离心风机整机准定常流动数值研究

　　1　引言

　　离心风机内部流动是复杂的三维粘性流动,只凭借现有的试验手段要很好地测量其中流场的细微结构是非常困难的,甚至是不可能的。

　　如今CFD(计算流体动力学)技术运用于离心风机的实例已不少见,但它们基本上是建立在一些简化基础上的:如单独算一个离心叶轮的流道或单独算一个蜗壳[1];或运用一个流道与蜗壳迭代计算的方法研究风机内部流动[2],实际上这些算法都假设风机内流动是定常与对称的,忽略了由于蜗壳型线的非对称性而导致叶轮各叶道内流动呈现的非对称流动特征,所以,用这些方法无法准确地捕捉到流场的真实信息;曾经也有人把整个转子与定子都考虑进去,但却把整个流场作为二维来处理,这样根本无法得到流场的三维特性。

　　本文利用CFD求解器“Numeca”,通过对一离心风机在设计工况与变工况下进行了内部流场整机全三维粘性准定常计算,捕捉到了离心风机内部许多重要的流动现象,证实了由于蜗壳的非对称性而导致叶轮与蜗壳的相互作用时会引起整个流场非对称的流动特征。通过对离心风机内流场的压力等参数的分布及叶片所受激振力的分析结果,为探讨影响离心风机效率的原因、改进叶型设计、提高效率、扩大运行工况范围等,提供了重要的理论依据。

　　2　基本方程及其数值方法

　　2·1　基本方程

　　本文计算时,控制方程采用的是时均NS方程组并配合“Baldwin-Lomax”湍流模型。时均NS方程组的守恒形式可以简写成:

　　式中　FI———无粘通量矢量

　　FV———粘性通量矢量

　　Q———源项矢量

　　其表达式可简写为:

　　式中　μ———动力粘度

　　μt———湍流粘度,其值由“B-L”湍流模型而定

　　κ———层流热传导系数

　　κt———湍流热传导系数

　　传导系数定义分别为:

　　2·2　数值计算方法

　　对式(1)采用基于时间推进法的Jameson格式[5],有限体积法离散。该格式在空间上具有二阶精度。它对空间坐标采用中心离散格式,为了防止求解时发生振荡,方程中加上一个非线性二阶人工粘性项和一个线性的四阶人工粘性项。

　　对时间坐标采用四阶Runge-Kutta方法求解:

　　为提高计算的速度与收敛性,本文采用了三重网格V循环的FMS技术、隐式残差光顺、当地时间步长等加速收敛技术。

　　2·3　边界条件的设定

　　进口:给定流动总压为大气静压力,流动总温为大气静温,流动方向为轴向进气。出口:给定背压,其它参数由内部外推。壁面:给定绝热与无滑移条件。