多级涡轮内流场的CFD模拟

　　1　计算流体动力学简介

　　计算流体动力学(Computational Fluid Dynam2ics,简称CFD),它是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物,是一门新兴的边缘科学。它以电子计算机为工具,应用各种离散化的数学方法,对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,以解决各种实际问题。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验,它从基本物理定理出发,在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验,在科学研究和工程技术中产生了巨大影响。

　　用CFD技术研究多级涡轮机械[1]时,通常以单级涡轮为研究对象,进行内流场计算、分析,把单级涡轮的分析结果简单地换算为涡轮组的机械特性,往往造成理论分析结果与实验数据存在较大差别[2]。实际上,受多级涡轮的相互影响,各副涡轮的进口和出口条件均不相同。因此,应该以涡轮组整体为研究对象,才能降低边界条件对计算结果的影响。但是,以涡轮组整体为研究对象,其网格单元随涡轮级数成倍增加,对计算机内存的需求也随之提高,计算速度显著降低,一般的微机无法满足要求。因此,在微机上如何实现对涡轮组的CFD分析,是非常值得研究的。

　　本文以轴流式多级涡轮组(如图1)为例,对涡轮组的CFD分析进行初步探索,并与实验结果对比,证明其可行性。

　　2　涡轮组的CFD模型

　　当研究单副涡轮时,为了提高计算精度和模拟过程的稳定收敛,计算模型需要向定子进口的上游和转子出口的下游延长一定距离(如图2)。对于涡轮组,上级涡轮的转子出口到下级涡轮的定子进口实际距离一般仅为十几毫米。在单副涡轮内流场模拟中假设定子入口速度为轴向平均流速,实际上,从第二级涡轮开始,定子入口的流速是上一级涡轮转子的出口流速,流速方向并不垂直于定子入口面,且呈分布状。因此,对涡轮组的建模有别于单副涡轮。

　　2.1　创建涡轮定转子叶片实体模型

　　研究涡轮为轴流式涡轮,涡轮定、转子叶片的截面形状沿径向不变。由于涡轮叶栅之间的流道都是相同的,通常假设流体在各叶栅之间的流动为周期相似,只需要分析一个单周期跨叶片流道的流场。

　　涡轮定、转子叶片的内缘和外缘都是圆柱面,为了真实、准确地生成三维的涡轮定、转子叶片,首先用实体造型软件创建定、转子平面叶片实体模型。用叶片内缘半径生成实心圆柱体,对叶片实体进行除料布尔运算;以叶片外缘半径为内圆柱面的半径,生成空心圆柱体,对叶片实体进行除料布尔运算。通过上述工作,得到真实、准确的涡轮定、转子叶片实体模型,其两端分别为叶片与内缘圆柱面和外缘圆柱面的接合面(曲面叶形)。