李金水

（武漢長(zhǎng)利玻璃有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430065）

離心式空氣壓縮機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于航天、冶金和化工等機(jī)械設(shè)備中。利用CFD法對(duì)離心式空氣壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，對(duì)其進(jìn)行主要部件和整級(jí)進(jìn)行流動(dòng)特性數(shù)值模擬，分析離心空壓機(jī)流道內(nèi)部的葉輪、擴(kuò)壓器和彎道的流動(dòng)特性及其整級(jí)流動(dòng)特性。如何提高離心式空氣壓縮機(jī)的工作效率、降低能耗和擴(kuò)大工況使用范圍成為研究的重心。近年來(lái)，將數(shù)值模擬與CFD技術(shù)相結(jié)合共同研究離心式空氣壓縮機(jī)內(nèi)流動(dòng)特性成為一種行之有效的方法。為改善離心式空氣壓縮機(jī)效率和適用范圍，對(duì)其內(nèi)流動(dòng)特性需要更深入的研究有著重要的意義。高峰等人使用湍流數(shù)值模擬模型分析了離心葉輪內(nèi)部流動(dòng)特性；李學(xué)臣等人研究了葉輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)律；馬新民等人研究了不同速度系數(shù)下離心機(jī)整機(jī)流道內(nèi)部的流動(dòng)情況。本文綜合影響流動(dòng)的因素，建立物理模型，設(shè)定初始條件及參數(shù)，利用多重網(wǎng)格技術(shù)，將物理模型網(wǎng)格化，對(duì)離心式空氣壓縮機(jī)內(nèi)部的葉輪、擴(kuò)壓器、彎道和整機(jī)的流動(dòng)特性進(jìn)行分析，得到可靠數(shù)據(jù)。

1 網(wǎng)格化數(shù)值模擬

（1）離心式空氣壓縮機(jī)的網(wǎng)格建立。在多級(jí)離心空氣壓縮機(jī)中隨機(jī)選取一個(gè)中間級(jí)建立模型，采用CFD的方法對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，其內(nèi)部葉輪選取葉片數(shù)為 16 的三維扭葉片，出口直徑D2=420mm；擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑設(shè)置為D3=460mm，無(wú)葉擴(kuò)壓器出口直徑D4=615mm；回流器為葉片數(shù)22的二維香蕉形葉片，回流器擴(kuò)張角為9°，進(jìn)口直徑D5=620mm。其子午流道結(jié)構(gòu)如圖1所示。在導(dǎo)入葉輪和擴(kuò)壓器部分輪廓線數(shù)據(jù)建立幾何模型，使用允許流道上、下游可以建立不同網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 H/G/C/L 網(wǎng)格形式來(lái)建立內(nèi)部網(wǎng)格化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上下游分別采用 J 形網(wǎng)格和 H 形網(wǎng)格，在葉片附件采用葉片附件采用 O 形網(wǎng)格。O形網(wǎng)格具有連續(xù)環(huán)形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，它適用于流體流動(dòng)復(fù)雜、流體分離嚴(yán)重和環(huán)境參數(shù)變化劇烈的環(huán)境中，這種結(jié)構(gòu)可以提高模型邊界層的網(wǎng)格質(zhì)量?；亓髌鞑考捎脠A弧過(guò)渡的葉片，葉片附件采取 O 形網(wǎng)格劃分，上、下游均采取 H 形網(wǎng)格劃分。擴(kuò)壓器出口作為整級(jí)模型的分界面，建立整級(jí)計(jì)算模型。

圖1 子午流道示意圖及其部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（2）離心式空氣壓縮機(jī)的邊界條件和基本參數(shù)。在模型計(jì)算前，需要對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置和基本參數(shù)的配置，為準(zhǔn)確研究整級(jí)壓縮機(jī)性能做好準(zhǔn)備。總體邊界條件使用靜子轉(zhuǎn)子交界面原則，兩側(cè)為周期性邊界條件，將模型的盤(pán)側(cè)、蓋側(cè)、葉片部分分為固壁邊界條件，按照建立模型的思想以及網(wǎng)格劃分的具體情況，轉(zhuǎn)動(dòng)部分為具有葉輪主體部件（葉輪、擴(kuò)壓器），其余部件都設(shè)置為靜止部分。基本參數(shù)配置：入口條件為總壓入口，其數(shù)值為99kPa，出口條件為靜壓出口，以空氣為流體，葉輪的轉(zhuǎn)速為 15236r/min，入口總溫為 293 K，參考?jí)毫?0 Pa，機(jī)器馬赫數(shù) 為 0.83，采用 k-ε湍流模型分析絕熱無(wú)滑移的固體壁面的穩(wěn)態(tài)氣流。

2 內(nèi)流動(dòng)特性分析

對(duì)離心式壓縮機(jī)內(nèi)流動(dòng)特性分析研究包括葉輪、擴(kuò)壓器和彎道等內(nèi)部部件流動(dòng)速度矢量圖分析和離心壓縮機(jī)整級(jí)速度矢量圖和靜壓值的分析。

（1）葉輪和擴(kuò)壓器流動(dòng)特性分析。離心葉輪受動(dòng)靜元件、進(jìn)口條件和曲率等因素的影響，容易使葉片應(yīng)力更集中，產(chǎn)生阻塞和喘振現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致整機(jī)結(jié)構(gòu)破壞，故葉輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響整體性能。通過(guò)圖2的葉輪中間面速度矢量圖可以看出，葉片的前緣速度最大，尾緣處形成一個(gè)小范圍的分離流動(dòng)和葉輪中間面的吸力面速度大于葉輪壓力面。在葉片尾緣建模采用的是彎曲長(zhǎng)方形而非圓弧形的平滑過(guò)渡，故對(duì)流暢擾動(dòng)忽略不計(jì)，而葉片前緣對(duì)流體會(huì)產(chǎn)生影響，但葉輪對(duì)離心壓縮機(jī)整體效率的影響較弱。通過(guò)擴(kuò)壓器中間面速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)葉擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其內(nèi)部流速平穩(wěn)且無(wú)劇烈變化，流場(chǎng)整體比較平穩(wěn)。

圖2 葉輪中間徑向面（左）和擴(kuò)壓器中間面（右）速度矢量圖

（2）彎道流動(dòng)特性分析。彎道具有引導(dǎo)氣體流變向進(jìn)入下一級(jí)部件的作用，作為離心壓縮機(jī)的一個(gè)重要部件，其流動(dòng)特性比較復(fù)雜，分析其流動(dòng)特性對(duì)分析離心壓縮機(jī)整級(jí)性能有重要的意義。圖 3 為彎道速度矢量圖，可以發(fā)現(xiàn)彎道內(nèi)側(cè)流速變化劇烈呈現(xiàn)明顯不均的現(xiàn)象，相對(duì)而言外側(cè)則穩(wěn)定許多。彎道中間面流動(dòng)特性呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)，造成這種現(xiàn)象是因?yàn)闅怏w在彎道內(nèi)改變方向時(shí)內(nèi)側(cè)遇到阻力最大，速度降低較多，而外側(cè)則影響相對(duì)較小。

圖3 彎道內(nèi)側(cè)（左）、中間面（中）和外側(cè)（右）的速度矢量圖

（3）離心壓縮機(jī)整級(jí)流動(dòng)特性分析。圖 4 為仿真模型子午靜壓等值線圖，從中可以分析其整級(jí)流動(dòng)特性，并對(duì)比內(nèi)部部件的流動(dòng)特性。從靜壓等值線中可以看出，在隨著氣體流動(dòng)方向離心壓縮機(jī)整級(jí)靜壓面快速增加，其在葉輪處的等值線較為密集，可以判定葉片前緣點(diǎn)局部速度較大，其中間層流場(chǎng)穩(wěn)定，而蓋側(cè)比較混亂。擴(kuò)壓器內(nèi)靜壓變化均勻，各個(gè)側(cè)面基本一致，流場(chǎng)比較穩(wěn)定。在彎道的蓋側(cè)有一高壓區(qū)，這是因?yàn)閺澋澜Y(jié)構(gòu)需要達(dá)到改變流體方向的目的，改變方向必然會(huì)導(dǎo)致速度降低和此處壓力升高。

圖4 仿真模型子午面靜壓等值線圖

從仿真模型子午面速度矢量中可以觀察到，回流器流場(chǎng)變化較為復(fù)雜，葉輪外側(cè)與擴(kuò)壓器界面處速度變化劇烈，蓋側(cè)和盤(pán)側(cè)流體流動(dòng)較為混亂，彎道內(nèi)流場(chǎng)則較為穩(wěn)定。獲得的整級(jí)內(nèi)流動(dòng)矢量圖特性分析與前部分的葉輪中間面速度矢量分析、擴(kuò)壓器速度矢量分析和彎道速度矢量分析結(jié)果一致，說(shuō)明設(shè)計(jì)網(wǎng)格化計(jì)算中將整級(jí)分為兩個(gè)部分進(jìn)行模擬是正確的方案，最終獲得的整級(jí)結(jié)果理想。

3 結(jié)語(yǔ)

采用CFD的方法對(duì)離心式空氣壓縮機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)建立物理計(jì)算模型，設(shè)置相應(yīng)影響參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬。葉輪流動(dòng)特性分析表明，葉片的前緣速度最大，尾緣處形成一個(gè)小范圍的分離流動(dòng)和葉輪中間面的吸力面速度大于葉輪壓力面。擴(kuò)壓器流動(dòng)特性分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)葉擴(kuò)壓器的壓力平穩(wěn)升高，內(nèi)部流場(chǎng)沒(méi)有劇烈變化。無(wú)葉擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)流場(chǎng)影響較小。彎道流動(dòng)特性分析發(fā)現(xiàn)，彎道部分流動(dòng)整體上比較穩(wěn)定。其中外側(cè)均比內(nèi)側(cè)穩(wěn)定，中間面為流體流動(dòng)平穩(wěn)區(qū)域。對(duì)離心式空氣壓縮機(jī)整級(jí)流動(dòng)特性分析發(fā)現(xiàn)，回流器內(nèi)流場(chǎng)變化較劇烈，彎道和擴(kuò)壓器內(nèi)流場(chǎng)則較為穩(wěn)定，在葉輪內(nèi)部和擴(kuò)壓器交界面處速度較高。