叶轮机械内部流场数值模拟研究综述

　　1　前言

　　叶轮机械内部的流动是非常复杂的三元流动,在多数情况下包含层流、转捩流动和湍流。流体可能是亚音速流动,也可能是跨音速或超音速流动;流体可以是单相也可以是多相的(气固、气液、液固两相流或气固液三相流)。由于受叶轮旋转和表面曲率的影响,还伴有分离流、回流及二次流现象,从而使得叶轮内流体的流动变得极为复杂。

　　近20年来,由于计算数学以及电子计算机的高速发展,计算流体力学(CFD)发展很快,它在流体机械内部流动数值模拟方面的应用日趋增多[1~3],进行叶轮机械内部三元流动的计算已成为可能。

　　2　数值模拟发展阶段及模拟方法

　　2·1　无粘流数值模拟阶段

　　20世纪80年代以前是叶轮机械内流无粘数值模拟时期。受计算机技术的制约,这个时期的内流计算常简化为二维不可压势流、准三维或全三维势流,以流函数、势函数或EULER方程为控制方程进行求解。1952年,吴仲华教授提出了S1、S2流面理论,对叶轮机械内部流动的数值模拟产生了深远的影响。此后,人们普遍采用S1、S2流面相互迭代的方法来计算叶轮内部流动,并产生了一些新的数值方法,如流线曲率法、准正交面法等。非粘性计算在一定程度上可以反映实际的流动,因此近期国内还有不少学者用这类方法模拟叶轮内部流动。

　　流线曲率法是计算二元无粘流场的一种较为简单的方法,它采用积分任意准正交线上的速度梯度方程,得出该准正交线上的速度,利用连续方程校核各通道截面上的流量,反复迭代直到满足给定的流量计算精度为止。流线曲率法要求的计算机内存较小,程序简单,但引入的假设较多,流线曲率的计算有一定任意性,使得计算精度下降。张莉等采用流线曲率法模拟了离心压缩机叶轮平均S2流面的流动[4]。

　　准正交面法在求解叶轮机械无粘流场的方法中应用较广,它具有方法简明、步骤清晰、计算速度快和占用内存少等优点,可用于计算三元无粘流场。陈倩等采用准正交面法求解了离心风机的无粘不可压及可压的三元流场[5],结果表明,准正交面法可以给出整个三维空间内的流场的速度分布,且精度较高,这是流线曲率法无法达到的。

　　另外一种求解叶轮机械无粘流场应用较广的方法是有限元法,以流函数或势函数为基函数建立方程,这就要求叶轮机械内部的流动为有势流动。陈德江以流函数为基函数,运用伽辽金方法建立有限元方程,对离心式叶轮回转面上流动进行了计算[6],数值计算结果正确地揭示了离心式叶轮内部的流动规律。有限元法的缺点是要求计算机内存量较大,计算时间较长,而且还要求预先找出相应的变分原理。