呂玉坤 王通/華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院

軸向?qū)Я髌骶植繐p失實驗及數(shù)值模擬研究

呂玉坤 王通/華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院

0 引言

在我國西北部，高壓輸電線路所經(jīng)地區(qū)海拔較高且全年多強風(fēng)沙天氣，這種環(huán)境所引起的電暈效應(yīng)成為該地區(qū)超、特高壓輸電線路導(dǎo)線選型和優(yōu)化必須考慮的因素，故需對高海拔沙塵天氣下導(dǎo)線的電暈特性進行深入研究。考慮到不同海拔異地試驗的需求，我校已研發(fā)了一套基于電暈籠的可移動式高海拔沙塵模擬試驗系統(tǒng)，完成了不同海拔沙塵天氣下導(dǎo)線電暈特性的試驗研究工作[1-2]，試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于缺乏軸向?qū)Я髌骶植繐p失資料，上述實驗系統(tǒng)雖然達到了設(shè)計風(fēng)速范圍（5～15m/s），但設(shè)計余量15～20m/s未能實現(xiàn)。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于上述背景，擬利用本校閉式風(fēng)洞系統(tǒng)實驗獲得不同開度下風(fēng)機前置軸向?qū)Я髌鞯木植繐p失系數(shù)，以期對蘭新線動車組沙塵天氣模擬系統(tǒng)的設(shè)計起到一定指導(dǎo)作用。由于蘭新線動車組沙塵天氣模擬系統(tǒng)涉及管路系統(tǒng)特性的確定，需利用FLUENT數(shù)值模擬軟件預(yù)測此模擬系統(tǒng)的能量損失。因此，對本校閉式風(fēng)洞中軸向?qū)Я髌鬟M行實驗研究與數(shù)值模擬，以期使模擬結(jié)果與實驗結(jié)果之間的誤差控制在工程允許的范圍內(nèi)，獲得運用數(shù)值模擬方法預(yù)測風(fēng)沙模擬系統(tǒng)管路特性的可行性方法。

1 實驗研究

閉式風(fēng)洞實驗系統(tǒng)如圖2所示。風(fēng)機前置軸向?qū)Я髌魅鐖D3所示，其幾何參數(shù)如表1所示。

圖2 閉式風(fēng)洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 軸向?qū)Я髌?/p>

表1 軸向?qū)Я髌鲙缀螀?shù)表

1.1 高速段風(fēng)速的測量

風(fēng)洞試驗段為矩形風(fēng)道，采用靠背管多點橫動法測量得到管道內(nèi)風(fēng)速。將風(fēng)道按標準分割為n個等面積的小矩形，每個矩形中心即為一個測點，如圖4所示。

圖4 矩形風(fēng)道測點布置示意圖

高速段截面尺寸為0.75m×0.75m，根據(jù)矩形風(fēng)道測點布置方法將測量截面分成4行4列共16個等面積小矩形。風(fēng)道測孔布置如圖5所示。風(fēng)機工頻運行時，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)流器開度進行節(jié)流調(diào)節(jié)。對不同開度下高速段的測點結(jié)果進行處理得導(dǎo)流器進口的速度，結(jié)果如表2所示。

1.2 軸向?qū)Я髌鬟M出口靜壓的測量

實驗測量方法見圖6，軸向?qū)Я髌魈幱谀抽_度下，在風(fēng)洞高速段測得平均風(fēng)速υ和空氣密度ρ；在軸向?qū)Я髌髑昂?.01m處各開4個靜壓測孔，利用U型管測壓計測定軸向?qū)Я髌髑昂蟮钠骄o壓p1、p2，結(jié)果如表2所示。然后將測得的數(shù)據(jù)代入公式（1）中可求得當前開度下軸向?qū)Я髌鞯木植繐p失系數(shù)。調(diào)節(jié)導(dǎo)流器開度，重復(fù)上述過程，即可獲得導(dǎo)流器在各開度下的局部損失系數(shù)，如表2所示。

圖5 高速段測孔布置圖

圖6 軸向?qū)Я髌骶植繐p失的測定

2 數(shù)值研究

2.1 軸向?qū)Я髌魑锢砟Ｐ偷慕?/p>

數(shù)值模擬以軸向?qū)Я髌鳛橛嬎銋^(qū)，采用FLUENT分別對0°（全開）、15°、30°、45°、60°、75°、90°（全關(guān)）開度下的導(dǎo)流器進行三維建模。開度為45°的模型如圖7所示，其建模與網(wǎng)格劃分利用GAMBIT進行[2-5]。模擬域中采用Tet/ Hybrid(四面體/混合)型網(wǎng)格，此類型網(wǎng)格主要由四面體元素組成，有些區(qū)域也采用六面體、金字塔形和楔形元素。對不同網(wǎng)格數(shù)的物理模型進行數(shù)值模擬，考慮網(wǎng)格無關(guān)性后確定45°開度時的網(wǎng)格數(shù)為159萬。

表2 試驗測定結(jié)果表

圖745 °開度時的網(wǎng)格模型圖

表3 方案一、二、三模擬結(jié)果與實驗結(jié)果

2.2 湍流模型的選擇

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算可知，導(dǎo)流器在各個開度下的流動均為高雷諾數(shù)湍流，標準k-ε模型有較高的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和計算精度，且適合高雷諾數(shù)湍流[2]，故本文選擇標準k-ε湍流模型。

2.3 邊界條件的確定

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)計數(shù)值模擬方案，對軸向?qū)Я髌鬟M行數(shù)值模擬。

方案一：速度進口，自由出流。

方案二：壓力進口、壓力出口，不考慮導(dǎo)流器內(nèi)壁和葉片的粗糙度。

方案三：全壓進口、靜壓出口，考慮導(dǎo)流器內(nèi)壁和葉片的粗糙度。

在數(shù)值模擬結(jié)果中讀取進口、出口靜壓差，利用公式（1）計算出局部損失系數(shù)。方案一、二、三的模擬結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，方案一的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相差非常大。經(jīng)分析可以推斷：在閉式流場中，進出口條件為壓力進出口，且考慮壁面粗糙度更符合實際情況。

2.4 數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比分析

由表3可獲得三種方案導(dǎo)流器局部損失系數(shù)取自然對數(shù)后隨導(dǎo)流器開度的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 局部損失系數(shù)擬合曲線圖

在圖8中，將方案一與方案二進行對比可知：如果采用速度進口作為進口邊界條件，即默認靜壓為一個標準大氣壓，這與實驗中導(dǎo)流器開度較小時，導(dǎo)流器進口靜壓為負壓的實際情況不符；當導(dǎo)流器開度較大時，導(dǎo)流器進口為102數(shù)量級的正壓，也與大氣壓相差甚大。因此，在這種情況下，速度進口邊界條件的設(shè)定是引起其計算誤差較大的主要原因。基于這一現(xiàn)實，選取方案二的邊界條件較為合理。將方案二與方案三進行對比可知：當導(dǎo)流器開度較小時，由于流體速度較大，則流體與風(fēng)洞壁面及導(dǎo)流器葉片的摩擦損失占總能量損失的比重亦較大，如果不考慮壁面粗糙度對于壓損的影響，亦將造成較大的計算誤差。因此，方案三的邊界條件設(shè)置更為合理。

2.5 實驗數(shù)據(jù)的公式擬合

可將實驗得到的導(dǎo)流器局部損失系數(shù)對數(shù)值隨導(dǎo)流器開度變化的曲線擬合成多項式函數(shù)，如公式（2）所示，以期作為計算類似結(jié)構(gòu)導(dǎo)流器局部損失系數(shù)的參考。上式中，ξ為導(dǎo)流器局部損失系數(shù)；α為導(dǎo)流器的開度，其取值范圍為0°（全開）、15°、30°、45°、60°、75°、90°（全關(guān)）。

4 結(jié)論

本文以實驗為依據(jù)，采用FLUENT對不同開度下軸向?qū)Я髌鞯木植繐p失進行了數(shù)值模擬，對所得模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比分析，得出以下結(jié)論：

1）對閉式風(fēng)洞系統(tǒng)風(fēng)機前置軸向?qū)Я髌鞯臄?shù)值模擬，選取壓力進出口并考慮粗糙度的影響，其模擬結(jié)果更接近實際。

2）風(fēng)機前置軸向?qū)Я髌鞲鱾€開度下的局部損失系數(shù)可由公式（2）做初步估計。

3）對閉式風(fēng)洞系統(tǒng)中風(fēng)機前置軸向?qū)Я髌骶植繐p失系數(shù)進行數(shù)值模擬研究是可行的，且運用該方法可以預(yù)測風(fēng)沙模擬系統(tǒng)的管路特性。

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為確定風(fēng)沙模擬系統(tǒng)的管路特性，利用本校閉式風(fēng)洞實驗系統(tǒng)得到了不同開度下風(fēng)機前置軸向?qū)Я髌鞯木植繐p失。利用FLUENT軟件模擬出了不同邊界條件設(shè)置方案下軸向?qū)Я髌鞯木植繐p失，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比分析，確定了較為合理的邊界條件設(shè)置方案，獲得了運用數(shù)值模擬預(yù)測風(fēng)沙模擬系統(tǒng)管路特性的可行性方法。

軸向?qū)Я髌鳎婚_度；局部損失系數(shù)；數(shù)值模擬

Experiment and Numerical Simulation of the Local Loss in Axial Guide Device

LvYukun，WangTong/NorthChina Electric Power University

axial guide device;opening; local loss coefficient；numerical simulation

TH43;TK05

A

1006-8155（2015）06-0028-04

10.16492/j.fjjs.2015.06.14103

2014-06-24河北保定071003

Abstract：Inordertodeterminethe pipelinecharacteristicsofsandstorms simulation system,the local loss coefficient of pre axial guide device of the fan under different openings has been obtained in the closed wind tunnel system.The local loss of axial guide device is simulated under differentboundaryconditionswith FLUENT software,the simulation results werecomparedwiththeexperimental results and the case of setting reasonable boundary conditions is determined.