流体机械叶轮内部流场测试技术进展

【摘 要】随着社会经济的发展,流体机械、水泵、鼓流体机械等机械在冶金、石油化工、制冷和动力领域得到了广泛的应用.根据过去多年的统计总结得出,这些机械每年都消耗全国总电能的1/3以上,因此,其在运行中运行效率、可靠性、经济性都直接影响着国民经济的发展.本文通过利用有限体积法对流体机械叶轮内部流场测试技术进行分析,模拟离心叶轮内的粘性流动性能,并分析了其在各种不同转速和流量下的影响.

【关 键 词】流体机械；流场测试；实验

随着近年来科学技术的飞速发展,流体机械叶轮机种的压缩机因为其可靠性、小体积和轻质量等诸多优势被广泛的应用在当前社会的各领域.一直以来,流体机械叶轮机的研究都深受国内外专家和学者的关注.实验流体力学和计算流体力学是研究机械能内部流动性能和规律的主要工具,其在工作的过程中主要的研究方法是根据数值来计算相关结果,进而实现控制的有效良好要求,在机械运转中有着不可替代的重要作用.

一、常见的机械叶轮异常现象

1.汽蚀现象

汽蚀现象对于水泵来说有着严重的影响,不仅能使水泵的性能曲线下降,使泵的出水量减少,扬程降低,效率下降：同时还会有较大的振动和噪声影响了设备的工作能力.因此国内外一直把有关于通过改善水泵叶轮机构来提高船舶推进泵各项性能,降低汽蚀效果作为开发和研究高性能水泵的重要课题,在研究水泵性能方法方面国内外也存在着大量先进和丰硕的成果.

2.其他异常现象

在设计制造流体机械时,一般的过程为设计、样机性能试验、制造.如果采用CFD方法通过计算机进行样机性能试验,能够很好地在图纸设计阶段,预测流体机械的性能和内部流动产生的漩涡、二次流、边界层分离、尾流、叶片颤振等不良现象,力求将可能发生故障的隐患消灭在图纸设计阶段,在一定程度上取代了试验,以达到降低成本、缩短研制周期的目的.

3.叶轮匹配

在离流体机械的设计过程中,叶轮与扩压器的匹配问题一直以来都是困扰设计人员的难题之一.影响叶轮与扩压器匹配的主要因素有：有叶扩压器的喉部面积,叶轮与扩压器之间的间隙,气动叶型扩压器的稠度,扩压器叶片前缘形状等.离心式压缩机一般采用增速齿轮,转子转速一般都在5000r/min以上,目前一般采用滑动轴承,滑动轴承的设计也是研制离流体机械的一个重点.

二、主要设计要点

为了设计出高性能的通流体机械,传统的设计方法已满足不了需要,必须采用现代设计理论和方法.这就要求设计者必须详细掌握流体机械性能和内部流动状况,从而给流体机械内部流动理论和试验研究提出了新的课题.而大型商用CFD软件的出现给流体机械的数值模拟带来了极大的便利,使人们对流体机械内部流场有了更深入地了解.

叶轮机械内部流动的测量手段主要有光学和非光学两种测量技术,非光学测量技术主要包括探针和热膜技术,其缺点是实验材料的介入会扰动真实的流场,并需配置复杂的遥测技术采集信号.光学测量技术可以实现无接触测量,让光束深入到叶轮的内部流场,这种非接触测量技术在叶轮机械实验研究中发挥了巨大的作用,揭示了原先无法感知的内部流动现象.但需为测量设计透明的测量窗口,并为测量选择适当的示踪粒子.

在实验仪器方面,毕托管是较早用于流动测量的仪器,用毕托管配倾斜式微压计测管道内流体的流速或流量是一种最基本的测量方法.由于它的测量原理可靠,仪器耐用,在一定范围内能够满足某些具有较高精度要求的测量需要,故其应用非常普遍.后来出现了建立在热平衡基础上的风速仪,采用接触式单点测量手段,比毕托管有了很大的进步,可用于测量单向或多维流动的平均速度和脉动速度,其缺点是方向性差,校正困难,对流场有干扰,难以测量旋转流场和多相流.随着测量技术的不断进步,在流场速度测量方面,先进的高响应、非接触测量仪器相继出现,较常使用的有：激光双聚测速仪能够测量二维流动,测速范围广.

（1）对流体机械整体进行轴对称模型简化.针对旋转机械进行数值模拟有两种方式：局部旋转区域及整体旋转区域,基本上两种方式的运算理论基础都是相同的.考虑到对流体机械叶轮进行优化设计,因此将机壳区域简化为轴对称的覆盖环面,然后采用整体旋转的计算模式.

（2）对叶轮部轮盖、、叶片及轴盘简化.在数值模拟过程中,需在叶轮各个部分进行初始条件,边界条件加载,因此为方便后续过程中加载及分析方便将及叶片进行合理建模.

（3）叶轮出口处建立压力测量环面（Measure）.

（4）为简化计算,定义进口空气为不可压稳定流,忽略叶轮内部与流体无关的空腔,并且定义所有壁面为光滑绝热面.

（5）整体旋转区域的数值模拟计算方式,需在模型中设定静止面,即设定模型中的定子（Stator）.除叶轮区域外,其他流动区域均为静止的.

网格划分时,根据流体区域的大小需采用不同类型、不同大小的网格（非结构化的三棱体和四面体网格）,将整体网格解析度调至4,并且指定最小壁面厚度为2mm.为了更精确的攫取叶片的曲面几何网格,需再设定一个局部初始网格针对叶片部分再调高曲率解析程度.整个计算域网格数目约1000000个.

叶轮内部气体流动迹线图,可以看出气流从叶轮进口处进入后,大部分气体直接进入到旋转的叶轮中,得到加速,并且在叶道内达到绝对速度最大值.少部分气体会沿叶片角做环绕运动,从而在叶轮进口处产生一个漩涡.这种漩涡的存在不仅影响了风机的启动性能,而且会带来一些噪声的增加,因此风机进气的好坏对这些漩涡的产生发展有着直接的影响.是叶轮内部压力等值面,结合叶轮内部迹线图,很好地看到叶轮内部气流的运行情况.给出了风机叶轮截面的压力分布云图,可以看到叶轮的旋转使叶轮中间产生了一个负压区域,而越靠近叶轮外缘处,压力就越高.给出了风机叶轮截面的速度分布,就整个叶轮的速度分布情况来看,它与总压的分布非常类似.从矢量分布图来看,气流在叶片进口处和出口处的流动非常复杂,有漩涡的存在.叶片气流进口处和叶片气流出口处,矢量截面图的放大图.

由此可见,叶轮叶片进出口角度选定的好坏对叶轮气动性能有着很大的影响.叶片末端的气流出口处速度矢量图清晰可见有漩涡的干扰,通过对此处流场的分析,可以对叶片叶型进行改进,以减小漩涡扰动损失,提高叶轮效率,降低噪声.

三、结束语

应用计算流体动力学的方法对离心通风机叶轮进行三维的内部流场数值模拟,从流场图来看,叶轮内部流动非常复杂.试验结果与数值模拟结果的对比分析,验证了数值模拟具有较好的准确性和可信度,从而在实际工程中,可用数值模拟来代替部分试验,以达到缩短周期、节约开发成本的目的.