无叶扩压器离心式压气机内旋涡运动的数值研究

无叶扩压器离心式压气机内旋涡运动的数值研究 无叶扩压器离心式压气机内旋涡运动的数 值研究 l广厂,一 l 第29卷第2 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 热物理学报 1999年3月JOURNALOFENGINEERINGTHERMoPHYSICS Vo】2ONo2 Mar1999 无叶扩压器离心式压气机内 旋涡运动的数值研究 陈乃兴黄伟光一, 中国科学院工程热物理所北京100080 摘要 弋2.l 本文的目的是用数值计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 来研究离心式压气机叶轮内的旋涡运动.所用的数值方法是在 工程热物理所技展的时间相关有限体积法.在流场计算的基础上,应用速度矢量散团的面积和体 税示踪旋度和墒增等后处理程序与方法来研究与显示旋涡运动的存在与发展.文中用谊些手段研 究r离式叶轮中的备娄旋涡并蛤出了拓扑圈,对于二次流动还给出了它的模型., 关键词亨心_气机,咎涡孽动,一三唾,苎堕竺;誊j1’ —一—L 1日舌 叶轮机械的内部流动异常复杂,不仅是因为其流动的三维性,而且伴随着复杂的旋 涡运动,由此而引起能量的损失,噪声的提高和流动的不稳定性,严重的话还会造成部 件的严重破坏.因此,研究叶轮机械内部流动的旋涡运动,是一个关系到提高能量利用 效率,改善环境条件和保障生产安全的重要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . 较之轴流式叶轮机械,离心式叶轮机械中的涡系更为复杂常出现的涡系有:端壁 和叶片壁面附面层以及附面层分离引起的分离旋涡;二次流动引起的旋涡;由于叶片转 动而引起的涡系,如转动叶片和端壁之间的泄漏和刮削旋涡;转动叶片附面层潜移引起 叶间处的分离涡系;由于叶轮机械工况变动而引起的涡系,如大攻角下引起的卷吸旋涡 等每一类旋涡都需要化很大的力气来进行研究因此,本文也只能涉及其中的一部分 泄漏和刮削旋涡将另文发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 研究涡系运动最有效的手段是实验测量,由于测试技术和方法的进步,一批有价值 的研究结果才能陆续发表出来但也只是对轴流叶轮机械叶栅而言的另一个方法是借 助Ns方程的求解,用数值方法也可以得到些结果.我们相信,随着计算机和计算技 术的进步与发展,数值方法将成为叶轮机械涡系研究的重要工具本文在NS方程求 解离心式压气机流场的基础上,应用速度矢量,微团的面积和体积示踪,旋度和熵增分 布等后处理程序和方法,来预估和显示一些旋涡运动 2数值方法 离心压气机叶轮的试验人们做的较少,而发表的更少本文所用的N.s方程求解方 法是在中国科学院工程热物理所发展的{1-31,当时是为轴流式压气机所用,近两年来作 了些改进用来进行离心式压气机的计算【,所得的结果还是很好的它是时间相关有 国家基础性研究重大项闩与国家自然科学基金项目资助课鹿. 本文曾于1998年l1月在洛阳召开的中国工程热物理学会热机气动热力学学术台议上宣读 修改稿于1998年12月3日收到. 156工程热物理学报20卷 限体积法,其粘性模型为涡牯湍流模型基本方程的离散代数方程是用田阶l~lingeKutta 时间相关法求解文中引用了g~.1n@SOll提出的人工牯性,以保证计算的稳定性和计算间 断的精度. 3速度矢量,面积和体积微团示踪,旋度和熵增 本文是在用上述方法的流场计算结粜的基础上,应用速度矢量,微团示踪,旋度和 墒增分布等来显示和确定流场中的旋涡微E妇示踪就是用它的轨迹来显示流场.如果在 二维面上寻求微团的轨迹,我们称它为面示踪;在三维空间中寻求微团的轨迹,我们称 它为体示踪.埘于定常流,其轨迹就是流线巾此可见.微团示踪法可以很清楚地确定 流场上是否有旋涡的存在,并可把它显示j{J来旋度就是旋涡的强度.对于面上某点的 旋度是V×W在其法线上的投影在旋涡巾心的旋度最强从旋度的等值线可以看出, 其分布与微团示踪轨迹相应凶此,应用旋度的分布就可找到旋涡的位置. 4离心压气机的涡系 本文以grg[n的无叶扩压器离心式叶轮为侧,戍用数值计算方法来研究流场中的旋 涡运动.这个时轮是一个带有24个叶片的后弯叶轮叶轮进口顶部附近的相对马赫数为 0.93因此,叶轮内部流动为高亚音速我们采用了节点数为98×20×20和98×30×30 的两种方寰的非均匀计算网格叶轮{)}(道中的几个截面的计算网格可见图1中的左图. 轮逛] ,=20 图1坐标面的位置和馓团往三个半径位置上的体积示踪图 离心式叶轮机械中的流动异常复杂 激波(如果是跨音速流动的话1等的影响 叶轮中的气流受离心力,哥氏力,叶片弯曲力, 它的三维性较之轴流式要复杂得多图1中右 2期睬乃兴等无叶扩压器离心式压气机内旋涡运动ffq数值研究157 图所示为在叶轮进口高度不同的三个半径上备放三粒微团示踪的示踪图.流动的轨迹从 进口到出口并不是人们所想象那样有规律地运动的 4.1扩压器分离流动引起的旋涡 在逆压力梯度作用下或在附面层厚度增大的情况时,低能流体会离开壁面发生分离, 于是就产生旋涡.我们先从无时扩压器开始图2所示为中间s.坐标面速度矢鼍图,我 们很清楚地看到此处回流非常厉害.产生这个旋涡的原因,是因为事前这个无叶扩压器 的尺寸文献中并没有给出,所采用的扩压器出入口面积之比过大而造成严重扩压以致分 离.图3是每隔4个通道的体示踪图.这个分离涡沿周向运动,它象一个用几根花茎编 成的花环这个分离旋涡造成很大的总压损失因此,我们应该对扩压器进行仔细的设 计以避免此类旋涡的发生 揍涡中. /////i/,,~,, 叶轮出口解 图2中间坐标面上近叶轮出口处的图3无叶扩压器硬部壁面分离 速度矢量图和面微团示踪图旋涡环微团示踪圈 4.2根部/叶背的分离旋涡 图4是根部面和吸力面(叶背)的极限流线,即面示踪图.在根部面上近吸l力面处有 一 条很清楚的分离线,而在其末端离开近叶片尾缘不远处出现一个旋涡这个分离旋涡 发生于根都面,向上孚旨着叶片背面离开尾缘,然后向着叶轮出口下游流去并弥散在下游 中(见图51 圈4根部面/吸力面的分离线与分离涡图5根部面/吸力面的分离涡图 158工程热物理学报2O卷 4.3叶片压力面的分离线 图6为压力面的微踪面示踪图.图中可见有一条分离线出现在压刀面上.这可能是 因为出现了负攻角所引起的这里并没有观察到严重的旋涡分离. 图6压力面上的分离线与附着线 4.4叶轮中的二次流旋涡 叶轮中的高度三维性的二次流是很难计算,控制和优化的.即使在轴流式叶栅研究 方面有一些报道,而在离心式方面就更少了.为了提高各种类型的叶轮机械的效率,而 开展内流流动和损失机理的研究,研究番鼋跫?誊 二次流就是其中很重要的一部分.太 家都知道,由于所采用处理二次流的定 义不同,而所得到的结果也不一样在 本文中所定义的二次流速度矢量为三 维Ns计算所得的粘流速度矢量与其 在流动方向坐标网格投影的向量差.于 是,这个二次流速度矢量在s.坐标面 上投影,并作微团的面示踪,就可显示 出二次流旋涡 流道内共有59个计算坐标面,图 l的左图已示出了沿叶轮流道方向的几 个计算坐标面.图7为二次流旋涡的面 示踪图.我们现在将第39个横向坐标 面上的速度矢量,旋涡的微团示踪,涡图7几个面上的二次流旋涡的微团示踪图 2期陈乃兴等:无叶扩压器离心式匿气机内旋涡运动的数值研究159 的强度和熵增等四个图画在一起,表示在第8图上.由于它们之间的位置是互相对应的 关系,因此用上述方法就能很清楚地将二次流的旋涡系显示出来可以看到它们之间的 位置是相互对应的应该指出,熵增虽大处常常是在壁面附近,但是由于网格不能太细, 因此这种层状旋涡就很难显示出来.随着计算机的进步,这个困难无疑将会得到解决. 从图7,8中看出,近吸力面的旋涡是一个通道涡,从前人的研究结果得知,它是由来 嚷部 二次流速度矢量匿旋涡奇勺微团示踪圈旋涡强度分布图熵增分布圈 图8第39个面上的二次流速度矢量图,旋涡的微团示踪,涡的强度和熵增图 流附面层所形成的马蹄涡压力面分支h., 在叶轮中受强烈的周向压力梯度的作用 下,向吸力面运动并卷吸了主流和来流端 壁附面层而形成的旋涡,而形成了通道涡 . 这个情况可以从图7中看到.这个涡 的强度较大.它到了吸力面后逐渐往上向下 游运动,强度也逐渐越来越小,最终弥散在 下游马蹄涡的吸力面分支h附着在叶 片通道的吸力面/根部面上,它向前运动了 一 段路程后,被与之方向相反其强度又大的 通道涡吸引到自己身边,然后一起向下游流 去.在我们和前人研究结果的基础上,将离 心式叶轮中的二次流画成如图9的模型. 图9马蹄涡的压力面与吸力面分支 以及通道涡的形成与发展图 5结论 我们显示了离心式叶轮复杂的三维性.讨论了用速度矢量,微团的面积和体积示踪, 旋度和熵增等工具来研究与显示旋涡运动的方法.用这些手段我们研究了离心式叶轮中 的各类旋涡,有些还给出了拓扑图对于二次流动还给出了它的模型.以上工作可以说 明,应用求鳃NS方程的数值计算方法,是研究离心式叶轮中旋涡运动的一个有效方 法. 160工程热物理学报20巷 参考文献 l1ChenNaixig.ZhengXi~qhxgXuYanjlNumericalCornp~talionsofTnrbomachineryCascadeTur. bulentFlowswithShocksbyUsingMultigridSchemePaperNoICAS02—3131992 2i陈乃兴,黄伟光,周情跨音速单转于医气机维端魂流场的数值计算航空动力学报,1995-10f21: l09-,112 3]ChenNaixing.ZhengXiaoqing.Huang~Veiguang.etalApplicationofAdvancedNu:llericalMethod s toTubachi…vAerodynamicCalculations:Tim~MarchingMethodProceedingoftheFirstAsian CFDConference(HottgKong1,PaperNoIF3,211220.1995 4]ChenNXHEwGChenXD,etalANumericMStudyo?the3-DFlowinCentrifugalCompressor Impe11erPr.ceedinoftheThirdInternatlonMC!onferenceonPumpsandFans.Oct1316,Heijing China1998 4.KrainHSwirlingImpellerFlowASMEJournalofTurbomachinery.1988.110:122128 NUMERICALSTUDY0NV0RTICESM0T10NSIN THEIMPELLER0FVANELESSDIFFUSER CENTRAFUGALC0MPRESS0R CHENNaixingHuang1Veiguang fInstituteofEnginearingThermophyMcs~..4cader~iaSinica.Beijing190080 Abstract Theobjectiveofthepresentpaperistostudythevorticesmotionsintheimpellerof vanelessdiffuserofcentrifugalcolnpressorbynumericalcomputations.Themethodusedhere isatime——marchingfinitevolumemethod.It.Wa.SdevelopedbytheauthorsintheInstituteof EngineeringThermophysics.Onthebaseofnumericalcomputationstheprocessingmethods andcodesusingthereIatireflOWvelocityvectorschemes.surfaceandvolumeparticles(streatn traces)invortices,vortexintensityandentropycontourswereappliedt0studyandillustrate thevorticesandtheirdevelopment.Thetopologicalschemesofvariousvorticesstudiedare given.Forthesecondaryvorticest}leprincipteschemearealsoproposedinthepaper Keywordscentrifugal~i)lllpressor,impellervorticesillof.ions.secondaryflows,rill meriealcomputation