duì)于渦輪葉片， 對(duì)于葉輪靜壓分布的計(jì)算更多