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叶顶间隙对轴流风机内部流场影响的研究

刘洋 杨志刚/同济大学上海地面交通工具风洞中心    

摘要:基于Realizable k-ε湍流模型和SIMPLE算法,对某轴流式通风机在不同叶顶间隙下进行了设计工况时的数值模拟。讨论了不同叶顶间隙大小对风机性能的影响,分析了叶轮出口截面速度、压力等参数的分布以及叶顶泄漏流和泄漏涡随间隙大小的变化情况。数值结果表明,随叶顶间隙逐渐增大,风机性能不断下降;叶轮出口截面速度、总压和湍动能大小受间隙泄漏流的影响明显;泄漏涡由泄漏流与主流发生卷吸而形成,且泄漏涡会受到间隙大小的影响。
关键词:轴流式风机;叶顶间隙;泄漏涡
中图分类号:TH432.1 文献标志码:A
Effect of BladeTip Clearance on the Internal Fluid Field in Axial-Flow Fan
Abstract:A large axial-flow fan with different blade tip clearances were simulated in the design-condition by CFD software based on Realizable k-ε turbulence model and SIMPLE algorithm. The effect of different tip clearances on the performance of the axial-flow fan and the outlet velocity and pressure were discussed. The formation of leakage flow and leakage vortex was investigated. The numerical results showed that the decline trend of the performance with tip clearance size increasing. The impact of the leakage flow on outlet velocity, total pressure, and turbulence kinetic energy was huge. The leakage vortex was formed by leakage flow entraining with main stream and it will be influenced by the tip clearance size.
Key words: axial flow fan; tip clearance; leakage vortex
0 引言
  轴流式通风机内部流场属于复杂三维粘性流动,常常伴随着二次流、旋涡等现象,在轴流风机端壁区由于叶顶与外壳之间的间隙存在,造成叶顶泄漏并产生泄漏涡,这会对风机性能产生重要影响,因此分析叶顶间隙大小对风机性能的影响至关重要[1-2]
  风机叶顶间隙尺寸较小,试验测量难度较大,成本较高[3-6] ,因此数值计算成为研究叶顶间隙的主要手段。叶轮与外壳间隙流动受到4种因素影响:叶片吸力面和压力面的压差,轮缘处的边界层,叶片与外壳之间的相对运动,叶顶间隙的大小及其形状[7-9] 。对低速轴流风机而言,叶尖区没有形成激波,叶尖区域流动主要是端部二次流与泄漏涡的相互作用。在叶片顶端和端壁之间很小的间隙部位,流体在压力面和吸力面的压差作用下通过间隙形成间隙流动,会在流道内形成高损失区域。间隙流动在叶片顶部产生分离涡,流出间隙后与主流掺混,卷起形成间隙涡,导致流场损失增加,效率下降,同时会引起叶顶压力变化使顶部载荷产生不稳定[10]
  由于流动的复杂性,以往对于叶顶泄漏的研究往往局限在单个叶片的叶栅区域。本文的研究借助大型服务器的计算能力对整机模型进行计算,考虑了旋转效应和叶顶区域的相对运动,对间隙位置处的流动进行了进一步的探讨。
1 计算模型及数值计算
1.1 计算模型与网格划分

   计算采用的轴流风机由集流器、流线罩、叶轮、后导叶和扩散筒等组成。该风机的轴流级由动叶片和后导流叶片组成,叶轮进口前方安装了支撑架结构。气流由集流器进入,通过流线罩进入叶轮,获得能量后由扩散筒流出。风机基本参数见表1。         

表 1 风机基本参数

设计转速/(r/min)

设计流量/(kg/s)

动叶片数

叶轮外径/(m)

静叶片数

轮毂比

490

650

20

5.5

21

0.7

  网格划分采用四面体非结构化网格,整个计算域划分为进口段、叶轮段和出口段三部分,其中叶轮区域为动区域,进口和出口两段为静止区域。为保证计算无回流增加了延伸段,网格数量在1 900万左右。
  计算模型中叶顶间隙只有5mm左右,不到叶轮半径的0.2%。在生成网格时单独对叶顶间隙区域进行划分,径向方向上设置6个节点5层网格。考虑到实际运行情况和网格生成的难易程度,从2mm到5mm设置四个间隙值进行对比计算。
1.2 计算方法与边界条件
  流动采用FLUENT软件模拟,选择在设计点工况下进行计算。旋转叶轮和静止部件之间的流动采用多参考坐标系法(MRF)耦合。动静子区域交界面设为内部面,在此处交换惯性坐标下的流动参数,保证界面参数的连续性。
  计算采用隐式分离、SIMPLE压力速度耦合方法进行,计算时先用一阶迎风格式得到初值,然后改用二阶迎风格式得到更高精度的解。计算在512核刀片服务器上进行,整个迭代过程监控控制方程残差和风机进、出口面流量差与总压差的变化,达到数值收敛和物理收敛后停止计算。
  计算域进出口气流方向均为轴向,进口给定质量流量进口,出口设为压力边界条件,定义出口压力相对大气压力为0。叶轮和机壳与流体接触区域的固体壁面采用无滑移边界条件,近壁区域采用标准壁面函数,忽略重力。设定湍流模型为Realizable k-epsilon,进、出口的湍流度和湍流粘度比分别为1%和10。
2 计算结果对比与分析
2.1 风机性能曲线分析

   风机性能参数选取压升和效率进行对比分析。此处压升主要考虑风机进出口截面上的总压之差即总压升,压升代表了单位体积气体在风机内所获得的能量。
  图1给出了不同叶顶间隙下风机总压升曲线,C表示间隙大小。由图可以看出,随着叶顶间隙增大压升逐渐下降。但是压升的下降并不与间隙的增大成线性关系,间隙由2mm到3mm,增加1mm时压升大约减少了10Pa;由4mm到5mm,增加1mm时压升下降了大约24Pa。因此间隙越大压升的损失就会越大。

  图2给出了不同叶顶间隙下的风机效率曲线。由图2可以看出,随着叶顶间隙的增大,叶轮相对做功能力下降,效率逐渐下降。这是由于间隙增大泄漏增加致使容积损失增大,同时与主流方向不一致的流体增加,对流场的破坏加大。间隙增大了3mm,效率大约损失了0.5%,对于风机来讲影响还是非常明显的。

2.2 叶轮出口截面参数变化分析
  图3给出了风机叶轮出口截面上轴向速度分布。横坐标r定义为由轮毂到外壳壁面的相对半径,r= (rc-rh)/(rs-rh),其中rc为出口截面上测点半径,rh为出口截面上轮毂半径,rs为出口截面上外壳壁面半径。由于轮毂壁面的粘滞作用,靠近轮毂处各间隙下轴面速度接近,速度变化较为一致;沿着半径方向速度变化不大,略有波动;靠近叶顶附近由于间隙泄漏的影响,造成轴向速度出现较大的亏损,并且随着间隙的增加亏损明显增大。

  图4给出了风机叶轮出口截面的总压分布。由图4可知,沿着叶高方向总压先是下降,大约在50%叶高处总压开始增加,在靠近间隙处由于受到间隙的影响总压变化趋势差距变大,并且在叶顶部位,间隙越大,泄漏越多,总压越小。

  图5所示为风机叶轮出口截面的湍动能分布。对于叶轮机械而言,经过叶轮旋转后湍动能会增加,其出口较进口截面湍动能会更加剧烈。由图5可知,在出口截面上沿着叶高方向湍动能分布差距不大,只有在靠近叶顶处由于受到间隙的影响造成湍动能急剧增大,并且间隙越大湍动能越大,流动不稳定性越强。

2.3 叶高截面参数变化分析
  图6给出的是不同叶高截面上的压力分布。由图6可见,在靠近叶根(20%叶高)和叶中(50%叶高)部位压力分布相近,而靠近叶顶(95%叶高)和间隙内部压力分布有所区别,这说明靠近叶顶部分受到间隙的影响更大。叶顶间隙越大则叶顶受到的负荷越小,叶顶边缘压力分布的差别主要体现在吸力面。
  间隙内部压力分布差距明显。压力等值线呈尖峰分布,并且间隙越大尖峰越尖。在间隙内部压力分布图中用直线AB表示峰值走向,在吸力面一侧A处是一个明显的低压区,该区域即是泄漏涡所在位置,B线为涡的发展方向。由AB线走向可以看出,泄漏涡在通道内朝着相邻叶片的压力面移动。随着间隙增大,泄漏涡位置沿着吸力面向前缘移动。AB和AC的夹角增大表明泄漏涡的影响范围在不断扩大。

  图7给出的是不同叶高截面上的速度分布。在叶根和叶中部位,几乎看不到泄漏涡对流动的影响。在靠近叶顶部位叶片前缘开始出现分离线,绕过叶片后沿后缘方向流出,间隙对流动的影响开始加剧。
  间隙内部流线分布明显。流线首先在叶片吸力面附近出现比较微弱的间隙涡,尺度也较小,间隙涡形成以后附近流体被吸附向其靠近形成一条分离线向下游流动。
  间隙涡沿流向不断发展,在周向的影响范围越来越大,随着间隙的增大,叶片之间的相互作用变强,出现明显的向相邻叶片压力面靠拢的现象,并且泄漏涡流线开始向叶片前缘移动,对相邻叶片的影响也不断加大。
2.4 不同间隙下叶顶附近流动
  叶片吸力面和压力面之间存在着压差,流体在此压差作用下加速通过叶顶间隙,会在吸力面下方贴近外壳壁面处一侧形成泄漏涡,同时会在叶顶压力面附近形成叶顶分离涡,流出间隙后同时受到主流和切向压力梯度作用向下游移动[11-12]

  图8给出了不同间隙下叶顶间隙泄漏涡的纵截面图。间隙高度由2mm增大至5mm,泄漏涡尺寸变大,涡核在径向位置下移,强度增强影响范围增大,对主流的阻塞作用加大导致流动损失加大。
   当间隙较小时,由于壁面对泄漏流的摩擦阻力作用相对较大,泄漏量较小,泄漏的能量相对主流很小,经过主流流体的作用后,很快在叶片背面下方恢复到与主流相同的方向,对流场的影响较小;当间隙增大时,泄漏涡不断增大,其对流场的影响开始增大,而且在压力面一侧形成叶顶分离涡,与主流方向相反造成更大的流动损失。

  图9给出的是从叶轮进口截面上相同点发出的流经叶顶附近的三维流线图。可以看出流线以与中弧线成一定角度的方向进入,间隙泄漏涡由间隙内叶片前缘靠近叶顶的流体形成,叶片中后部流体以及靠近端壁流体会环绕泄漏涡核旋转形成叶顶泄漏涡。
  间隙较小时在叶片吸力面附近出现比较微弱的叶顶泄漏涡,泄漏涡形成以后吸附周围的流体向其靠拢,在流道内向下游发展。当间隙较小时泄漏流动受到很大限制,泄漏涡强度和卷曲程度较小,与大间隙相比涡的起始位置更靠近前缘。随着间隙不断增大,靠近叶片吸力面一侧的泄漏流流动方向与叶弦夹角不断减小,说明大间隙时主流与叶顶泄漏流动之间的相互影响更大。
3 结论
  1) 随着叶顶间隙的增大,风机压升和效率逐渐下降;较小的间隙可以改善性能,过大的间隙会造成性能恶化。
  2) 叶轮出口参数沿径向分布受到叶顶间隙大小的影响,间隙越大在轮缘位置受到的影响越大。
  3) 沿叶高方向靠近叶顶部分受到间隙的影响更大,在间隙内部随间隙增大压力尖峰越明显,对相邻叶片的影响也越大。
  4) 间隙泄漏涡尺寸和强度随着间隙增大而增大,间隙较小时泄漏涡经过主流的整合作用很快恢复到与主流相同;间隙较大时还会受到相邻叶片影响而在叶片压力面一侧形成叶顶分离涡。
                参 考 文 献
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  评论人:菱镁板   打分:0 分  发表时间:2015-4-7 23:02:33
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