轴向间隙对动/静相干叶排内部非定常特性的影响

　　1前言

　　叶轮机械由于转子、静子的相对运动其内部流动存在着固有的非定常特性,这种叶排干扰包括位流干扰及粘性尾迹干扰,它们对叶轮机械的气动性能和结构振动有着很强的影响。在工程实践中,我们也常常发现叶轮机械叶片由于动载荷作用而发生疲劳失效的现象。因此研究叶轮机械动/静相干叶排非定常流动问题有着重要的理论意义及工程背景。虽然计算流体动力学在叶轮机械研究中的应用己经取得了令人振奋的成绩,但大多数文献仍然是假定转子、静子内部流动相对定常,这将不能真实地反映出转子/静子内部流动的非定常性[l,2}。本文采用文献[s1中发展的一种滑移界面方法,该方法能够严格保证任一时刻物理量在滑移界面上的守恒,而不引入任何假设,因此能够真实地揭示转子/静子相干非定常特性。在完成了数值模拟二维任意栅距动/静叶排内部非定常流动的基础上,主要研究了轴向间隙对动/静相干叶排内部非定常特性的影响。

　　2控制方程及离散方法

　　任意相对曲线坐标系下,描述流体运动的N一s方程可写成下面的形式:

　　上述方程同时适用于动、静叶区,待求速度分量为绝对坐标系内的分量,这样可以使动叶区与静叶区的控制方程形式上完全一样,便于统一离散及整体计算。本文采用非交错斜交网格离散计算区域[al,对于每一时层压力场与速度场的祸合,本文采用一种基于算子分裂思想的非迭代PISO算法,实践证明这种算法适合于非定常流动的计算同。

　　3算例及分析

　　本文采用滑移界面方法,数值计算了不同轴向间隙时二维动/静相干叶排内部非定常流动,其几何尺寸及计算网格与文献(4)相同。选取动/静叶排具有相等的栅距,均为S=1.0E-1m,轴向间隙分别0.076,52,0.153,0.243,0.304,0.35,0.533倍栅距。基于栅距及转子平移速度的R。数为60。所用网格数为40x160。在静叶通道中部靠近吸力面1/4栅距处设置监测点,经过800时间步后得到完全周期性变化的结果。

　　图1所示为轴向间隙对监测点处。,v,p非定常变化振幅大小的影响趋势,可以看出轴向间隙由0.1525变化到0.5335时,速度。的相对振幅由26.27%下降为7.94%;速度v的相对振幅由21.34%下降到7.3%;而压力p的振幅由9.6E一SPa下降为2.5E一SPa,从而随着动、静叶间轴向间隙的增大,动/静叶排内部流动参数的非定常脉动量呈减小趋势,这不仅有利于改善转子/静子的振动性能,而且还将大大降低由于动/静叶排干涉而产生的气动噪声水平。图2为轴向间隙分别为0076,0.152,0.183,o,243,0304,038倍栅距,当动叶移近静叶时,动/静叶排叶间涡的变化趋势。由于粘性的作用,紧靠静叶后的区域将形成一个低速尾迹区,当动、静叶间隙较小时,由于动叶具有较高的移动速度,将带动上述尾迹区内的流体沿动叶移动方向运动,受静叶通道主流干扰后形成逆时针运动的旋涡;由图2可以发现,随着动、静叶间隙增大,叶间涡的尺寸增大,由于旋涡最外层线速度与动叶移动速度接近,从而旋涡角速度减小,旋涡强度减小,如dy=0.1525、dy=0.1835时的情况;随着动静叶间隙的进一步增大,动叶对静叶尾迹区的影响减弱,叶间涡消失,而且静后的流线趋于平直。这表明轴向间隙增大后,动/静叶排间的相干扰动减弱了。