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猪场负压风机用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响离心
摘要：采用商用软件NUMECAL中FINE/TURBO模块对低速大尺度离心压缩机(LSCC)在不同间隙条件下的内部流场进行了数值模拟。给出了压缩机叶轮出口处的通流速度分布以及不同截面二次流矢量、二次流流线等计算结果。结果表明：叶顶间隙的大小与泄漏流动的强度和通道内的尾迹区位置分布密切相关，泄漏流动与通道涡的相互作用严重影响了通道内的流场分布。
0引言
在离心压缩机叶轮中，因为叶顶间隙的存在，叶顶间隙泄漏就不可避免。但叶顶间隙泄漏流动的复杂性和试验手段的限制以及现代计算机和计算技术的发展，已经使数值模拟成为研究叶轮内部复杂流动的重要且有效的工具。近年来，各国的学者对叶顶间隙泄漏流动的机理和模型进行了大量的理论分析，但大部分研究对象都是轴流压缩机内部的间隙泄漏流动，而对离心压缩机内部的间隙泄漏流动的研究工作报道则相对少一些。因为离心压缩机内部流动的几何边界和动力学条件更为复杂，使得压缩机叶顶间隙泄漏流动比较复杂[1-3]。这种泄漏流动和叶片通道里面的二次流动的相互作用极大地影响了离心压缩机的性能和内部流场。因此，对叶顶间隙对压缩机内部流场的影响进行深入的分析研究显得十分必要。本文就对同一叶轮在3种不同间隙时所产生的泄漏流动与这些通道涡的相互作用对流场的影响进行了数值计算，对叶顶间隙泄漏进行了较为详细地比较分析。
1研究对象和数值方法
研究的对象为低速大尺寸离心压缩机(Low-SpeedLarge-ScaleCentrifugalCompressor)，它是美国航空航天局研究中心在1983年为进行叶轮机械的基础研究专门建立的试验装置[8]。试验叶轮为半开式后向叶轮，共有20个长叶片，出口角是55°。进口直径为870mm,进口叶片高度为218mm,出口直径为1524mm,出口宽度为141mm。叶轮进口到出口的叶顶间隙为2.54mm。为研究不同叶顶间隙对压缩机流场的影响，对3种不同的叶顶间隙进行了计算，这3种间隙分别为0%、50%、100%倍的设计间隙,该叶轮的设计间隙为2.54mm。
采用NUMECA中Augogrid生成结构化网格，其中叶片尾缘为钝头结构，尾缘部分采用单独的网格块，叶顶间隙采用蝶形网格。主通道在流向、径向、周向的网格数分别为129×73×61，尾缘网格块周向网格数分别为33×73×13，设计顶部间隙布置13个网格点，50%顶部间隙布置7个网格点。在壁面及前后缘加密，整个计算区域网格约为65万左右。图1为计算网格示意图：（a）为子午面网格；（b）为三维网格示意图。为表示清楚，网格点显示采用隔点显示，且在三维网格示意图中没有显示机壳面网格。使用Bladwin-Lomax代数模型，使用中心差分格式对空间进行离散，时间推进选用四阶显式Runge-Kutta方法。计算时使用三重“V型”网格循环，CFL数取3。在计算过程中给定压缩机进口和出口边界条件，进口给定总温、总压和绝对气流角，出口给定压缩机的质量流量和背压。对固体壁面取用不渗透、无滑移和绝热的
边界条件。
（a）子午面网格示意图（b)三维网格示意图
图1网格拓扑结构
2计算结果及分析
2.1出口通流速度
图3给出了设计流量下叶轮出口附近J=167测量面上（图2为各个测量截面位置示意图），3种不同大小的间隙条件下计算得到的通流速度Cm/U2分布,Cm为流体的子午速度,U2为出口叶顶速度153m/s。图片中各截面左边为压力面PS，右边为吸力面SS。图3a为试验测量的通流速度分布图，其余均为计算所得通流速度分布图；图3b为100%间隙；图3c为50%间隙；图3d为0%间隙。对照图3a和图3b，看出计算与试验数据吻合较好，能真实地反映实际流动。在这一截面上，间隙的大小对尾迹的发展影响非常明显
：当叶顶间隙为零时，尾迹区位于吸力面和轮盖的角区，占据区域很小，等值线速度分布比较均匀。随着间隙的增大，尾迹区沿着轮盖向压力面扩大，特别是100%间隙条件下，尾迹区占据通道顶部20%叶高的区域，而且在轮盖处形成密集的等值线分布，这些等值线在轮盖中间段有明显的突起。从计算结果看出，在叶片的压力面和吸力面也形成密集的边界层，这种密集的边界层对通流速度等值线在流道中心区域的曲率变化有很大的影响[7]。
2.2二次流动分析
二次流动不同的定义方法得到的结果也会略有不同。本方法是参照文献[4]的定义方式，即主流方向定义为机壳面的几何中心平均方向，二次流的矢量定义在与主流方向垂直的平面内。图4是3个不同截面在3种不同间隙条件下的二次流的速度矢量和流线。从图4a中看出，随着间隙的增大，吸力面的通道涡BVS在向压力面挤压，100%间隙时吸力面的通道涡BVS面积明显比0%间隙的大，但和50%间隙条件下差别不明显。由图4b看出，在该截面压力面通道涡BVP已经形成，但是随着间隙的增大，泄漏流动的增强，在一定程度上抑制了通道涡BVP在通道顶部向吸力面的发展。这种现象解释为在机壳附近，由于壁面附面层的粘性和叶顶间隙的泄漏流动，使得流体在通道顶部向压力面流动。而在通道下半部分，通道涡BVP在压力梯度作用下向吸力面移动。这个现象在100％间隙条件下非常明显。在截面(c)中看出,在没有间隙时，通道涡呈现出一强一弱，通道内的流动有所改善。而在50％设计间隙条件下，通道涡BVP继续向右移动，将通道涡BVS挤压到通道右侧很小的范围内。同时在压力面与机壳角区有一个角涡开始形成。在100％间隙条件下，同50％间隙一样，通道涡BVS被挤压到吸力面一侧，因为泄漏流动的增强，在通道的顶部形成泄漏涡。对比3组截面看出，前两组的流线在50%和100%间隙条件下区别并不明显，而在截面170处3种间隙对二次流动的影响则非常大。这说明在流道前端叶顶间隙的大小对通道涡的影响不是很明显，而在流道的后部，叶顶间隙的大小对通道涡的影响很大，使流道内的流场变得非常复杂，对整个叶轮的性能有很大的影响。
(a) 无叶顶间隙
( b) 叶顶间隙为设计间隙的1/2
二。型号结构
叶轮由多个前向圆弧铝合金叶片，前盘，后盘组成，均采用机械化模具制作而成，并经静，动平稳校验，运转平稳可靠，具有良好的空气动力性能。
机壳采用镀锌钢板或不锈钢板，经机械化及模具加工后点焊接而成。结构牢固，合理紧凑。电机支座采用镀锌经机械化模具制作成形。
电机均用单支撑外旋电机，叶轮固定在电机外壳上，电机支撑端固定在电机支座上，电机支座固定在机壳顶板上，由电机外壳旋转直接驱动叶轮运转。
三。风机用途
该产品可用于宾馆，商场，医院，影剧院，歌舞厅，礼堂，大专院校和科研单位，以及工业与民用建筑内的通风换气。
四。使用条件
输送气体的种类：空气和其他不自然的。无腐蚀性的，对人体无害的气体。
气体内的杂质：气体内不许有粘性物质，所含的尘土及硬颗粒物大于120mg/m3。
气体温度使用范围：-20摄氏度-80摄氏度。
该系列风机仅使用在室内安装，并应按样本主视图方位安装，不得上下颠倒安装，不准侧立安装，否则会影响电机使用寿命。如需装于室外，必须考虑电机的防雨措施。
五。设计选用说明
该管道风机属前向多翼型离心风机，在相同风量，分压情况下，其噪声比轴流风机低的多。本系列风机的风量，风压，噪声等参数是根据许多工程实际需要提出的，广泛适用于公共场所的送，通风工程。
在该风机外壳顶面上标有出风方向的箭头，可避免反向安装，保证送，通风系列的下正常使用。当被输送低温空气有可能造成机壳和管道外表面结露时，应设计保温层。风机的噪声是额定风量，风压未接风管时距进风口一米处侧得的平均数，配有进，通风管，则噪声将有所衰减。对于噪声要求较高的场合，应在进，通风管道上配置消声弯头或消声器。风机配用单相（200V）电机的电源接线图放置在风机电源接线盒内。
风机运行时振动小，一般不需采取减振措施。若设计认为有必要，可在风机支承外加减振橡胶或减振弹簧
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