（动力机械及工程专业论文）离心压缩机中间抽气结构优化设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 离心式叶轮机械广泛应用于航天、能源、动力、化工以及冶金等行业。在石油化工 行业，压缩机不断向着大型化方向发展，同时随着工艺过程的复杂化，要求在压缩机过 程中向内加气或向外抽气，在抽( 加) 气结构的设计中，一般是采用大的空腔缓冲，从 周向某个位置开口的方法实现，这种方法非常简单，但是往往会破坏流场的周向均匀性， 影响机组的工作效率，严重时有可能引发旋转失速从而威胁机组的安全可靠性。 本文利用数值实验的方法研究了年产百万吨乙烯离心压缩机中间抽气部分结构的 优化设计方法。中间抽气结构采用蜗壳的型式以保证抽气前后模型级中流动的周向均匀 性；利用数值计算的方法优化设计方案，确保设计参数的准确实现。为了保证计算结果 的准确性，本文利用相关的造型软件，针对抽气结构前后的整个模型级建立了完整的计 算模型。计算模型包括以下几部分：叶轮、扩压器、弯道、中间抽气结构、回流器。本 文的主要工作是对蜗壳的型式和抽气隔板的形式以及高度进行了优化设计，以满足抽气 需要和保证流动顺畅，保证压缩机的整体运行效率。利用商业流体计算软件 f i n e - t u r b o 软件对计算模型进行了详细的数值计算，得到了包括抽气结构在内的完整 流场参数分布，分析了中间抽气对压缩机基本模型级流动的影响，从流场的周向均匀性、 抽气流量要求以及流场的流动损失几个方面对自行设计的中间抽气结构进行了优化设 计。数值实验结果表明，本文设计的结构能够在满足抽气流量要求的条件下保证机组的 高效率运行。本文提出的设计方法可以推广运用于所有的抽气结构设计中。 关键词：中间抽气；数值模拟；抽气蜗壳；优化 离心压缩机中间抽气结构优化设计 t h eo p t i m a ld e s i g no fg a sb l e e d i n gs 缸u c n l r ef o rc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r a b s t r a c t c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r s a r ew i d e l ye m p l o y e di na e r o s p a c e ，p o w e rp l a n t ，c h e m i c a l i n d u s t r y , m e t a l l u r g ya n dm a n yo t h e rf i e l d s i nt h ep e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , 雒t h er e q u i r e m e n t o f t h ep r o c e s s ，a d d i t i o no re x t r a c t i o no f g a sm a y b en e e d e dd u r i n gt h ec o m p r e s s i o n a n di nt h e t r a d i t i o n a lg a sb l e e d i n gs t r u c t u r ed e s i g n ，t h ec a i n l o np r a c t i c ew a st ol e a dt h ef l o wt oab i t c a v i t yf i r s ta n dt h e nm a k ea na p e r t u r eo ns o m ep o s i t i o no ft h ew a l lw h i c hc o n n e c t e dt ot h e d i s c h a r g ep i p es y s t e m t h es t r u c t u r ew a ss i m p l et or e a l i z eb u tm i g h tc a u s ef l o wd i s t o r t i o n p r o b l e m , a f f e c t i n gt h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c y , o re v e nr e s u l t i n gi nr o t a t i n gs t a l lt h a tm i g h t t h r e a t e nt h es a f e t yo p e r a t i o no f t h em a c h i n e c f dm e t h o dw a sa p p l i e dt os t u d yt h ep r i n c i p l eo f t h ef l o wi nb e t w e e ns t a g e sa n dt dg e t t h eo p t i m a ld e s i g no f t h eg a sb l e e d i n gs t r u c t u r e v o l u t es t r u c t u r ew a sa d o p t e da n do p t i m i z e d t oe n s u r et h ec i r c u m f e r e n t i a lu n i f o r m i t yo ft h ef l o wf i e l du p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mo ft h e b l e e d i n gs t r u c t u r ei n - b e t w e e nt h es t a g e s ac o m p l e t em o d e l ，i n c l u d i n gt h ei m p e l l e r , t h e d i f f u s e r , t h ec u r v e dc o n d u i t , t h eg a sb l e e d i n gs t r u c t u r ea n dt h er e t u r l lc h a n n e l ，w a sb u i l ti n o r d e rt os p e c i f yt h er i g h tb o u n d a r yc o n d i t i o na n dt oo b t a i nt h ec o r r e c tf l o ws o l u t i o n t h e v o l u t ea n dt h ec l a p b o a r do ft h es t r u c t u r ew e r ed e s i g n e dc a r e f i d l yt om e e tt h er e q u i r e m e n to f t h em a s sf l o wr a t eo ft h eb l e e d i n gf l o wa n dt oe s t a b l i s hap r o p e rf l o wf i e l da r o u n dt h e c l a p b o a r d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u tu s i n gt h ec f ds o f t w a r ef i n e t u r b o b a s e do nt h ea n a l y a cr e s u l t s ，m o d i f i c a t i o n so ft h ed e s i g no ft h eb l e e d i n gs t r u c t u r ew e r e p r o p o s e da n de x p e r i m e n t e dn u m e r i c a l l y t h e f i n a lr e s u l t si n d i c a t et h a tas a t i s f a c t o r y p e r f o r m a n c eo ft h es t a g ec a nb es e c u r e da n dr i g h ta m o u n to ft h eb l e e d i n gi l a s sf l o wc a nb e o b t a i n e d t h ed e s i g nm e t h o dd e v e l o p e di nt h i st h e s i sm a y p r o v i d eag u i d e l i n ef o ra l lk i n d so f t h eb l e e d i n gs t r u c t u r e si n - b e t w e e nc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r s k e yw o r d s ：g a sb l e e d i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x t r a c t i o nv o l u t e ；o p t i m i z a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名：缝2 麦： 年月日 大连理工大学硕士学位论文 1 前言 1 1 研究背景及意义 叶轮机械是一种耗能很大的通用机械，广泛应用于国民经济的各个方面，如钢铁冶 炼、制药、石油化工等部门。因此，加强叶轮机械的气动性能的研究，准确地预测其内 部流场分布及结构特性，进而优化其结构设计，进一步提高其流动效率，有很重要的意 义。 叶轮作为流体机械的核心部件，也是唯一的转动部件，长期以来国内外学者对它进 行了大量的实验研究和计算分析，取得了很大的成绩。相比之下，对固定元件的研究就 显得不够。固定元件数量多，流程长，效率低，提高固定元件的效率已经成为进一步提 高整机效率的关键。因此，近几年越来越多的学者把注意力转向对固定元件以及固定元 件与转动元件相互匹配方面的研究上来。 蜗壳是通风机、压缩机不可缺少的固定元件之一，其作用是收集从叶轮或者扩压器 出来的气体并将气体引出到后面的输气管道或冷却器中，或是直接排出。蜗壳内部的流 动现象十分复杂，是损失最大的固定元件之一。蜗壳及其与叶轮匹配效率的高低对整个 风机系统的效率起着重要的作用。本文就是在此基础上进行叶轮机械中间抽气蜗壳的设 计及其内流的三维数值模拟。 随着化工规模的日益增大以及化工工艺过程的复杂化，压缩机工作过程中常常需要 在压缩机的某级之间抽出一定压力的气体进行其他化工工艺利用，在以往的设计中，抽 气的位置一般在弯道处将抽气引入一个大的空腔，通过管道和阀门控制气流量；这将在 抽气前后引起较大的周向不均匀性，气流参数在大范围变化，其结果一方面影响这些级 的工作效率，另一方面，如果流场的周向均匀性和径向均匀性破坏到一定程度时，可能 引发旋转失速等强非定常流动现象，直接影响到机器的安全稳定性。目前，国外对压缩 机排气蜗壳的各种结构形式都有一定深入地研究，而在国内，仅仅有几家高校对此进行 教学形式上的研究，没有形成生产技术。 本课题是沈阳鼓风机集团承担的中国石油化工集团的科研开发项目，为其年产百万 吨乙烯离心压缩机装置的中间抽气部分进行气动优化设计。本文研究了采用蜗壳抽气方 式保证气流参数的径向均匀性，着重对抽气部分和主气流之间的隔板的形状和高度进行 设计，对整个抽气蜗壳进行设计，对整个抽气部分流场及受抽气部分影响的主气流流场 进行数值模拟计算，分析比较各个隔板高度下的流量特性，分析整个计算流场的流动情 况，寻求最佳性能的方案，并据此优化蜗壳的几何结构、建立新的数值模型，最终得到 尚d 压缩机中间抽气结构优化设计 理想的计算方案。本文利用专门针对旋转机械的商业计算软件n u m e c a 对压缩机中间 抽气所在的完整模型级进行了详细的三维数值模拟计算。 研究离心压缩机中间抽气的关键技术包括两股气流的分配问题以及后面级的流量 特性问题。对于两股气流的分配问题可以用c f d 数值计算分析的方法实现结构的优化。 对于基本级的研究，主要应用实验或c f d 方法，目前已经开发出性能良好的基本级。 国外基本级的效率已经达到了很高的水平，对抽气的研究已经取得一定的进展。国内现 已开发出上千个基本级，对基本级的各组成部分都进行了相应的研究，使离心式压缩机 向高压比，高效率发展。但在抽气问题的研究中，国内尚未见有关报道，还没有对应的 产品与国外企业抗衡。 随着计算技术的发展，计算机性能的提高，计算方法的不断改进，计算流体力学( c f d ) 已成为建立在经典理论和实验流体力学基础上的一门新型独立学科。它是流体力学与数 学物理方程理论、计算数学、数值方法和计算机科学等多学科交叉的学科。它同时兼有 理论性和实践性的双重特点，为流体流动的分析研究开辟了一条崭新的途径。今天，数 值模拟方法己成为研究流体力学中各种物理现象及工程设计的重要手段【l 】。 计算流体力学可对流体流动现象进行探索和预测，为研究与设计提供指导，是流体 力学发展的新阶段。在理论研究上，它研究描述流动现象的各类方程的解；在工程应用 上，其目标是用数值模拟的方法辅助流体机械产品设计。产品设计质量用数值模拟进行 初步评价，可大大缩短设计周期，降低成本，有利于提高产品质量。现在一些专用于求 解流动与传热问题的大型商用软件相继问世，如：f i _ u e n t ，s t a l o c d ，c f x ，m m m c a 等等，这些软件可以对从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压缩、无粘到有粘的 几乎所有流动现象进行计算分析和数值模拟。运用c f d 方法对流体机械内部流场进行 数值计算分析，已逐渐成为一种重要的技术手段。而且由于图形系统的出现和不断的完 善，数值模拟的仿真性不断提高，它完全可以作为流动研究的一个手段，在一定程度上 用数值试验( c f d ) 取代或减少实物试验，从而可以减少研究周期，节省试验费用，相 比之下也更加容易实现。采用准确而可靠的算法进行数值模拟，不仅可以获得大量的内 部流场信息，看到流场的各种细节，形象地再现流动情景，为流体机械的设计和改进提 供依据；而且便于优化设计，通过改变几何参数或气动参数，可以方便的多次进行数值 实验，以获得流体机械的较好性能【2 卅。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 蜗壳的研究现状 2 0 世纪7 0 年代，叶轮机械设计开始采用c f d 技术。其优越性在于：可以完全控制 流体的性质，对流场不产生干扰，可以获得计算域内全部计算信息，并且可以节省大量 的人力物力投入，周期短，可完全重复，在计算中发现问题便于修改，也可以避免设计 经验不完全转移带来的风险。 流体数值计算在压缩机设计和研究中发挥了很大的作用，但也不是万能的。压缩机 的工作过程非常复杂，各种假定正确与否，还需实验的验证；计算的精确性还有赖于边 界条件的恰当取定，而这些边界条件许多是通过实验所获得的经验公式、统计数据和图 表，计算的初始值多数也取自实验结果。因此，实验工作是数值计算的前提和基础，而 数值计算又是实验工作的进一步深化和补充，二者相辅相成。 抽气蜗壳的特殊位置以及叶轮机械的内部流场特点决定，其内部的流动是复杂的三 维流动，因此，本文对蜗壳的研究现状进行了一番调查，以期能借鉴他人的经验，使设 计达到最优化。调查资料显示，到目前为止，国内外许多学者都对蜗壳作了不少研究探 讨，获得了一些显著的成果。 目前对蜗壳的研究主要集中在以下四个方面： 1 通过实验测量对各种类型和用途的蜗壳内部流动状况进行深入细致的了解和研 究，以期正确揭示其特殊的流动结构和现象。在这方面，对离心压缩机的研究比较深入。 2 以实验研究为基础，对蜗壳内部流场进行数值模拟。当前的研究主要集中在如 何更全面地反应蜗壳结构和内部流动的特点，以及不断提高数值模拟的准确性。 3 以实验和数值模拟为基础，进一步分析、研究蜗壳内部的流动机理。目前比较 受到关注的一个问题是：如何针对各种类型的蜗壳提出比较切合实际的损失模型并进行 比较准确的损失计算。 4 在前3 项工作的基础上，改进蜗壳的设计方法，提高蜗壳的设计水平，从而提 高流体机械的整体性能。目前，改进的设计方法主要有两种，一种是先给出蜗壳的型线， 然后对蜗壳内部流场进行数值模拟，再根据流动状况修正蜗壳型线。另一类是直接改进 一维设计方法或者是利用二维逆命题数值计算方法直接设计蜗壳型线。所有改进的着眼 点是减少流动损失，改进蜗壳与叶轮之间的匹配，同时降低流体机械的噪声。 e l h o l m ，e a y d e r ，v a nd e nb r a e m b u s s c h e 【5 】利用激光多普勒测速仪对设计工况和非 设计工况下的离心泵的蜗壳进行了测量，也发现蜗壳内的旋涡具有强制旋涡型的速度分 布，旋涡的中心位置随着质量流量的不同而发生改变，在通流速度和旋涡速度之间发现 了很强的相互作用，同时他们采用流动可视化的方法研究了蜗舌部分的流动状况，发现 随着质量流量的增加，蜗舌附近出现了速度回流。 离心压缩机中间抽气结构优化设计 ea y d e r ，rv a nd e nb r a e m b u s s c h e 6 】采用一种新模型来分析离心压缩机蜗壳内部流 动。该模型明确考虑了详细测量得到的旋涡结构，利用了叶轮和扩压器响应模型去预测 蜗壳进口气流的分布不均匀性。数值模拟计算了不同几何结构的蜗壳的总压损失系数和 静压恢复系数并且和实验结构相比较，两者之间吻合较好。 吴克启、于文华【7 1 等对试做的后置蜗壳斜流风机进行了实验研究，结果表明：( 1 ) 叶轮进口处的速度分布，径向速度和轴向速度均随着半径的增大而增大，( 2 ) 出口处 径向和轴向速度变化表现为中间高两头低的速度分布且向叶道中间倾斜，反映了出口尾 迹流动的影响。主流区周向速度沿径向分布随半径增大而减小，越靠近叶顶处分布表现 为不稳定和无规则变化。( 3 ) 蜗壳出口宽度变化对出口流场的影响不大，速度分布相 似，只是平壁形蜗壳的速度图形值要小一些，这是因为蜗壳出口宽度变小相当于出口节 流，使得流量减小而速度降低。 蔡兆林、吴克启，区颖达【8 】针对工程实际的需要，讨论了离心通风机中蜗壳形通道 内的损失激励以及计算方法，比较不同方法在设计点和非设计点上所得到的结果，提出 了离心风机损失的数学模型，可以计算出分析计算出各项损失，找到损失的原因从而提 出优化。 吴克启、黄坚【明透过求解r e y n o l d s 时均n s 方程和k - e 湍流模式，使用任意曲 线坐标下张量形式的非交错网络s i m p l e 算法和1 m 网格生成技术，对同一离心风机叶 轮在蜗壳3 种不同位置和宽度条件下，数值模拟并比较了风机矩形蜗壳内的二次流及其 沿周向不同横截面上旋涡的生成演化细节，讨论了蜗壳宽度与粘性效果的作用机制和影 响。研究表明，从蜗舌至1 8 0 。通流区域存在明显的旋涡流动，这种流动至蜗壳出口3 6 0 。区域经历了一个产生、发展和耗散的演变过程；不同矩形宽度其旋涡和内力变化趋势 大体一致，说明流体粘性和外壁影响是形成旋涡的物理机制，不同的轴向蜗壳其旋涡结 构不同，说明蜗壳与叶轮的不同配置对粘性效果和内流细节有着重要影响。 胡胜利、吴克启【l o 】利用单倾斜热线测试系统，在对后向离心风机矩形蜗壳内部流场 进行测量的基础上，详细测量了蜗壳内的二次流动及舌都区域的流动状况，指出：( 1 ) 、 蜗壳内主流区域的流动，主流速度在与径向压力梯度相平衡的同时随着蜗壳截面积的增 加速度减小，并大体上指向出口方向，靠蜗壳壁面附近的流动，在小流量下，靠叶轮盘、 盖侧存在着明显的二次流动现象。( 2 ) 、蜗舌处的流动，在小流量下出现倒流现象，且在 舌尖处靠轮盘侧存在漩涡流动，小流量时速度值相对较大，值得注意的是在大流量情况 下，蜗舌处流动沿蜗壳宽度方向的速度分布在盘侧和盖侧中间出现最小值。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 廖伟丽、李建中1 1 1 1 在分析研究现有的混流式水轮机蜗壳设计理论的基础上，对蜗壳 在不同工况下的内部流动情况进行了三维定常不可压粘性流动的数值模拟。文中基于 n - s 方程，标准的k - e 模型，采用贴体坐标和非结构化网格，用s i m p l e 算法对蜗壳 内部流动进行了详细的计算分析，计算结果与试验值吻合，为蜗壳优化提供了依据，也 为固定导叶的设计和改型提供了指导。并指出蜗壳是水轮机形成环量的主要部件。 郑小波，罗兴琦，廖伟丽【1 2 】等应用雷诺平均n - s 方程和非结构化网格对不完全蜗壳 进行了三维c f d 流动分析，研究了支墩形状对蜗壳内部的速度、压力分布、蜗壳出口角 以及蜗壳效率等性能的影响，并根据流动分析结果对不完全蜗壳进行了优化设计。 姚承范、蒯鸿亮、朱营康【1 3 】针对风机蜗壳的低噪高效进行了研究，指出解决好蜗舌 区域蜗壁型线的生成，就是把握了低噪高效蜗壳设计的一个关键。给出了低噪高效蜗壳 的设计方法及步骤。指出蜗壳与叶轮的的配适关系，蜗壳的型线对风机性能的显著影响， 给出的变螺旋角蜗壳设计方法经实践检验，可靠而有效。 d a n i e l o b a u n ，l u t z k o s t n e r ，r o n a l d d f l a c k 1 4 1 研究了圆形蜗壳与叶轮相对位置对 离心泵水利性能的影响。基于传统的设计思想，叶轮地几何中心通常与蜗壳几何中心是 重合的，而当二者不重合的时候，离心泵的性能将受到极大的影响。也就是说，在设计 工作点存在一个叶轮和蜗壳的最佳相对位置，在这个位置，效率最高，径向力最小。在 最佳相对位置处，对圆形和螺旋形蜗壳来说，比起几何中心完全对齐的安装方式，效率 要分别高出5 和3 5 ，并且指出，如果用圆形蜗壳与叶轮合理搭配，则无须考虑螺旋 形蜗壳，因为螺旋形蜗壳要考虑其水力特性和径向力折衷的问题。 韩占忠、赵福堂、华智刚【l 习利用任意拉格朗日欧拉( a l e ) 计算方法对基于“等环量” 理论并考虑气体粘性而设计的蜗牛式压气机蜗壳进行了数值模拟。模拟计算结果与试验 所测得的结果基本吻合，证明利用其计算程序所进行的数值模拟是可行的，计算结果对 蜗牛式压气机蜗壳的优化设计具有参考价值。得出了如下结论( 1 ) 为使蜗壳具有扩压作 用，可在“等环量”蜗壳的基础上利用粘性流体流动中的附面层理论及结果对蜗壳通道 进行修正，以补偿由于摩擦所造成的压力损失。( 2 ) 利用平板附面层理论对压气机蜗壳通 道进行了修正，所进行的数值模拟计算与试验测试结果基本吻合；( 3 ) 利用计算流体力学 中的a l e 计算方法对上述问题进行数值模拟计算，在设计点处模拟计算结果与试验结 果吻合较好。但就蜗壳的优化设计而言，还需进一步进行蜗壳内曲面附面层流动、三维 流动数值模拟计算以及更深入细致的试验测试研究工作。 f a h u ag u ，a b r a h a me n g e d a ，m i k ec a v e 等人【m 】给出了单级离心压缩机完整模型的 数值模拟。在设计和非设计工况点分别运行了三种情况，结果发现：循环流动和双漩涡 结构分别是引起小流量和大流量工况下损失比较大的原因。在设计工况点，无叶扩压器 尚0 压缩机中间抽气结构优化设计 和蜗壳会使效率降低7 2 5 ，而小流量时则会是l o 4 0 。小流量时无叶扩压器中损失占 静止元件总损失的3 5 ，大流量时蜗壳占静止元件总损失的3 5 。 房克信，李国祥，孙学军等【l7 】对不同型线蜗壳喷嘴出1 ：3 的速度分布特性进行了研究。 用数值计算的方法，以k - e 双方程模型模拟蜗壳内的气体流动情况，以心形线拟合蜗壳 的通流截面。用s i m p l e s t 算法计算了3 种不同型线蜗壳其喷嘴出口气流角和速度的 分布情况。对计算结果的比较表明，蜗壳型线的变化对喷嘴出口气流参数的分布会产 生明显的影响。 孙长辉，刘正先，王斗等【l 明做了蜗壳变型线改进离心风机性能的研究。采用三维 定常、可压缩的s i m p l e c 算法，对一离心通风机的运行性能进行了整机三维数值模拟并 进行了试验测量。对通风机设计工况下叶轮和蜗壳流道内的速度与压力分布情况进行了 重点分析，与试验测量数据的比较结果表明数值模拟结果在全压、效率等性能参数方面的 预测均较准确。在此基础上针对流动存在问题，通过改变蜗壳型线并相应改变蜗壳出口 长度和蜗舌半径的方法来解决由此造成的流动问题。数值分析表明蜗壳变型线后叶轮内 部流场得到明显改善，设计工况下风机静压提高1 0 ，金压提高6 ，全压内效率提高了 2 6 。 曹淑珍，祈大同，张义云等【1 9 1 利用五孔探针对小流量工况下离心通风机大宽度矩形 截面蜗壳内部的三维流动进行了详细的测量，给出了蜗壳螺旋通道部分的3 8 个横截 面内比较清晰的时均速度、静压和总压的分布图形。结果表明，在小流量工况下，风机 蜗壳内部的二次旋涡在蜗舌处就开始形成，在一个横截面内，由开始有一个涡发展成2 个、甚至3 个涡：由于若干个二次流旋涡的存在以及叶轮的出口速度沿周向方向和轴 向分布的不均匀性，导致速度沿径向的分布与动量矩守恒规律有比较明显的差别，特别 是蜗舌附近区域的速度和压力分布与通常的分析有很大不同；蜗壳内的损失可初步归纳 为4 种：二次流损失、内泄漏损失、冲击损失和摩擦损失；在小流量工况下，二次流 损失和内泄漏损失相对最为严重。 王企鲲，戴韧，陈康民【2 0 1 运用冻结转子方法对离心风机整机流场进行了三维准定常 数值模拟，捕捉到了由于蜗壳的非对称性所造成的蜗壳进口非均匀流动现象，揭示了由 于进口非均匀来流所导致的蜗壳内的一些特殊流动现象。研究证实了由于蜗壳的非对称 性而导致叶轮与蜗壳的相互作用时会引起整个流场非对称的流动特征。通过叶轮进口边 界与蜗壳进口边界上静压分布的迭代，并逐步修正蜗壳入口气流方向模拟叶轮与蜗壳内 流场的相互作用，在不很大地增加计算量的基础上能模拟出蜗壳进口的非均匀流场，突 破了传统单独计算蜗壳流场时只能给均匀流动边界条件的局限性，也避免了做叶轮与蜗 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 壳整机非定常计算时所遇到的一系列困难。离心风机在设计工况点，蜗壳进口沿周向的 流动较为均匀，在变工况下，蜗壳进口流动的非均匀性引起负荷周期性的变化，在小流 量下，波动幅度更加明显。这个结果表明，在设计工况下，传统的给均匀进口边界条件 来单独计算蜗壳流场的方法是可行的，但在变工况时，应用叶轮与蜗壳的迭代计算，可 以得到更好的流动分析结果。 王企鲲，戴韧，陈康民( 2 l 】对离心风机的梯形截面蜗壳内部流场进行了数值模拟，计 算结果表明，在蜗壳各径向截面上都存在着一个旋转方向相反、强度交替变化的涡对， 其中的一个旋涡位于径向截面的梯形区域内，是左旋不稳定旋涡，它主要存在于1 2 0 。 至2 4 0 。的通流区域中，并有明显的产生、发展与耗散过程；另一个旋涡位于径向截面 的矩形区域内，它是一个右旋、较为稳定的旋涡，它几乎充满从蜗壳至3 6 0 。的通流区 域内。这对旋涡的强度与蜗壳运行的工况有关，在设计工况下，涡对的强度很弱，但在 变工况时，涡对的强度增大。随着工况点流量的增加，位于径向截面梯形区域的旋涡发 展强度也会增大，甚至会充满整个梯形区域，这就造成了梯形区域内由于旋涡的粘性耗 散所造成的总压损失增加。因此，梯形截面蜗壳内梯形区域中由于旋涡的粘性耗散所造 成的粘性损失是影响蜗壳内部流动效率的一个重要因素。 陈景义，李超，伍继浩口2 】采用两类相对流面的三元流动理论，求解出离心通风机中 叶轮、蜗壳等主要元件流道中速度分布的规律，并考虑各项损失之间的相互关联和影响， 建立了多系数整机损失数学模型。利用已有的后向式离心通风机的实验数据，采用最优 化的方法确定出损失模型中的各有关系数，并通过实验验证模型的可靠性。 吕伟领，席光，宫武旗等 2 3 】对前向多翼离心风机建立了性能及流场测试台位。性能 试验及流场测试表明，性能试验重复性良好，曲线符合理论性能曲线。用粒子图像速度 场仪技术对叶片尾迹区及蜗壳出口横截面上的二次流做了详细的变工况测量与分析。结 果表明：叶片尾迹区脉动强度达2 0 7 0 ；在设计工况附近叶片尾迹影响区域小，在 非设计工况下叶片尾迹影响区域大，尾迹区域占到蜗壳径向宽度的1 5 一5 ，约是叶 片弦高的2 3 倍；在蜗壳横截面上明显存在二次流旋涡；沿着蜗壳选出方向二次流对 称分布，但是到达出口时，小流量下两侧旋涡结合成一个旋涡，大流量下两侧旋涡一直 保持到蜗壳出口。主要是因为叶片径向做功能力沿轴向不同造成压差，压差的存在是产 生二次流旋涡的根源。 罗荣，吴克启【斟】针对分体空调室内机贯流风机系统的特点，主要考察了蜗壳型线变 化和蜗舌间隙变化对性能的影响，并根据内流计算分析结果和实验数据比较，指出了外 部性能变化的内流机制，为改善性能提供了理论的依据。 离心压缩机中间抽气结构优化设计 胡俊伟，丁国良，赵力【2 5 】等利用计算流体力学方法对贯流风机内部气体流动进行了 数值模拟，研究了贯流风机的流动状态和结构参数变化对其产生的影响。分析了蜗舌间 隙、进口角、蜗壳间隙、蜗舌位置角、出口角变化与贯流风机进、出口流速间的关系， 从中寻找出结构参数变化对贯流风机流场影响的规律。通过计算分析，确定了不同工况 下贯流风机进、出口角的最佳范围以及最佳蜗舌间隙的选取方法。将模拟计算结果与实 验结果进行了比较。结果表明，数值模拟的结果与实验结果基本吻合。 游斌，eee l l 诅d i ，吴克启等【2 6 】对前弯多翼离心风机的内流场进行了三维数值分析， 结果显示蜗壳内部的最大压力沿着轴线方向分布在不同的圆周位置，叶轮内部蜗舌上游 区域存在着进口旋涡，蜗舌附近存在着明显的从叶片出口到进口的逆向回流，蜗舌间存 在着间隙涡，间隙涡的存在使蜗舌间隙的有效流动通道减小，蜗舌间隙中的气流向蜗舌 一侧偏移。蜗壳内部的最大压力沿着轴线方向分布在不同的圆周位置，叶轮内部蜗舌上 游区域存在着进口旋涡，进口旋涡在靠近轮毂侧由于受到轮毅的影响基本消失 李新宏，何慧伟，宫武旗等【2 7 1 对离心通风机在设计工况时的整机内部流场进行了数 值模拟，捕捉到了离心通风机内部许多重要的流动现象，证实了蜗壳、叶轮之间相互作 用引起的整流场不对称性，并预示了叶轮内部的重要流动特性，所得到的分析结果对探 讨影响离心通风机效率的原因、改进叶型设计、扩大运行工况范围等研究内容，提供了 重要的理论依据。 王企鲲，戴韧，陈康民【2 8 】对离心通风机在设计工况与交工况时整机内部三维粘性流 场的数值模拟，捕捉到了离心通风机内部许多重要的流动现象，证实了蜗壳的不对称性 而导致叶轮与蜗壳的相互作用时会引起整个流场非对称的流动特征。对离心风机内流场 的压力等参数的分布及叶片所受激振力的分析结果为探讨影响离心通风机效率的原因、 改进叶型设计、提高效率、扩大运行工况范围等，提供了重要的理论依据。 吴苇，谢军龙，吴克启 2 9 j 对包含斜流叶轮、无叶扩压器与蜗壳一体的斜流压气机进 行了整机计算，通过特定截面的不同流动谱图，初步比较了3 种不同结构的蜗壳和扩压 器的配置方式，讨论了这种型式的斜流压缩机转子子午面流动状况，为叶轮流道及其匹 配设计提供了依据。并将转子出口的计算结果和实验值进行了比较，计算得到的子午面 流线分布，转子上下游的子午面速度分布与设计值较吻合。 1 3c f d 技术在叶轮机械中的应用及n u m e c a 软件简介 随着科学技术的进步和经济的发展，许多领域对高性能的流体机械需求越来越迫 切。为了适应社会的需求，需要进行试制和大量试验参数测量等工作，为此需要耗费大 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 量的资金和时间。显然，为了设计出高性能的流体机械，传统的设计方法已满足不了工 业生产的需要，必须采用现代设计理论和方法。这就要求设计者必须详细掌握流体机械 性能和内部流动状况，从而给流体机械内部流动理论和试验研究提出了新的课题。研究 流体流动的方法有理论分析、实验研究和数值模拟三种。对叶轮机械内部流动实验测量 时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而使实验研究受到了很 大的限制。而数值模拟将以其自身的特点和独特的功能，与理论分析及实验研究一起， 相辅相成。逐渐成为研究流体流动的重要手段，形成了新的学科一计算流体动力学 ( c f d ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 。近年来，随着高性能计算机的普及，以及c f d 方法 的深入研究，其可靠性、准确性、计算效率得到很大提高，展示了采用c f d 方法用计 算机代替试验装置和“计算试验”的现实前景。c f d 方法具有初步性能预测、内部流动 预测、数值试验、流动诊断等作用【3 3 。3 4 1 。 在设计制造流体机械时，一般的过程为设计、样机性能试验、制造。如果采用c f d 方法通过计算机进行样机性能试验，能够很好地在图纸设计阶段预测流体机械的性能和 内部流动产生的漩涡、二次流、边界层分离、尾流、叶片颤振等不良现象，力求在设计 初期解决可能发生故障的隐患。 计算流体动力学( c f d ) 在2 0 世纪8 0 年代左右取得了不少重大进展。在高速可压 缩流动方面，基于总变差减j 、( t o t a lv a r i a t i o nd i m i n i s h i n g ，t v d ) 3 5 - 3 7 与矢通量分裂 ( f h v e c t o rs p l i t t i n d 3 8 - 3 9 、通量差分分裂( f h d i f f e r e n c es p l i t t i n g ) 4 0 训1 等方法的高 精致格式( h i g hr e s o l u t i o ns c h e m e ) 终于较好地解决了流体力学的一大难题跨、超音 速计算的激波精确捕获。而采用传统的人工黏性方法的j a m e s o n 4 2 格式等在这方面也 取得很大的成功。多层网格与残差光顺【4 3 删( r e s i s u a ls m o o t h i n g ) 等加速收敛技术有效 地减少了三维流动模拟的巨大计算工作量。而在低速不可压流动方面，利用人工可压 缩性方法与压力校正法等对n a v i e r - - s t o k e s 方程组的直接求解取代了局限性很大的流函 数一涡量法等传统解法，从而也促进c f d 技术向流体传热、多相流、燃烧与化学反应 流等领域迅速扩展与深入。这些进展在很大程度上促进了c f d 技术的实际应用【4 5 】。 目前通过计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟，c t d 方法将在一定程度上取 代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模拟可提供丰富的流场信息， 为设计者设计和改进流体机械提供依据。因此，c f d 方法是现在和未来研制流体机械必 不可少的工具和手段，它使设计者以最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求 提高性能的设计思想和设计方案，从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说c f d 方法为流体机械设计提供了新的途径。 离心压缩机中间抽气结构优化设计 本课题所使用的n u m e c a 软件是c f d 应用软件中的后起之秀，这个软件的前身是 布鲁塞尔自由大学与瑞典航空研究所共同为欧洲空间发展中心s a ) 开发的航天飞行器 计算软件“e u r a n u s ”，后来发展为通用性的商业化软件，9 0 年代中期才开始推向市 场。由于它的前身是计算高速流动的专业级软件，从而软件的核心部分一离散格式与解 法，以及跟求解密切相关的多层网格等方面的质量很高。其中心格式采用了j a m e s o n 人 工黏性显格式，上风格式采用基于t v d 与通量差分分裂方法的高精致格式，方程求解 采用多步r u n g e - - - k u t t a 法，低速计算采用预条件法等，并采用了多层网格与隐式残差光 顺法等加速收敛技术。该软件的主体部分是在9 0 年代初编制的，这些技术体现了当时 c f d 的最高水平。n u m e c a 后来重点发展其叶轮机械流动计算模块，由于其高速流动 计算的性能很强，从而对于包含跨、超音速区的高速压缩机、汽轮机等的模拟具有明显 优势。下面分别简要介绍其功能强大的f i n e t u r b o 和f i n f j d e s i g n 3 d 子模块： f i n e f f u r b o 可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘性或无粘 内部( 其中包括任何叶轮机械：轴流或离心，风机，压缩机，泵，透平等。单级或多级， 或正机，或任何其它内部流动：管流，蜗壳，阀门等) 流动的数值模拟。 网格生成器包括i g g 和a u t o g r i d ：其中i g g 可生成任何几何形状的结构网格。 采用准自动的块化技术和模板技术。生成网格的速度及质量均远高于其它软件； a u t o g r i d 可自动生成任何叶轮机械( 包括任何轴流，混流，离心机械，可带有顶部、 根部间隙，可带有分流叶片，等) 的h 形，i 形和h o 吁形网格。该软件已经被国际工 业部门认为是目前用于叶轮机械速度最快、最方便及网格质量最好的网格生成软件。 求解器e u r a n u s ：求解三维雷诺平均的n s 方程。采用多重网格加速技术；全 二阶精度的差分格式；基于m p i 平台的并行处理；可求解任何二维、三维、定常月 定 常、可压不可压，单级或多级，或整个机器的粘性无粘流动。可处理任何真实气体； 有多种转静子界面处理方法；自动冷却孔计算的模块；多级通流计算；自动初场计算； 湿蒸汽计算；共额传热计算；气固两相流计算等等。其多级( 1 0 级以上) 求解性能良好。 功能强大流动显示器c f v i e w ：可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。特别是 可处理和制作适合于叶轮机械的任何s 1 和s 2 面，及周向平均图。该软件已经被国际工 业部门认为是用于叶轮机械最好的后处理软件。 f i n e d e s i g n 3 d 是一个空前新颖的，用于新型、高效三维叶型设计和优化的软件 工具。它给用户提供了一个设计叶轮机械的新概念。该软件是在国际上( 日、美、欧) 叶轮机械行业各主要企业的协作下发展的。它以用户定义的多参数目标函数，以及几何 和机械等方面的约束，来定义设计性能目标。该优化设计过程是全自动的，优化范围可 大连理工大学硕士学位论文 覆盖约束之内的整个空间，而不像其它软件采用仅能覆盖非常有限个点的人工尝试和修 改的方法。 1 4 本文的主要工作 根据以上蜗壳的研究动态以及存在问题，本文采用商用c f d 软件n u m e c a 对自 行设计的叶轮机械用蜗壳形式的中间抽气结构进行了数值模拟，旨在探索蜗壳形式抽气 结构的内流机制及其在叶轮机械中的应用前景。 本文主要研究工作及所要达到的目标如下： 1 、对流体机械内部流场数值模拟的各种湍流模型和求解方法进行分析和研究，确 定了适用于整机全流道数值计算的求解方法。 2 、数值模拟计算的前处理。蜗壳的设计，并建立整级的实体模型，选定计算区域， 合理的划分网格。 3 、根据运行参数合理设定边界条件，采用合适的物理模型、计算方法进行三维模 拟。数值模拟着重研究叶轮，无叶扩压器、回流器以及抽气蜗壳的匹配，尤其是不同蜗 壳的连接形式对流动的影响以及不同蜗壳内部的流动特性。通过通道内漩涡的发生区域 及其扩散，以及内流的其他特性，对比选出一种流动较好的方案进行详细分析。 4 、压缩机机全流道结构模拟计算及其后处理，结构分析及优化。 5 、给出本研究所得出的主要的数值结论，并对今后的工作提出建议与展望。 本文的共分为五章，各章节主要的内容如下： 第一章介绍了本文的研究背景，中间抽气结构特点及国内外蜗壳研究的历史及现 状：结合本课题的实际情况，对中间抽气结构的作用进行了概括性评估。 第二章探讨了设计过程中所应用的数值计算方法，包括控制方程，各种湍流模型的 发展，控制方程解法等等。 第三章中探讨了中间抽气结构的具体的形式以及设计方法，应用相应的软件建立了 离心压缩机中间抽气结构完整的内部流场几何模型；并利用相关的流体软件划分网格结 构，建立边界条件，搭建完整的数值模拟平台。 第四章主要给出了数值计算结果以及详细的计算分析，并针对流动中存在的问题对 结构进行了一系列的改进。 第五章总结了全文所做的工作和取得的成果，对文中存在的问题进行了分析并提出 对未来的工作展望。 离心压缩机中间抽气结构优化设计 2 数值计算方法 本文的研究工作是建立在压缩机内部流动计算分析平台之上的，而该计算分析平台 采用n u m e c a 建立，因此，本章主要介绍n u m e c a 计算软件的计算方法，包括控制 方程、差分格式、湍流模型以及为加速收敛使用的多层网格技术和隐式参差平均技术等 内容。文献介绍，湍流模型的应用对计算结果影响很大，因此本章在后半段重点介绍了 湍流模型。 2 1 控制方程 流体机械内部流动的控制方程是以质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程 为主的方程组。 2 1 1 质量守恒方程 质量守恒方程又称连续方程，具体的数学表达形式如下问： 粤+ 掣+ 掣+ 掣；o ( 2 1 ) a缸却如 、 其中，t 时间 p 密度 ”，1 ，w 嘲体在笛卡尔坐标系中x ，y ，z 坐标方向上的速度分量 2 1 2 动量守恒方程 在连续介质的假设下，流体的动量方程是n a v i e r - s t o k