李星

（上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司，上海 201210）

在諸如壓縮機(jī)和風(fēng)扇的葉輪機(jī)器的流動(dòng)中，壓力表面和葉片后緣的吸力表面，會(huì)發(fā)生邊界層分離的現(xiàn)象，并且，還會(huì)在其尾部形成具有速度損失的尾流區(qū)域。從而導(dǎo)致了氣動(dòng)和聲學(xué)特性的變化，進(jìn)而會(huì)對(duì)葉輪的機(jī)械性能帶來(lái)不利的影響。其中，在它的物理結(jié)構(gòu)方面，湍流可視為不同尺度的渦旋運(yùn)動(dòng)。流動(dòng)的邊界條件，在一定程度上決定了大尺度渦旋，且其大小可以與流場(chǎng)的大小進(jìn)行比較，這是低頻脈動(dòng)的原因。再循環(huán)和二次流，使得葉輪中的流體流動(dòng)十分煩瑣。在本次研究中，我們介紹了流體的實(shí)際壓縮比，并在流場(chǎng)控制方程中保持密度場(chǎng)。接著用聲速方程替代了可壓縮流的能量方程，并在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了數(shù)值模擬方程。所以，就需要對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行更為深入的探討。

1 數(shù)值模擬

它使用積分準(zhǔn)正交線(xiàn)上的速度梯度比較器得到準(zhǔn)正交線(xiàn)上的速度，并采用連續(xù)比較檢驗(yàn)。該方法在計(jì)算平面內(nèi)將紊流平均N-S 方程按特征值的正負(fù)將矢通量分為正矢通量和負(fù)矢通量?jī)刹糠?對(duì)矢通分裂后的N-S 方程組進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)求解。速度和壓力的代數(shù)方程由控制方程的離散提供，同時(shí)求解方程需要更多的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和計(jì)算時(shí)間，因此，這一計(jì)算是最常用的。另外，用壓力校正方法計(jì)算液體機(jī)械中的流動(dòng)問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)外都很常見(jiàn)。其中，需要特別注意的是，計(jì)算必須要花費(fèi)一定的時(shí)間，以確保其計(jì)算精度。因此，選取兩級(jí)全流場(chǎng)模型進(jìn)行研究。

本實(shí)驗(yàn)中采用數(shù)字式變頻儀來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器可調(diào)節(jié)頻率范圍為0 ～25Hz，能滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)的要求。通過(guò)改變變頻儀的頻率，來(lái)控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。具體見(jiàn)表1。

從表2 可以看出，流體機(jī)械內(nèi)部的壓力系數(shù)分布在葉柵的前緣較大,沿弦向外迅速降低,在離前緣的25%處達(dá)到最低值。

某種程度上，黏性力決定小尺度渦旋，且其大小只能是流場(chǎng)大小的1%，這是高頻脈動(dòng)的原因。在邊界條件下，大規(guī)模的相互作用流線(xiàn)型的曲率計(jì)算方法，需要運(yùn)用到較少的計(jì)算機(jī)記憶及比較簡(jiǎn)單的程序，但它引入了更多的假設(shè)。與此同時(shí)，由于流線(xiàn)曲率的計(jì)算隨機(jī)性很大，這就影響了它的計(jì)算精度?？刂品匠逃商卣髦档姆?hào)分割，使正特征值的分割項(xiàng)可以以單側(cè)反向差異格式解決，同時(shí)，每個(gè)格式抑制相應(yīng)的項(xiàng)。通過(guò)引入兩個(gè)新的變量，校正壓力和校正速度提高計(jì)算的精確性和協(xié)同性。這就使得連續(xù)方程求解壓力場(chǎng)的難點(diǎn)問(wèn)題得以解決。在保證快速收斂的情況下,應(yīng)使聲速值盡量接近流體中的實(shí)際聲速。從而這一關(guān)鍵問(wèn)題就構(gòu)成了用流速、壓力代替渦量一流函數(shù)作求解變量的各種原始變量法之間的主要差別。通過(guò)兩種流面方法求解的流量控制方程是歐拉方程，方程的性質(zhì)決定了數(shù)值模擬方法在流體機(jī)器內(nèi)獲得的三維不可見(jiàn)流場(chǎng)大于實(shí)際的黏性流場(chǎng)。這是由軸向?qū)~結(jié)構(gòu)的特殊性所致：軸向?qū)~路徑的流動(dòng)面積變小然后變大，流路面積也會(huì)變小，同時(shí)導(dǎo)致流速增加。從而可以改善葉片中流動(dòng)的不穩(wěn)定性。

表1 測(cè)量?jī)x表信息

表2 葉片表面的壓力系數(shù)分布

2 流體機(jī)械流場(chǎng)計(jì)算的湍流模型

與計(jì)算流體力學(xué)其他領(lǐng)域中湍流模型的發(fā)展和應(yīng)用相類(lèi)似,在流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算中也有零方程模型、單方程模型與雙方程模型。兩個(gè)方程模型考慮了對(duì)流和離散變化。說(shuō)明更流線(xiàn)型流動(dòng)的主要物理過(guò)程具有更好的靈活性和準(zhǔn)確性，且無(wú)須太多計(jì)算。在這個(gè)階段，流體力學(xué)界不建議使用湍流模型。它不僅可以在相當(dāng)寬的流量情況下顯示正確的物理特性，而且計(jì)算結(jié)果更精確。但是，它還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)，以使湍流模型在原有的基礎(chǔ)上得到不斷的優(yōu)化。廣泛用于解決葉輪的機(jī)械非黏性流場(chǎng)的另一種方法是使用流函數(shù)或勢(shì)函數(shù)，因?yàn)槠淇梢宰鳛榻⒃摲匠痰姆椒āＨ欢?，要在單個(gè)方程模型中關(guān)閉在簡(jiǎn)單流程中給出的表達(dá)式，此時(shí)，就必須預(yù)先給出湍流標(biāo)度的代數(shù)表達(dá)式。

為了在視覺(jué)上觀察和比較2 個(gè)葉片流動(dòng)通道中的壓力變化，獲得各個(gè)部分的靜壓值和總壓力值，我們繪制了表3。

表3 靜壓對(duì)比

伴隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)和并行算法的快速發(fā)展，以及湍流數(shù)值模擬和大渦模擬的發(fā)展，數(shù)值導(dǎo)數(shù)模擬的高內(nèi)存和計(jì)算速度需要持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，而邊界在決定解決方案的性質(zhì)方面起著十分關(guān)鍵的作用。重要的是要詳細(xì)說(shuō)明邊界條件，例如重要的邊界條件、自然邊界條件、狀態(tài)間條件和邊界設(shè)置中的自由表面條件。因同時(shí)求解該方程組需要較多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存與計(jì)算時(shí)間，因此目前大多采用分離式求解法。

如果要解決流體機(jī)械中復(fù)雜而龐大的內(nèi)部流場(chǎng)問(wèn)題，首先要做的是，把流動(dòng)區(qū)域劃分為若干子區(qū)域。然后，再通過(guò)耦合在公共邊界上的節(jié)點(diǎn)信息條件進(jìn)行互連和轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到相鄰區(qū)域解平滑過(guò)渡的目的。除了在壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密之外，還對(duì)吹氣窄縫處以及靜子尾緣處進(jìn)行網(wǎng)格加密?；诖朔N目的，還可以通過(guò)將由動(dòng)量方程的離散形式指定的壓力和速度之間的關(guān)系代入離散方程，從而得到壓力的校正公式，并獲得壓力校正值，且其速度也會(huì)得到提高。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，最終的研究結(jié)果表明，新型軸導(dǎo)葉實(shí)現(xiàn)注塑成型工藝的同時(shí)，還在一定程度上優(yōu)化了加工工藝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本的降低。其中，不同定子尾跡的流動(dòng)特性由軸向速度，湍流長(zhǎng)度等重要的清醒參數(shù)描述。同時(shí)，無(wú)運(yùn)動(dòng)路徑還可以消除純尾流下定子的渦流截止頻率和諧波頻率。在具有復(fù)雜幾何邊界的葉輪的機(jī)械流場(chǎng)中，選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是不可避免的。因?yàn)椋墙Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格消除了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)約束，而且，還有助于控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的大小、形狀以及位置。此時(shí)，分離區(qū)的壓力系數(shù)基本恒定。而使用多重網(wǎng)格技術(shù)加速數(shù)值迭代的收斂，仍然是當(dāng)前并行計(jì)算技術(shù)中數(shù)值模擬流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值的重要研究課題。數(shù)值模擬方法用于使噪聲對(duì)脈沖氣動(dòng)影響的多樣化。而噪聲預(yù)測(cè)模型用于預(yù)測(cè)脈沖空氣和移動(dòng)條之間的相互作用。結(jié)果表明，流體機(jī)械內(nèi)部的風(fēng)葉片還可以降低高頻離散中產(chǎn)生的不規(guī)則頻率。而采用大渦模擬方法求解葉輪機(jī)械中的流場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)中的數(shù)值模擬。