旋转叶轮和叶片扩压器耦合的非定常流动计算

　　离心式流体机械是广泛应用于国民经济各个部门的重要动力设备.深入研究离心式流体机械内部的非稳定流动规律,特别是研究旋转离心叶轮和扩压器耦合的动/静干涉问题,对深入认识离心式流体机械内部的流动规律,提高离心式流体机械的设计水平具有重要的意义.随着计算流体力学(CFD)技术的迅速发展,国内外的研究者已经从通常研究一个叶轮叶道和对应的扩压器流道的动静耦合问题扩展到整个叶轮全流场耦合计算[1-4],但在离心式流体机械中全流场动静耦合非定常的研究还刚刚起步,这是由于旋转叶轮和扩压器的几何形状不同,气流的流动规律也不同,在计算技术上存在着困难[5].本文全流场计算了一个带有叶片扩压器的旋转叶轮内部非定常流动情况,获得了其内部流动的一些重要特征.对认识离心式流体机械内部的流动规律,提高设计水平,具有重要的意义.

　　1　计算区域及网格划分

　　将流动区域分为3个部分:旋转叶轮,叶轮和叶片扩压器之间的径向间隙,叶片扩压器.为了进行扩压器和旋转叶轮的耦合计算,采用了滑移网格技术.边界条件考虑了蜗壳的存在.

　　网格生成是利用STAR-CD中的PROSTAR生成,采用的是几何法.这种方法的最大优点是容易控制网格的疏密,而且调整方便,可以根据需要确定网格的最小间距.

　　将风机分为进风口、叶轮、叶轮和叶片扩压器的径向间隙、叶片扩压器、蜗壳5个区.先分区生成各部分网格,最后将所有网格耦合在一起.计算单元总数为332 820,其中进风口的计算单元数为13 500,叶轮的计算单元数为94 500,叶片扩压器的计算单元数为69 300,叶轮和叶片扩压器径向间隙的计算单元数为34 020.采用较多的计算单元是为了希望能捕获到细致的流动现象.在叶轮出口设立滑移网格来传递叶轮和扩压器之间的数据.

　　图1为叶轮和叶片扩压器的全流场网格划分图,图2为外连的蜗壳示意图.

　　叶轮和扩压器的几何尺寸见表1和表2.

　　2　计算方法和紊流模型

　　计算采用三维雷诺平均守恒型Navier-Stokes方程,紊流模型选取标准k-ε两方程模型.采用二阶差分格式离散方程,用PISO算法求解控制方程.

　　3　边值和初值条件

　　3·1　边值条件

　　(1)叶轮流道进口的绝对速度均匀,主流速度由实验流量确定;周向边界区条件取循环边界条件.

　　(2)旋转叶轮进出口为计算区域内边界,无需给定边界条件;叶轮周向边界取固壁条件.

　　(3)叶轮与叶片扩压器之间的径向间隙内无需给定边界条件.

　　(4)叶片扩压器进出口为流道内边界;周向取固壁条件.