離心壓縮機(jī)模型級數(shù)值模擬的影響因素

離心壓縮機(jī)模型級數(shù)值模擬的影響因素

0數(shù)值計算方法的選取在離心電機(jī)模型的數(shù)值模擬中，影響數(shù)值模擬精度的因素很多。第一,進(jìn)行模型級的幾何造型,包括對各通流元件的造型(如葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器等),為了下一步的網(wǎng)格能夠成功生成,一般在幾何造型中忽略盤側(cè)和蓋側(cè)的間隙,這樣實際上就忽略了模型級的內(nèi)泄漏損失和輪阻損失。第二,網(wǎng)格生成主要是對通流區(qū)域進(jìn)行空間離散,網(wǎng)格生成的質(zhì)量對CFD模擬精度有至關(guān)重要的影響。第三,對數(shù)值方法的選擇,目前主流商業(yè)軟件常用的數(shù)值方法為時間推進(jìn)法和壓力修正法,其中采用時間推進(jìn)法的代表軟件為NUMECAFINE/Turbo和ANSYSCFX,而采用壓力修正法的代表軟件為ANSYSFLUENT和CD-adapcoSTAR-CD&CCM+,這兩種方法在葉輪機(jī)械領(lǐng)域都應(yīng)用得比較廣泛,但是無論何種算法其本身也會引進(jìn)數(shù)值誤差。第四,對湍流模型的選取,由于葉輪機(jī)械內(nèi)部的主要流動形式為湍流流動,在葉片前緣附近存在層流以及由層流轉(zhuǎn)變成湍流的轉(zhuǎn)捩區(qū)域,湍流對葉輪機(jī)械的氣動性能有重要影響,目前對湍流流動的數(shù)值計算方法主要有直接數(shù)值模擬(DNS)、大渦模擬(LES)和雷諾時均方程法(RANS),而工程中應(yīng)用最多的RANS方法是對Navier-Stokes方程作時間平均,再通過時均后的控制方程對湍流進(jìn)行計算。為了使湍流的平均雷諾方程封閉,建立了不同的湍流模型,所以湍流模型的選取對CFD模擬精度也有影響。第五,對計算區(qū)域邊界條件的給定,在葉輪機(jī)械的數(shù)值模擬中,如果不依據(jù)試驗數(shù)據(jù)就很難精確地給定所有邊界條件,這樣對邊界條件的一些近似假定,也導(dǎo)致了CFD模擬的誤差。第六,葉輪機(jī)械中存在大量的轉(zhuǎn)靜子界面,在數(shù)值模擬中幾乎無法保證轉(zhuǎn)靜子界面網(wǎng)格完全一致,所以計算數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)靜子界面間傳遞時必然會引入插值誤差。此外,把工質(zhì)當(dāng)成理想氣體處理、忽略壁面粗糙度影響等也會給計算帶來誤差。本文主要關(guān)注網(wǎng)格數(shù)量、湍流模型、蓋盤側(cè)間隙等因素對大流量系數(shù)離心壓縮機(jī)模型級數(shù)值模擬精度的影響。1模型級構(gòu)成以某大流量系數(shù)模型級W1為研究對象,W1模型級由直線元素三元閉式葉輪、無葉擴(kuò)壓器、彎道及回流器構(gòu)成。表1和圖1分別為W1模型級的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)示意圖。2影響因素2.1兩種級數(shù)別網(wǎng)格的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)本小節(jié)比較了W1模型級采用兩種不同網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格時,數(shù)值模擬得到的氣動性能的影響。選用NUMECAAutoGrid5中推薦的兩種數(shù)量級別的網(wǎng)格,一種為中等數(shù)量的網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為165萬;一種為較多網(wǎng)格數(shù)的網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為384萬。這兩套網(wǎng)格均保證了y+在1~10之間以滿足低雷諾數(shù)模型要求,并且具有較高的網(wǎng)格質(zhì)量,網(wǎng)格最小正交性角度為25°,平均正交性角度為75°,見圖2。圖3為在W1模型級的數(shù)值模擬中采用上述兩套網(wǎng)格時數(shù)值模擬得到的氣動性能比較,(壓比與多變效率均以相對值表示)流量系數(shù)φ定義如下:2.2不同湍流模型對數(shù)值模擬結(jié)果的影響湍流模型的正確性與精度對于葉輪機(jī)械內(nèi)部湍流流場細(xì)節(jié)及性能的數(shù)值模擬十分重要,國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的實驗和數(shù)值研究工作[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],以對各種湍流模型進(jìn)行評價和驗證。本小節(jié)主要側(cè)重于研究在全工況范圍內(nèi)低雷諾數(shù)湍流模型對大流量W1離心壓縮機(jī)模型級性能的影響。W1模型級適合使用低雷諾數(shù)湍流模型,因此采用了5種不同的低雷諾數(shù)湍流模型對W1模型級進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬中采用圖(b)中的網(wǎng)格,總數(shù)為384萬,得到的整級氣動性能見圖4。五種湍流模型計算耗時的比較見表2。由圖4可知,采用不同的湍流模型對數(shù)值模擬的結(jié)果影響較大,不同的湍流模型對近喘區(qū)的模擬表現(xiàn)差別也很大,如Spalart-Allmaras模型,在近喘區(qū)的模擬表現(xiàn)就較差,其往小流量方向只能模擬到設(shè)計工況點流量系數(shù)φ0的90%,而兩方程湍流模型在近喘區(qū)的模擬表現(xiàn)良好,特別是Wilcoxk-ω,Chienk-ε,Yang-Shihk-ε兩方程模型表現(xiàn)更為突出,往小流量方向能夠模擬到設(shè)計工況點流量系數(shù)φ0的80%左右。Spalart-Allmaras模型除了在近喘區(qū)表現(xiàn)劣于兩方程模型外,在其他工況與采用兩方程Yang-Shihk-ε,SSTk-ω模型模擬得到的級總壓比曲線與級多變效率曲線幾乎完全一致,而Spalart-Allmaras模型的計算耗時相比Yang-Shihk-ε,SSTk-ω模型分別要少33%和53%,這說明一方程Spalart-Allmaras湍流模型的經(jīng)濟(jì)性較高。2.3基于數(shù)值模擬的蓋盤側(cè)間隙對液壓系統(tǒng)設(shè)計由于W1模型級葉輪為三元閉式葉輪,蓋盤側(cè)采用梳齒密封,所以蓋盤側(cè)均存在間隙,見圖5。以往對半開式離心葉輪的葉頂間隙的數(shù)值模擬研究較多,而閉式葉輪的蓋盤側(cè)間隙由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生成網(wǎng)格不易,且給計算的收斂性帶來難度,所以一般在數(shù)值模擬中都忽略了其影響。從目前掌握的文獻(xiàn)來看,么立新對某小流量模型級F8的蓋盤側(cè)間隙內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值分析,徐立群與王志恒都對某小流量二氧化碳離心壓縮機(jī)模型級內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,并且考慮了蓋盤側(cè)間隙的影響,指出對于他們所研究的模型級在設(shè)計工況點考慮蓋盤側(cè)間隙比不考慮蓋盤側(cè)間隙葉輪等熵效率下降了8.1%,此外,王志恒還對蓋盤側(cè)間隙內(nèi)的梳齒密封的齒形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,取得了較好的效果。Mischo以某中等流量離心壓縮機(jī)模型級為研究對象,通過數(shù)值模擬的方法考慮蓋盤側(cè)間隙對級性能的影響,并且設(shè)計了6種不同結(jié)構(gòu)的梳齒密封,他的研究表明考慮蓋盤側(cè)間隙影響相比不考慮時級性能有所下降,蓋側(cè)間隙易誘發(fā)葉輪蓋側(cè)流動分離。本小節(jié)以大流量W1模型級為研究對象,主要關(guān)注在數(shù)值模擬時是否考慮蓋盤側(cè)間隙對大流量離心壓縮機(jī)模型級氣動性能的影響。圖5為考慮與不考慮蓋盤側(cè)間隙的W1模型級子午面網(wǎng)格示意圖,為排除網(wǎng)格差異的影響,考慮與不考慮間隙時均保證在主流道區(qū)域的網(wǎng)格完全一致,不考慮間隙時的網(wǎng)格總數(shù)為231萬,考慮間隙時的網(wǎng)格總數(shù)為493萬。圖6為考慮與不考慮蓋盤側(cè)間隙時W1模型級氣動性能比較,從圖6(a)級總壓比曲線的比較可以看出對于W1模型級,是否考慮蓋盤側(cè)間隙對級總壓比ε的影響較小,對流量系數(shù)φ的影響也不大,考慮蓋盤側(cè)間隙的得到的堵塞工況點的流量系數(shù)φ僅比不考慮蓋盤側(cè)間隙時小0.46%。從圖6(b)級多變效率曲線的比較可知,考慮蓋盤側(cè)間隙后,在整個工況范圍內(nèi)級多變效率相比于不考慮蓋盤側(cè)間隙時有所下降,平均下降約1%。3大流量系數(shù)模型分級本文以某大流量模型級W1為研究對象,采用NUMECAFINE/Turbo軟件研究了網(wǎng)格數(shù)量、湍流模型及盤蓋側(cè)間隙等因素對數(shù)值模擬精度的影響,并與模型級氣動性能試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,針對本文所研究的W1模型級有如下結(jié)論:1)數(shù)值模擬中基于NUMECAAutoGrid5生成兩套網(wǎng)格數(shù)量不同的計算網(wǎng)格,計算結(jié)果表明二者得到的性能曲線和試驗測量結(jié)果都基本一致,從計算經(jīng)濟(jì)性的角度考慮,認(rèn)為中等數(shù)量(100萬~160萬)的網(wǎng)格數(shù)目就可以獲得比較準(zhǔn)確的模型級總體氣動性能;2)在對大流量系數(shù)W1模型級總體氣動性能的數(shù)值模擬中,采用Spalart-Allmaras模型在大部分工況范圍內(nèi)具有較高精度且計算耗時相對較少,具有較高的經(jīng)濟(jì)性,其缺點是對近喘區(qū)工況模擬能力較弱,不易收斂。Yang-Shihk-ε,SSTk-ω模型在整個工況范圍內(nèi)都具有較高精度,對近喘區(qū)工況模擬能力也較強(qiáng),但計算耗時較多,是Spalart-Allmaras模型的1.3~1.5倍;3)與小流量系數(shù)模型級中盤蓋側(cè)間隙對氣動性能存在重要影響不同的是,本文模擬的大流量系數(shù)W1模型級的葉輪盤蓋側(cè)間隙對模型級總體氣動性能影響很小,可以忽略。圖3(a)表明流量系數(shù)φ在設(shè)計工況點流量系數(shù)φ0的110%~120%范圍內(nèi)時,采用上述兩套網(wǎng)格得到的級總壓比ε幾乎完全一致,并且模擬得到的堵塞工況點的φ也相同;而當(dāng)φ在(90%~110%)φ0內(nèi)時,采用網(wǎng)格數(shù)為