变叶片数和长短叶片结构对离心叶轮内三维粘性流场的影响

　　一、数值分析方法

　　运用有限解析法对以速度协变分量为求解变量的叶轮机械内部流场的统一方程进行离散。通过采用交错网格系统实现各计算点压力值的紧密相关,并用SIMPLER算法(即采用两次压力修正的SIMPLE改进算法)进行求解。利用改进的Jacobi线迭代法求解代数方程组和相应的收敛标准,实现了对叶轮机械内部复杂流场的数值模拟。采用指数插值方法来生成叶轮机械内部复杂流道的三维贴体网格,该方法生成的网格较好地控制了网格的疏密程度,计算网格图和相应的算例也表明该方法对复杂流道的适应性,基本能满足叶轮机械计算网格的生成。

　　二、变叶片数下流场分析

　　以有完整实验数据和几何尺寸的Ghost叶轮为算例,对离心叶轮内部复杂湍流运动进行数值模拟,分析叶片数和长短叶片结构对离心叶轮内流场的影响。该算例的叶轮几何尺寸见文献〔1〕。

　　文献〔2〕指出,叶轮叶片数目对于压缩机级性能有较大影响,主要有三点。

　　(1)叶片数太少,使叶道的当量扩张角过大,导致压力梯度高和边界层增厚,使效率下降。

　　(2)叶片数增多,降低了单个叶片上的载荷,因而减少了叶轮出口气流的偏斜,在其他条件相同时,叶片数多的叶轮的周速系数L值比叶片数少的叶片为高,所以提高了能量头系数。

　　(3)叶片数过多,会增加气流流动摩擦损失和叶道进口处的堵塞,使效率下降。

　　图1是该叶轮在试验条件下靠近压力面的子午面速度矢量图,由图可以看出由于二次流的影响,导致相当多的低能流体沿吸力面向轮盖方向移动。由二次流理论得知,二次流是在具有不均匀滞止压力的主流受流线曲率或离心叶轮中的哥氏力的作用下而产生的。二次流将低滞止压力p*流体移向低的静压力区。文献〔3～5〕均指出,低能流体从轮盘向轮盖的积聚是导致二次流现象的主要原因。因此,应设法消除低能流体的这种移动。图2是试验条件下出口截面速度等值线图,可看出在吸力面/轮盖角隅,速度值很小,这就是由上述二次流导致的尾迹现象。

　　图3、图4是叶片数分别为15和24(原叶片数是19)时靠近吸力面的子午流道速度矢量图。

　　通过该图来说明减少或增加叶片数对二次流的影响。将这两个图与图1对比可看出,叶片数减少后,低能流体向轮盖处的积聚现象更为明显;而叶片数增多后,低能流体的积聚现象有所改善。这说明了叶片数的减少加剧了流道中的二次流现象;而叶片数的适当增加能改善流道内二次流现象,使更多的低滞止压力p*流体流动趋于正常。

　　图5和图6是叶片数分别为15和24时的出口速度等值线图。将这两个图与图2对比可看出,叶片数减少后,尾迹区在出口截面的位置向叶片吸力面方向移动,尾迹区域比原叶片数的尾迹区有较大扩展,尾迹的绝对数值也有所增加。这使得出口截面的射流-尾迹现象更为明显。而叶片数增加后,尾迹区在出口截面的位置向叶片压力面方向移动,尾迹的绝对数值基本不变,缓解了叶轮出口的射流-尾迹现象。