基于fluen的天神離心葉輪湍流流動(dòng)的數(shù)值研究

基于fluen的天神離心葉輪湍流流動(dòng)的數(shù)值研究

1離心葉輪流場(chǎng)模擬離心葉片通道的流動(dòng)是工程流量機(jī)械中最復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象之一。該流量現(xiàn)象具有很強(qiáng)的三維特性。葉輪內(nèi)湍流流動(dòng)的研究為改進(jìn)葉輪設(shè)計(jì)方法,提高葉輪效率提供了重要的依據(jù),因此,近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),許多研究者對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,1980年Johnson詳細(xì)測(cè)量了葉輪從進(jìn)口到出口5個(gè)截面的三維速度分布,并公開(kāi)發(fā)表了該葉輪的幾何型線,該葉輪被稱為Ghost葉輪。在進(jìn)行試驗(yàn)研究的同時(shí),國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼利用數(shù)值模擬方法對(duì)離心葉輪內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究,分析了葉輪內(nèi)的主流,二次流及出口“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。這些計(jì)算均采用k-ε模型,然而葉片通道是彎曲和旋轉(zhuǎn)的,具有很強(qiáng)的各項(xiàng)異性,因此采用各項(xiàng)同性的湍流模型模擬的結(jié)果與試驗(yàn)相比差異較大。本文采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)對(duì)離心葉輪內(nèi)的湍流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,其中定子轉(zhuǎn)子耦合模型采用混合平面模型(MP),得到了較好的計(jì)算結(jié)果,與試驗(yàn)結(jié)果相比基本一致,并分析了離心葉輪內(nèi)部的粘性二次流和“射流-尾跡”現(xiàn)象以及尾跡區(qū)的位置。2數(shù)學(xué)的物理模式2.1葉輪入口長(zhǎng)絲環(huán)境參數(shù)文獻(xiàn)提供的Ghost葉輪在圓柱坐標(biāo)下的幾何型線數(shù)據(jù)。Ghost葉輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下,葉輪寬徑比b2/D2=0.08,出口安裝角β2A=90°,葉片數(shù)Z=19,外徑D2=909.3mm,輪蓋處內(nèi)徑d=177.8mm,葉輪入口截面直徑D1=571.5mm,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=500r/min。為了與試驗(yàn)葉輪接近,在葉輪入口前加裝了導(dǎo)流錐;同時(shí)為了使計(jì)算易于收斂在葉輪的出口加了一個(gè)徑向無(wú)葉擴(kuò)壓通道。生成的葉輪單葉片幾何模型如圖1所示。2.2結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分為了解決離心葉輪通道的計(jì)算域復(fù)雜而引起網(wǎng)格質(zhì)量差的問(wèn)題,本文采用了多塊網(wǎng)格法,即將葉片流道求解區(qū)域劃分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個(gè)較為簡(jiǎn)單的塊,分別劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖2所示。Ⅰ為葉片入口前的一個(gè)小三角區(qū)域,Ⅱ?yàn)橘N近壓力面的流道,Ⅲ為貼近吸力面的流道。沿葉片布置70個(gè)節(jié)點(diǎn),周向布置44個(gè)節(jié)點(diǎn),徑向布置40個(gè)節(jié)點(diǎn)。葉片表面、輪蓋和輪盤內(nèi)表面采用邊界層加密網(wǎng)格,出口擴(kuò)壓部分比較規(guī)則,可直接生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。2.3邊界條件的確定利用FLUENT軟件,采用控制容積法離散控制方程,對(duì)流項(xiàng)采用QUICK格式,應(yīng)用SIMPLEC算法對(duì)離散方程進(jìn)行求解,其收斂標(biāo)準(zhǔn)為各個(gè)變量的相對(duì)殘差均小于10-5。湍流模型采用RSM模型。轉(zhuǎn)子和定子的耦合采用MP模型。進(jìn)口邊界采用速度入口,速度大小按流量條件給定,流量m=3.3kg/s,該流量高于Ghost葉輪的設(shè)計(jì)流量2.5kg/s。進(jìn)口截面的湍動(dòng)能設(shè)為進(jìn)口截面平均動(dòng)能的(0.5%～1.5%),耗散率ε按公式ηt=cμρk2/ε確定。出口邊界條件采用局部單項(xiàng)化來(lái)處理。整個(gè)計(jì)算區(qū)域的兩側(cè)均設(shè)為周期性邊界條件。固體壁面采用無(wú)滑移邊界條件。3分析與討論的結(jié)果3.1核心內(nèi)流道的轉(zhuǎn)子靜壓分布文獻(xiàn)給出了Ghost葉輪5個(gè)測(cè)量截面上的相對(duì)速度和主流速度分布,截面位置如圖3所示。圖4～8給出了本文的計(jì)算結(jié)果,同文獻(xiàn)的結(jié)果相比其結(jié)果是一致的。等值線表示垂直截面的主流速度,矢量表示截面內(nèi)的二次流。截面Ⅰ位于葉片流道的入口處,二次流速度存在由輪盤指向輪蓋的分量,導(dǎo)致流道上半部分的主流速度較高。當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)值時(shí),在壓力面產(chǎn)生負(fù)沖角,在吸力面產(chǎn)生正沖角,尤其是在葉道上半部分沖角更大。由于沖擊作用,輪蓋/壓力面角域形成了一個(gè)低轉(zhuǎn)子靜壓區(qū),在該區(qū)域內(nèi)無(wú)量綱轉(zhuǎn)子靜壓pr<0.05,如圖4(b)。而截面Ⅰ上轉(zhuǎn)子總壓分布比較均勻,因此在截面Ⅰ輪蓋/壓力面角域形成了一個(gè)主流高速區(qū),如圖4(a)。截面Ⅱ位于誘導(dǎo)彎道的出口。旋轉(zhuǎn)做功壓力面的轉(zhuǎn)子靜壓升高,如圖5(b),由圖4(b)和圖5(b)可知,截面Ⅰ和截面Ⅱ之間流道的輪蓋/壓力面角域存在逆向的轉(zhuǎn)子靜壓梯度,該角域處的流體減速。輪蓋/吸力面角域則為正向轉(zhuǎn)子靜壓梯度,該角域處流體被加速,因此主流高速區(qū)由截面Ⅰ的輪蓋/壓力面角域轉(zhuǎn)向截面Ⅱ的輪蓋/吸力面角域。受誘導(dǎo)彎道和軸向轉(zhuǎn)向徑向彎道的雙重影響,截面Ⅱ輪盤附近產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的通道渦,如圖5(a),該通道渦將輪盤邊界層內(nèi)的低能流體推向吸力面中部。截面Ⅲ位于葉片流道的中間位置。軸向轉(zhuǎn)向徑向的彎道對(duì)該截面上的二次流的形態(tài)產(chǎn)生了顯著的影響。彎道中出現(xiàn)了典型的二次流渦,如圖6(a),將壓力面與吸力面邊界層內(nèi)的低能流體推向輪蓋面,同時(shí)受彎道旋轉(zhuǎn)的影響,在輪蓋面的邊界層產(chǎn)生了由壓力面指向吸力面的二次流,將輪蓋邊界層內(nèi)的低能流體推向吸力面。由于低能流體的堆積,使輪蓋面上的轉(zhuǎn)子總壓降低,并且輪蓋/吸力面角域轉(zhuǎn)子總壓最低,如圖6(b),因此在該角域處出現(xiàn)尾跡區(qū),如圖6(a)。截面Ⅳ位于軸向轉(zhuǎn)向徑向的彎道的出口,并開(kāi)始進(jìn)入徑向旋轉(zhuǎn)通道。彎道對(duì)二次流形態(tài)的影響開(kāi)始減弱,徑向旋轉(zhuǎn)通道對(duì)二次流形態(tài)的影響開(kāi)始增強(qiáng)。由圖7(a)可知,壓力面和吸力面的二渦結(jié)構(gòu)仍然存在,輪蓋/吸力面角域的尾跡區(qū)增大。由于尾跡區(qū)內(nèi)低能流體的堆積,使截面Ⅳ內(nèi)尾跡區(qū)的轉(zhuǎn)子總壓最低,如圖7(b)。截面Ⅴ位于徑向旋轉(zhuǎn)通道的出口處。如圖8在徑向通道旋轉(zhuǎn)科氏力的作用下截面內(nèi)主流核心區(qū)大部分區(qū)域的二次流都指向壓力面。截面Ⅳ至截面Ⅴ之間尾跡區(qū)內(nèi)的低能流體與周圍高能流體相互混合,使尾跡區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大,且尾跡區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)子總壓比截面Ⅳ有所回升,如圖8(b)所示。由圖9可知,截面Ⅳ和Ⅴ之間流道的輪蓋/吸力面角域的尾跡區(qū)存在一個(gè)逆向的轉(zhuǎn)子靜壓梯度,這使尾跡區(qū)內(nèi)的流速在截面Ⅳ和Ⅴ之間不斷減小,到截面Ⅴ時(shí)尾跡區(qū)已完全成形。在截面Ⅴ上除了尾跡區(qū)內(nèi)流體流速較低外截面內(nèi)其它區(qū)域均為主流高速區(qū),即射流區(qū)域。如圖9(b)截面Ⅴ內(nèi)的轉(zhuǎn)子靜壓分布已經(jīng)變?yōu)榈湫偷挠蓧毫γ嬷廖γ娼档偷膹较蛐D(zhuǎn)通道靜壓分布。本文為了考慮計(jì)算的收斂在葉輪出口區(qū)域加了一個(gè)徑向無(wú)葉擴(kuò)壓通道,而測(cè)量值是在葉輪出口氣流直接排入大氣的狀態(tài)下得出的,因此圖6～8尾跡區(qū)和圖8射流區(qū)的計(jì)算值沒(méi)有測(cè)量值明顯。3.2次流對(duì)尾跡區(qū)的遷移和遷移邊界層的低能流體會(huì)隨著邊界層內(nèi)的二次流被遷移到低轉(zhuǎn)子靜壓區(qū),低轉(zhuǎn)子靜壓區(qū)被Johnson稱為穩(wěn)定區(qū)域。離心葉輪中低能流體堆積的區(qū)域會(huì)形成尾跡區(qū),因此可以通過(guò)觀察葉輪內(nèi)的轉(zhuǎn)子靜壓分布大概確定葉輪內(nèi)尾跡區(qū)的位置。但是尾跡區(qū)的位置會(huì)隨著邊界層內(nèi)二次流的慣性而偏離穩(wěn)定區(qū)域。觀察圖6～8截面Ⅲ至截面Ⅳ低轉(zhuǎn)子靜壓區(qū)和尾跡區(qū)均出現(xiàn)在輪蓋/吸力面角域的靠近輪蓋側(cè),即尾跡區(qū)基本上與穩(wěn)定區(qū)域重合。從截面Ⅳ到截面Ⅴ,低轉(zhuǎn)子靜壓區(qū)已經(jīng)遷移到吸力面處,由于受彎道中產(chǎn)生的吸力面向上的二次流慣性的影響尾跡區(qū)沒(méi)有遷移到吸力面處,但是出現(xiàn)了向吸力面遷移的趨勢(shì)。離心葉輪中軸向至徑向彎道中同時(shí)存在著通道彎曲和旋轉(zhuǎn)作用。由通道彎曲引起的二次流將邊界層內(nèi)的低能流體遷移到靜壓最低的輪蓋面,由于旋轉(zhuǎn)引起的二次流將邊界層內(nèi)的低能流體遷移到靜壓最低的吸力面。因此彎道中尾跡區(qū)的最終位置決定于兩種二次流的相對(duì)強(qiáng)弱,這一強(qiáng)弱對(duì)比取于決于無(wú)量綱數(shù)Rossby數(shù)(羅比斯數(shù)),Rossby數(shù)的定義為:Ro=WωRnRo=WωRn式中Ro——Rossby數(shù)Rn——徑向至軸向彎道平均半徑當(dāng)Ro遠(yuǎn)小于1時(shí)旋轉(zhuǎn)的作用占主導(dǎo)地位,旋轉(zhuǎn)彎道中尾跡區(qū)的位置就位于吸力面上;當(dāng)Ro遠(yuǎn)大于1時(shí)彎曲的作用占主導(dǎo)地位,旋轉(zhuǎn)彎道中尾跡區(qū)的位置就位于輪蓋面上;當(dāng)Ro數(shù)在1左右時(shí),兩種作用相當(dāng),尾跡區(qū)就位于輪蓋/吸力面角域。對(duì)于本文所模擬的Ghost葉輪葉輪內(nèi)的平均相對(duì)速度W—=15.5m/s?ω=52.3rad/s?Rn=0.31mW—=15.5m/s?ω=52.3rad/s?Rn=0.31m,則Ghost葉輪的R0=0.97,則彎道內(nèi)尾跡區(qū)應(yīng)該位于輪蓋/吸力面角域,模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果都證明了這一點(diǎn)。4邊界層內(nèi)的二次流對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的影響(1)Ghost離心葉輪截面Ⅲ處出現(xiàn)了彎道中典型的二渦結(jié)構(gòu),截面Ⅳ處出口旋轉(zhuǎn)管道效應(yīng)增強(qiáng),截面主流核心區(qū)流向壓力面的二次流和輪蓋邊界層內(nèi)由壓力面流向吸力面的二次流增強(qiáng)。邊界層內(nèi)的二次流對(duì)低能流體地輸送,使Ghost葉輪的出口形成了“射流尾跡”現(xiàn)象。同時(shí)尾跡區(qū)的存