流体机械叶轮内二次流及尾迹发展

　　压缩机、鼓风机、风机和水泵等机械在冶金、石油、化学、制冷和动力等工业领域中得到广泛应用,据统计,它们每年的耗电量占全国总发电量的比例大于30 %,其运行的可靠性、经济性直接影响到国民经济的发展.而在上述流体机械中离心式机械以其流量小和叶轮作功能力强等特点在工业和航空等领域中应用广泛.离心叶轮作功时,流体介质通过轴向进入叶轮内部,并在较短的轴向尺寸范围内由轴向转换成子午面内的径向流动.

　　由于离心力和哥氏力的影响导致在离心叶轮中流体是三维流动并伴有强烈的二次流;附面层呈扭曲形状,且沿流线方向逐渐加厚;在叶轮通道中往往存在脱流或旋涡区,故此种流动是极其复杂的.同时,考虑到离心叶轮内流动特性对于其整体性能有着十分紧密的关系,因此,若要设计和发展高效节能的离心叶轮,则必须对内部复杂的流场进行深入研究和分析.

　　离心叶轮内流的实验研究和数值模拟是当今叶轮机械中的一个重要课题,相关研究者作了大量的工作[1~3],①.本文通过数值计算的方法求解相应边界条件下的N-S方程,在对压缩机离心叶轮内部流场作三维、有粘、定常分析的基础上,应用速度矢量图、等值线图等后处理方法,对离心叶轮内部流场的射流-尾迹现象作了全面的分析,其结果对深入了解离心叶轮内部流场的损失情况以及对叶轮结构合理设计和改进有较大的指导意义.

　　1　数值方法

　　本文的数值模拟分前处理、N-S方程的求解、后处理三个部分①.前处理采用指数插值的代数方法来生成贴体坐标网格.指数插值方法是指利用指数插值方程分别对起点和终点的X, Y和Z坐标值进行插值来得到中间插值点相应的坐标值,因为指数方程中含有密度项,所以能够针对不同的流体介质所具有的不同流动特性来调整相应的网格形状;或者在数值计算中根据每次计算得到的不同密度来自动调整计算网格,从而实现贴体网格的自适应性,而且对该方法的程序实现也比较简单,具有一定的实际应用价值.

　　N-S方程的求解首先将笛卡尔坐标系下的流体运动三大守恒定律转换为曲线贴体坐标系下的统一方程形式.其中的雷诺应力项和粘性扩散项由k-ε湍流模式得到.并给出入口、出口、周期性和壁边界条件.具体的统一方程和边界条件见文献[4].对得到的三元定常、可压缩的湍流运动的基本方程和边界条件采用有限体积法进行离散.

　　对于雷诺时均方程的数值解法本文采用SIMPLER即解压力相关方程半隐方法的改进方法.基本思想是对于给定的压力场(给定的初始值或上次计算的确定值),通过两次压力修正求出相应的速度场.该方法在每次迭代中可以获得比较准确的压力场,正确的构造压力修正方程,并能在运动方程的离散过程中采用适当的形式实现压力与速度的有效关联.