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多级高压轴流通风机全工况性能数值分析

孙晨迪 王振亚 杨志刚/上海地面交通工具风洞中心 同济大学   万 方 周忠浩/上海鼓风机厂有限公司    

摘要: 应用Fluent软件,对在100%设计转速下经压缩性修正得到的三级高压轴流通风机,采用可压缩模型在63%、100%、156% 设计转速3个典型转速下,进行了全工况气动性能数值模拟分析,并与模型级换算性能曲线进行了比较,同时也采用不可压缩模型在63%设计 转速下进行了数值模拟,并与该转速下的可压缩模型计算结果作了比较分析,数值模拟得出的结论可供工程设计参考。
关键词:多级高压轴流式通风机;压缩性修正;计算流体力学;数值计算
中图分类号:TH453    文献标识码:B

Numerical Analysis on Overall Operating Performance of Multistage High-pressure Axial-flow Fan
Abstract:
In this paper, the overall operating aerodynamic performance of a three-stage high pressure axial-flow fan adopted compressible model under the three typical design speed of 63%, 100% and 156%, which has been designed based on compressibility correction under 100% design speed, was simulated with Fluent software and compared with conversion performance curve of model stage. Meanwhile, the numerical simulation adopted incompressible model under 63% design speed is also carried out and compared with the calculation result of compressible model under the same speed. The conclusion obtained by numerical simulation can provide reference for project design.
Key words: multistage high-pressure axial-flow fan; compressibility correction; CFD; numerical calculation

0 引言

  由于跨音速风洞试验工况范围相当大,要求多级高压轴流通风机具有宽广的稳定工作范围和较高的运行效率,而满足这种要求的风机应该是具有大流量系数和高压力系数气动性能特点的多级高压轴流通风机。这类风机需要在较大的转速范围内工作,而不同转速工作时压缩性变化比较大,因而设计出能在额定转速下以最高效率工作,又能同时满足高、低转速工况要求的轴流通风机是一项具有挑战性的工作。CFD数值模拟分析为检验轴流通风机设计的可靠性和风机性能预测提供了一种强有力的手段。

  本文尝试以一台在100%设计转速下经压缩性修正的三级高压轴流通风机为例,通过对63%、100%及156%3个工作转速的模拟计算来分析该轴流通风机的全工况性能特性,以及经压缩性修正的风机流道对全工况气动性能的影响。在上述3个转速下,来流在第一级动叶进口处的相对马赫数分别约为0.28、0.46和0.72,因而首先统一采用可压缩模型进行计算分析,而后考虑到在63%转速时马赫数较低,尝试以不可压缩模型对其进行计算,并与可压缩计算进行了比较。

1 计算模型与方法

  三级轴流通风机的计算模型见图1。数值计算从集流器进口开始一直到扩散段出口,整个内流道为计算域。计算域内的流场用HyperMesh 软件生成面网格,用T-grid软件生成体网格。由于叶片为复杂曲面,全部采用非结构化的四面体网格,网格总数约为1036万。


图1 三级轴流通风机的计算网格

  流动计算采用 FLUENT[1]软件,计算域进口给定为质量流量进口,假设来流均匀且垂直于进口截面,出口设为压力边界条件,固体壁面采用无滑移假设,动叶区与静叶区的交界面设为interface 并采用多参考坐标系法(Multiple Reference Frame, MRF)处理[2-3] 。湍流模型选用 RNG k-epsilon和标准壁面函数。可压缩计算时认为流体介质为完全气体,给定进口温度 300K ,所有固体壁面均假设为绝热壁面。

  计算均采用SIMPLE压力速度耦合方法进行,计算时先用一阶迎风离散差分格式得到初值,然后改用二阶迎风格式得到精度更高的最终解。整个迭代过程监控控制方程残差和计算域进、出口面平均总压等变化,达到数值收敛和物理收敛后停止计算。

2 可压缩计算结果分析

  利用上述方法对所建立的三级高压轴流通风机模型在3个典型工作转速下,即63%,100%(风洞常用试验工况时的轴流风机转速),156%工作转速进行了详细的计算。计算时每个转速都选择了包括设计点在内的5~6个流量点并按可压缩模型进行计算,分析时结合计算得到的气动性能曲线,流场信息与该三级轴流通风机模型级换算得到的气动性能曲线进行对比分析。

2.1  全工况气动性能分析

  图2、图3和图4分别给出的是三级高压轴流通风机在63%、100%和156%转速下模型级换算出的气动性能曲线和数值模拟得到的性能曲线。图中流量和压比分别是与该转速时的设计值的比值。从图中可以看出,在稳定运行工况范围内,得到的压比-流量特性曲线与模型级换算得到的气动性能曲线基本一致,最大相差不超过6%。另外,从图中还可看到,随着转速的增加,可压缩计算的结果与模型级换算的结果之间的相差逐渐增大。例如在63%转速时,可压缩计算的性能曲线与模型级换算性能相差约为1% ;100%转速时两条曲线之间的相差约3%,而在156%转速时两曲线相差大概6%。

  分析以上现象:(1)数值计算结果与模型级换算结果相差较小,属工程上可接受范围内。同时也验证了通过模型级气动性能叠加方法得到的三级高压轴流 通 风机气动性能的可靠性。另外,模拟分析结果与相似换算结果基本相符,也说明了数值分析方法具有比较高的可信度;(2)计算表明,压缩性修正后的流道结构可以满足多级高压轴流 通 风机在高、低转速时的工况要求。特别在低转速时,数值分析结果与模型级换算结果相差在1%左右,但是在156%最高转速时,叶轮流道内的相对马赫数高达0.72,气体的压缩性显著增大,由于流道可压缩性修正是在100%转速情况下进行的,所以数值分析得到的性能与模型级换算性能相差为6%左右,但仍在可接受范围。



图2 63% 设计转速下风机压比特性


图3  100% 设计转速下风机压比特性



图4  156% 设计转速下风机压比特性

2.2 典型工况气动参数分析
   以下分别给出第一级风机流道内95%叶高截面 的马赫数分布图和第一级动叶进、出口绝对气流角沿叶高的分布图。
2.2.1 马赫数分布
   图5、图6、图7分别是63%、100%、156%转速下的100%流量计算得到的第一级风机流道内95% 叶高截面的马赫数分布图。图中动叶流道内给出的是相对马赫数,静叶流道内给出的是绝对马赫数[4]

  由图5可见,63% 转速时动叶流道内最小通流截面上的马赫数为 0.24 ,最大马赫数约 0.3,静叶流道内的马赫数则都在0.22以下,因此流动可以按不可压缩计算;由图6可见, 100%转速时动叶叶栅内最小通流截面上的马赫数达0.4,最大马赫数约0.5,静叶流道的马赫数在0.36以内。由于其它叶高截面上的马赫数均要低于此值,所以流道内大部分区域马赫数仍较低,设计时,工程上采用压缩性修正的方法是可以接受的;由图7可见,156% 转速时动叶流道内最小通流截面上的马赫数达到0.7,最大马赫数达到0.85,静叶流道的叶片吸力面上的绝对马赫数最高也达到0.6 ,所以在该转速下,不管是工程设计还是数值分析,都应该把气体当作可压缩流体分析。


图5 63% 转速第一级动、静叶95%叶高马赫数分布

图6 100%转速第一级动、静叶95%叶高马赫数分布
 
图7 156%转速第一级动、静叶95%叶高马赫数分布

2.2.2  气流角分布

  图8、图9、图10分别为63%、100%、156% 转速时第一级叶片进口、出口周向平均绝对气流角沿叶高分布图,图中各条曲线对应于该转速下各图2 、图3 、图4 中由小到大的计算流量Q1Q6

  分析图中的第一级动叶95%叶顶处的气流角分布看出:在轴向进气的情况下,不同转速时叶片进口气流角沿径向变化都比较小,在叶高的全部区域的最大变化不超过4°。随着流量的变化,叶片进口气流角变化也不大,只有当流量减小到设计流量的80%时,叶片进口气流角才有明显的变化。这说明压缩性修正后的流道,对各个转速下的气流都有比较好的适应性。从图中还可知道,叶片出口气流角随流量减小逐渐增加,而在整个叶高上叶顶的出口气流角最大。以图8中Q 1-com曲线为例,叶顶出口气流角明显增大,说明此时已经接近喘振区,叶顶附近的轴向速度已经很小,如果流量继续减小,则很可能将有回流出现。

(注:Q表示计算流量点;com表示可压缩计算,下同)
图8 63%转速第一级叶片进出口气流角径向分布

图9 100% 转速第一级叶片进出口气流角径向分布

图10 156% 转速第一级叶片进出口气流角径向分布

3 不可压缩计算分析

  轴流通风机在63%转速时马赫数不高,压缩性不强。由于不可压缩计算对计算资源的要求比可压缩计算更少。因此,为了对今后工程上这类风机进行数值分析时提供经验,还用不可压缩模型在63%转速下对风机进行数值计算。计算得到的风机压比特性见图11 。


图11 63% 转速下不可压缩计算结果

  从图中看出,在大部分流量范围内,可压缩模型与不可压缩模型计算得到的结果相差非常小,说明两种数值计算的结果都是正确的。然而,在靠近喘振线的小流量工况时,不可压缩计算出的压比提前开始下降,见图11中的空心点。分析认为,采用不可压缩模型计算63%转速时的各工况,随计算流量减小,气体的压比上升,如果不考虑可压缩性密度修正,仍按不可压缩容积流量不变来计算,气流对叶片的冲角会增大,造成动叶流道内流动发生分离,进而产生旋转失速,压力骤然下降,反映在数值计算上,收敛性严重恶化,只能达到近似收敛。

  为进一步分析两种模型的不同,对风机的内部流场进行了分析,下面分别给出了两种模型计算得到的,63%转速下靠近非稳定工况的最小计算流量Q1时,三级动叶平均半径截面处的压力云图及流线图,见图12。从图中看出,采用可压缩计算时气流与叶片有一定的冲角,但没有出现明显的流动分离。而采用不可压缩计算时,叶片与气流的冲角比可压缩稍大,各级动叶吸力面都出现了气流分离现象,从图中看出,采用可压缩计算时气流与叶片有一定的冲角,但没有出现明显的流动分离。

图12 63% 转速动叶平均半径截面的压力及流线分布

而采用不可压缩计算时,从图中看出,采用可压缩计算时气流与叶片有一定的冲角,但没有出现明显的流动分离。而采用不可压缩计算时,叶片与气流的冲角比可压缩稍大,各级动叶吸力面都出现了气流分离现象,叶片表面的压差也明显要比可压缩计算时的小。不可压缩计算结果与模型级换算比较分析表明,风机在63%转速下工作时,尽管马赫数不高,气体的压缩性似乎在大部分工况范围可以忽略,但当流量进一步减小,压比达到一定值时,不可压缩计算结果就会严重偏离实际情况。 从图中看出,采用可压缩计算时气流与叶片有一定的冲角,但没有出现明显的流动分离。而采用不可压缩计算时,叶片与气流的冲角比可压缩稍大,各级动叶吸力面都出现了气流分离现象,叶片表面的压差也明显要比可压缩计算时的小。不可压缩计算结果与模型级换算比较分析表明,风机在63%转速下工作时,尽管马赫数不高,气体的压缩性似乎在大部分工况范围可以忽略,但当流量进一步减小,压比达到一定值时,不可压缩计算结果就会严重偏离实际情况。

4 结论与展望

  本文对一台三级高压轴流 通 风机进行了全工况性能数值模拟计算,在高、中、低3个转速下用可压缩模型进行了计算,并使用不可压缩模型对低转速情况进行了模拟。计算结果表明:(1)不同转速下的三级高压轴流通风机数值模拟得到的气动性能曲线与模型级换算得到的气动性能曲线吻合良好,相差在1%~6%以内;(2)工程上验证了,通过模型级换算得到的三级高压轴流 通 风机气动性能的可靠性和流道可压缩修正的可行性;(3)在低转速情况下,大部分流量范围内,采用不可压缩模型计算出来的结果与可压缩基本相同,但在流量减小,压升达到一定值时,不可压缩计算严重偏离实际情况,表现在数值计算过程上收敛性恶化,如何改善这种情况的计算有待进一步研究。


参 考 文 献

[1] Fluent 6.2.16 , Fluent Inc, 2006.
[2] 何炜,马静,王东,等.多参考坐标系法和滑移网格法在汽车前端进气数值模拟中的比较[J]. 计算机辅助工程,2007,16(3):96-100.
[3] 唐辉,何枫.离心泵内流场的数值模拟[J]. 水泵技术,2002(3):3-8.
[4] 刘前智. 多级轴流压气机非设计性能的数值预估[J]. 航空动力学报,2004,19(1): 108-112.

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  评论人:harxfez   打分:85 分  发表时间:2010-10-27 18:27:09
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