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麻州c f d 技术解决某型轴流主风机放空管路振动噪音问题 摘要 某石油化工有限公司，为满足催化装置扩能改造的需要，于2 0 0 1 年3 月，对催 化轴流主风机进行了扩容改造。改造后风量提高了3 0 ，机组运行良好。然而在日常 生产中发现，改造后轴流主风机放空管道振动剧烈，噪音很大。这不仅威胁着生产设 备的安全运行和使用寿命，同时噪音也严重地污染着f 一区的环境。改进放空管道的设 计成了一个实际而又紧迫的问题。初步分析认为管路内部流动存在问题，为了从根本 上解决问题，需要对管路内部的流动进行详细的计算分析。目前，商业c f d 软件可 以完成这一工作。本文应用p r o e n g i n e e r 、i c e m c f d 、s t a r c d 等软件的基础上建 立了，一个放空管道内部三维流场的数值计算分析平台，对放空管道的内部流动进行了 数值计算与分析，流动分析的结果揭示了管道剧烈振动和噪音大的原因。在此基础上 对放空管道重新设计并进行流动分析。计算结果显示l ：述问题得到了解决，经工厂的 生产实践证明改进设计方案是成功的。 本文所建立的放空管道流动数值分析平台为结构优化设计提供了一个实用而有 力的工具，该平台可以大大的缩短设计周期，节约设计成本。 关键词：计算流体力学( c f d ) ：数值模拟；放空旁路管道 ! 型! ! ：! 丝查堑坐苤型型! 堕! ：垦塑些至笪堕塑型些童塑里 t h ea p p l i c a t i o no fc f d t e c h n i q u e i nv i b r a t i o na n dn o i s er e s e a r c h o ft h ea x i a lc o m p r e s s o rt u b ef l o ws y s t e m a b s t r a c t w h e nt h ec a p a c i t yo ft h ea x i a lf l o wc o m p r e s s o rw a si n c r e a s e db y3 0 i no n eo i l r e f i n e r yf a c t o r y , v i b r a t i o na n dn o i s ep r o b l e mb e c a m eam a i nh a z a r di nt h eb y p a s st u b e s y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o wi n s i d et h eb y p a s st u b es y s t e mw a sc a r r i e d o u tu s i n ga d v a n c e dc f d t e c h n i q u e s f l o ws i m u l m i o np l a t f o r mf o rt h ef l o wi n s i d et h e t u b ew a sd e v e l o p e dw i t ht h ep o w e r f u lc f d s o f t w a r es t a r c da n ds o m ea c c e s s o r i a l s o f t w a r es u c ha sp r o e n g i n e e ra n di c e m c f d f l o wi n s i d et h e t u b ew a sa n a l y z e d u s i n gt h es i m u l a t i o np l a t f o r m m a i nf e a t u r e so ft h ef l o wf i e l dw e r eo b t a i n e da n d p r o b l e m sa f f e c t i n gt h ev i b r a t i o na n dn o i s ew e r ea n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e c o m p u t a t i o n a lr e s u l t s ，t h em e c h a n i s ma n dt h en a t u r eo ft h ep r o b l e mw a sf o u n do u ta n d ap r a c t i c a lm o d i f i c a t i o nw a sp r o p o s e d n u m e r i c a l e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h e m o d i f i c a t i o no ft h eb y - p a s st u b e s y s t e mc a ns o l v et h ep r o b l e ms u c c e s s f u l l vi ti s v e r i f i e db yf a c t o r yr e a lp r a c t i c e t h en u m e r i c a la n a l y t i cp l a t f o r mf o rt h ef l o wi nt h ei n f l o wt u b ed r o v e dt ob ea p o w e r f u la n dp r a c t i c a lt o o li nt h ed e s i g no ft h ei n f l o wb y p a s st u b es y s t e mt h a tc a n s h o r t e nt h ed e s i g nc y c l ea n dc u tt h ed e s i g nc o s te f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ：b y p a s s t u b es y s t e m i i 应j l f c f o 技术解决某刑轴流主风机放空管路振动噪音问题 1 前言 1 1 课题研究的背景 大连西太平洋石油化工有限公司( 简称w e p e c ) ，为满足催化装罱扩能改 造的需要，于2 0 0 1 年3 月，对催化轴流主风机进行了扩容改造，改造后机组运 转良好，风量提高了3 0 ，达到了预期的目的，比新增一套机组节约投资两千多 万元，工期仅为六个月。 w e p e c 催化裂化装置是洛阳石化工程公司( l p e c ) 9 2 年设计，9 6 年一次投 产成功，投产以来，一直平稳运行。其再生形式为一、二再两段再生。其主风系 统流程图见图1 1 。 去二再主风f v 3 4 1 2 。 气动凋节阈 + 。；言鹄连通蚓 去一再主风 l 艺” 故空嘲 空阀l 电动蝶阀 单向阻尼蚓 入口蝼阔 电动蝶坶 单向阻尼嚼 敬空阁 电动蟥晦 单向阻尼蚓 且蜘 蕊入呀l 崽忖鲅故空蜩1r i 、j 付矗鼓空阁 b 1 1 0 2 1 b 1 i 0 2 图1 1 主风机组流程图 f i g 1 1t h ef l o w o f t h em a i na x i a lf l o wc o m p r e s s o r 一再主风山一再烟机组轴流主风机a v 5 6 1 l 供风，位号b 1 1 0 1 ，额定工况 点供风能力2 4 0 0n m 3 m i n ，最大2 6 0 0n m 3 m i n ，它是本文研究的主要对象。二 再主风由二再烟机组离心风机m c l 9 0 4 供风，位号b 11 0 2 a ，额定工况点供风 能力l1 0 0n m 3 m i n ，最大1 2 0 0n m 3 m i n ，备用一台与二再烟机组离心风机一样 的离心j x l 机，位号b 1 1 0 2 b ，当+ 再烟机故障时，运行b 11 0 2 a b ，装罱7 0 负荷 运行；当二再烟机故障时，运行b jl o l 、b l l 0 2 b ，装置i f 常负荷运行。 主j x l 机组改造前主要参数见下表： 麻川c f d 技术解决某型轴流土风机放空管路振动噪音问题 表1 1 主风机组改造前主要参数 、堕目 b l l 0 1b 1 1 0 2 ab 1 1 0 2 b 名称 机组转速( r p m ) 5 7 9 35 7 2 25 7 2 2 型号 y l l 1 0 0 0 cy l 一4 0 0 0 b 烟 介质 一再烟气二再烟气 气入口压力( m p a ) 0 2 7 40 2 6 轮 入口温度( ) 6 6 07 2 0 机 = h 口压力( m p a ) 0 1 0 50 1 0 7 轴功率( k w ) 8 6 8 63 2 1 5 型号 a v 5 6 。1 1m c l 9 0 4m c l 9 0 4 压 介质 空气空气空气 缩流量( n m 3 m i n ) 2 4 0 01 1 0 01 1 0 0 机 出口温度( ) 1 6 42 2 02 2 0 出口压力( m p a ) 0 2 6 50 2 6 50 2 6 5 轴功率( k w ) 8 2 8 04 3 9 64 3 9 6 额定电压 6 0 0 06 0 0 06 0 0 0 电 动 额定功率9 0 0 05 5 0 0 5 5 0 0 机 额定电流 9 8 46 0 66 0 6 型号y c l 9 1 0 4y c l 7 1 0 4 y c l 7 1 0 4 w e p e c 根据发展的需要，2 0 0 0 年7 月确定对公司年处理量2 0 0 万吨的催化 装置进行扩能改造，并分步实施，第一步，2 0 0 1 年3 月大检修时，年处理量提 高到2 5 0 万吨，第二步2 0 0 4 年大检修时，年处理量提高到2 8 0 万吨。根据设计 核算，第一步改造后总风量为3 7 9 6 n m 3 m i n ，一再需要2 8 2 1 n m 3 m i n ，二再需 要9 7 5 n m 3 m i n ：第二步改造后总风量为4 6 1 1 n m 3 m i n ，其中一再需要 3 4 2 6 n m 3 m i n ，二再需要l1 8 5 n m 3 m i n 。这样，原有的主风机组无法满足改造 后主风的需要，设计提出增设一套a v 6 3 烟机轴流j x l 机组的方案。考虑到增设一 套a v 6 3 轴流风机组，不仅增加近3 0 0 0 万元投资，更重要的是工期无法实现， 在2 0 0 1 年3 月大检修时，催化装置扩能改造的大目标，因此决定时轴流主风机 扩能改造。 对已有轴流主风机进行扩容改造的理论基础为： 麻川c f d 技术解决某，性轴流土风机放空管路振动噪音问题 ( 1 ) 流量的增加： 轴流压缩机流量大小主要取决于流道的通流面积和气流轴向速度。如图1 2 所 示。 c1 图1 2 流道示意图 f i g 1 2t h es k e t c hm a po f t h ep a s s a g e 以第一级动叶前流道截面为例，其通过的容积流量可以表示为 0 = 4 ( d g 2 d n 2 ) c 1 z = 4 d 2 n ( y 1 2 1 ) c 1 z m 3 s 式中d g 、d n 分别为转子的叶顶直径和轮毂直径，c 1 z 为气流轴向速度。 从上式可见，要增加流量有两条途径：一个是增加通流面积，即增加d g ，或减 小dn ，另一个是提高气流速度c i z ，即提高工作转速。由透平压缩机原理可知， 对于几何尺寸确定的压缩机其流量与工作转速成正比。 ( 2 ) 压力的提高： 轴流压缩机的压力与能量头h t 有关，能量头公式 h t = u + c z ( c t 9 1 3l - c t 9 1 32 ) 气流在叶栅进、排气角1 31 、b2 及c 1 z 基本不变。由透平压缩机原理可知， 对于几何尺寸确定的压缩机能量头与工作转速的平方成正比，故工作转速的提 高，使能量头大大增加；转子叶顶直径d g 增加，叶栅的平均圆周速度u 也相 应增大，也使能量头增加，实现压缩机排气压力增加的目的。 ( 3 ) 效率的提高： 通过应用新的气动设计技术：先进的模化设计、采用多种不同叶型反动度组 合设计、各级动静叶栅的优化匹配，提高改造后的压缩机性能。 改造设计的原则包括“安全性、可靠性、经济性”。 ( 1 ) “安全性”：压缩机改造后，叶片的振动强度、各主要零部件强度刚度、 临界转速、各运行工况点远离非正常操作区域等充分安全，保证压缩机改造后能 长期安全运转。 ( 2 ) “可靠性”：j 氍缩机改造后，运行安全可靠，改造后的性能可靠，满足 2 一 d( 。-，i，ll ，、，、| ， 一lii刚 ：l d 丁并 _ - _ 由 二| | 叫 廊刖c f i ) 技术解决某耙轴流主风机放空管路振动噪音问题 改造要求。 ( 3 ) “经济性”：减少压缩机的改造部件和相关配套设备，节省投资：缩短 改造周期，提前投产，创造效益；提高改造后的压缩机性能，降低运行成本。 以下是改造的技术条件和要求。 ( 1 ) 压缩机改造后的正常j x l 景和最人风聚为2 8 0 0 、3 2 0 0 n m 3 n f i n ，i 压力 为0 3 8 m p a ( a ) ，根据改造后的风机参数要求，对压缩机通流部分重新设计制造。 ( 2 ) 电机、变速器不变，风机转速不变，为n = 5 7 6 5 r m i n 。重新进行机组轴系 核算，机组除轴流风机改造外，其余设备不动的情况下，确保机组安全运行。 ( 3 ) 利用原压缩机机壳，压缩机机壳不变，更换下来的部件可作备用，事故 状态能及时恢复。 ( 4 ) 改造后压缩机设计点的多变效率不低于8 9 。 ( 5 ) 结构m i 置允许情况下尽量预留一级。 ( 6 ) 考虑大连沿海气候，有腐蚀，前3 级振动、静叶片镀防腐蚀保护层。 ( 7 ) 压缩机改造后，假定烟机无法运行情况下，通过原9 0 0 0 k w 电机在风机 启动角( 第一级静叶安装角) 为2 2 。时能够直接启动。 ( 8 ) 当烟机切除工况时，在9 0 0 0 k w 电机拖动下，风机出口压力能达到0 3 5 m p a ( a ) 且机组能平稳运行。 ( 9 ) 重新设计的主轴应能满足传递烟机回收功率的要求，烟机回收功率按 1 5 0 0 0 k w 设计。 ( 1 0 ) 烟一风联轴器、风一齿联轴器根据轴系计算结果决定是否更换。 ( 1 1 ) 更掘改造后机组参数，对风机管路及附属系统重新进行核算。 改造设计内容包括： ( 1 ) 重新设计新流道，确定每级动静叶参数，各级叶栅优化匹配，多种反动 度叶型优化组合设计。 ( 2 ) 校核各级叶片强度，调整选取叶片弦长。 ( 3 ) 校核各级叶片振动频率，避开共振。 ( 4 ) 由于每级动叶、静叶弦长和高度与原来不同，轴向距离发生变化，转子 重新设计。重新校核主轴轴头强度。 ( 5 ) 流道增大、叶片增高，叶片承缸、调节缸、进1 5 1 圈、扩压器需重新设计a ( 6 ) 计算轴向推力和支承载荷，校准轴承承载能力。 ( 7 ) 临界转速重新核算。 ( 8 ) 核算改造后机组的启动情况。 轴流主风机改造i j 设计条件、参数为： 风机型号：a v 5 6 1 1 压缩介质：空气 风机转速：n = 5 7 6 5 r m i n 麻州c f d 技术解决某删轴流主风机放空管路振动噪音问题 风机进口温度：1 0 5 风机进气压力：9 6 k p a 风机正常风量：2 4 0 0 n m 3 m i n ( 湿) 风机排气压力：o 3 6 5 m p a 轴流主风机改造设计条件、参数为： ( 1 ) 压缩介质：空气 ( 2 ) 各工况点设计参数： 季节单位平均夏季平均冬季平均 大气压力k p a 1 0 0 5 49 9 5 l1 0 1 3 6 大气温度 1 0 5 2 4 05 3 相对湿度 6 58 15 9 进口压力k p a 9 8 5 49 7 5 19 9 3 6 风量n m m i n2 8 0 0 3 1 0 02 8 0 0 3 1 0 0 2 8 0 0 3 1 0 0 排气压力m p a ( a ) 0 3 8 0 3 8 0 3 8 0 3 80 3 8 0 3 8 附注：要求当风机开到最大静叶角度时风机在冬季平均、年平均、夏季平均 风量分别能达到3 4 0 0 、3 3 5 0 、3 2 0 0n m 3 m i n ( 湿) 。 ( 3 ) 风机转速：按原转速n = 5 7 6 5 r m i n 不变 ( 4 ) 年平均时风量2 8 0 0n m 3 m i n ，风压为o 3 8m p a 工况作为设计点。设计点 效率8 9 。 轴流主风机改造动改情况包括： ( 1 ) 转予、叶片承缸、调节缸、进口圈、扩压器进行了更换。 ( 2 ) 机一压缩机间联轴器核算后，传递功率不够，进行了更换。 ( 3 ) 由于流量提高，将其中1 2 ”防喘振阀更换为1 6 ”。 ( 4 ) 原空气过滤网、排气消声器、整流栅等配套设备经核算继续保留。 ( 5 ) 轴流主风机径向轴承、推力轴承保留，未作动改。 2 0 0 1 年4 月1 2r ，改造后的轴流主风机一次试运成功，机组运行状态良好， 轴流主风机振动均在3 7 u m 以下，轴瓦温度8 2 以下。 2 0 0 1 年4 月1 2r 对改造后的轴流风机进行了性能标定，山于当时出口放空 管线振动大，导致放空阀振荡，只标定了3 5 度、4 0 度、4 6 度三个小角度低流量 的工况，大角度大流量下，无法按计划完成。3 5 度、4 0 度、4 6 度角度下的标定 数据如下表，利用这三点标定的数据，设置了防喘控制线。 角度入口温度喉部差压出口最高压力 3 51 2 3 4 4 7 m m 水柱 2 8 9 k p a ( a ) 4 01 2 - 3 5 4 4 m m 水柱 3 2 7 k p a ( a ) 4 61 2 _ 3 6 5 7 m m 水柱 3 6 3 k p a ( a ) 尽管对改造后的轴流主风机没能进行全面的标定，通过实际使用数据，证 明轴流主风机改造达到了预期效果，列举两组实际运行工况参数如下： ( 1 ) 2 0 0 1 年5 月8 同运行参数和理论性能参数 参量静叶角度出口压力入口温度流量i 改造记录6 8 度0 3 7 m p a ( a ) 2 3 3 3 0 0 麻_ f jc f d 技术解决某型轴流主风机放空管路振动噪音问题 n m 3 m i n 3 1 0 0 l 理论性能值6 8 度 o 3 7 m p a ( a ) 2 4 n m 3 m i n ( 2 ) 2 0 0 1 年9 月9 同运行参数和理论性能参数( 烟机解列工况轴流主风机运 行参数) 参量静叶角度出口压力入口温度流量 2 2 5 0 改造记录5 4 度 o 3 5 m p a ( a ) 1 9 n m 3 m i n 2 5 0 0 理论性能值5 2 度 0 3 5 m p a ( a ) 2 4 n m 3 m i n 从以上数据可以看出，改造后的轴流风机在大静叶角度大流量区，其实际 流量值达到甚至超过设计值，在小流量区，实际流量值比设计流量值稍偏小。轴 流主风机改造前后夏季平均性能曲线如图1 3 ： 进气压力( b a r )进气温度( )相对湿度分子量( 湿) 9 7 52 4 08 1 02 8 6 8 9 图1 3轴流风机改造前后性能曲线( 夏季) f i g ：1 - 3t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o m p r e s s o r ( s u m m e r l 通过近一年的实际运行，下面几个问题均得到了验证 应_ l = i ic f i ) 技术解决某型轴流主风机放空管路振动噪音问题 ( 1 ) 机组在不带烟机的工况下，9 0 0 0 k w 电机能直接启动，启动时间3 3 s ， 比改造前3 1 s 仅多2 s 。 ( 2 ) 在烟机切除工况下，9 0 0 0 k w 电机拖动时，在出口压力0 3 5m p a ( a ) 时，风量能达到2 2 5 0 n m 3 m i n ，能满足装置9 0 负荷生产。 ( 3 ) 机组在烟机、轴流风机满负荷下，能平稳运行。5 月8 日，2 0 0 1 年5 月 8 日，在入口温度8 2 。c ，静叶角度7 3 度，出口压力o 3 7m p a ( a ) 时，风量达 到3 5 0 0n m 3 m i n ，轴流风机振动均在3 7 u m 以下，轴瓦温度8 2 以下，烟机轴 振动均在3 2 u m 以下，轴瓦温度7 6 以下。 轴流风机改造后，满足了装置扩能改造后风量的需要，轴流风机最大风量 达到3 6 5 0 n m 3 r a i n ，加上二再烟机组离心风机改造后，最大风量达1 6 0 0 n m 3 m i n , 二机组能提供总风量5 2 5 0n m 3 m i n ，超过第二步改造后总风量4 6 1ln m 3 ，m i n 的 要求。2 0 0 1 年5 月8 日，对改造后的装置进行了标定，年处理能力达到3 0 0 万 吨。 然而在r 常生产中发现，改造后轴流主风机放空管道振动剧烈，噪音很大。 这不仅威胁着生产设备的安全运行和使用寿命，同时噪音也严重地污染着厂区的 环境。改进放空管道的设计成了一个实际而又紧迫的问题。初步分析认为管路内 部流动存在问题，为了从根本上解决问题，需要对管路内部的流动进行详细的计 算分析。通过流动找出管道剧烈振动和噪音大的原因，在此基础上对放空管道重 新设计以满足工厂要求。这也是本课题研究的现实意义所在。 i 2 计算流体力学简介 1 j 2 】 关于计算流体力学开始形成的时问，没有统一或公认的说法，一般认为计算 流体力学是从2 0 世纪6 0 年代中后期逐步形成和发展起来的。但有关流体动力学基 本方程数值求解的数学方法和理论的研究早在2 0 世纪初就丌始了，而且不少研究 成果对后来计算流体力学的发展有着重要的影响。r i c h a r d s o n 在1 9 1 0 年提出了求 解l a p l a c e 方程的迭代格式和松弛求解方法；随后l i e b m a n n ，s o u t h w e l l 等改进了 松驰格式使松驰法在2 0 世纪4 0 年代5 0 年代被广泛应用于求解流体和固体力学问 题。c o u r a n t 、f f i e d r i c h s 和l e w y i i l ；! 明了连续的椭圆型、抛物型和双曲型方程组解 的存在性和唯一性定理，针对线性方程的初值问题，首先将偏微分方程离散化， 并证明了离散系统收敛到连续系统，最后用代数方法确定了差分解的存在。他们 讨论了双曲型方程的特征性，提出了特征线方法，给出了著名的稳定性判据： c f l 条件。v o n n e u m a n n 提出了一种时问推进问题数值方法的线性稳定性分析方 法，目前在分析线性稳定性时仍在广泛应用。l a x 、k r e i s s 等给出的非定常偏微分 方程差分逼近的稳定性理论，进一步促进了双曲型方程或双曲一抛物型方程时间 相关法的研究。时间相关法的基本思想是从非线性e u l e r 方程或n s 方程出发，利 应抖jc f d 技术解决某g 轴流土风机放空管路振动噪音问题 用双曲型或双曲一抛物型方程的数学特征，沿时问方向推进求解，由此得到对于 时间t 趋于无穷大的渐近解即为所要求的定常解。此方法既能取得流动定常解， 又能模拟流动的非定常过程；若流场中存在间断面激波，它也能自动捕获到， 因而是应用范围极广的一般性方法。在发展非线性双曲型方程数值解法的同时， f r a n h a l 提出了解l a p l a c e 方程的逐次超松驰( s o r ) 方法，大大改进了收敛速度。 p e a c e m a n 和r a c h f o r d ，d o u g l a s 等发展了求解抛物型和椭圆型方程的隐式方法，采 用交替变换迭代方向和不受限制的时间步长，使无条件稳定性和计算简便性结合 了起来，这就是目前广泛使用的交替方向的隐式( a d i ) 格式。总之，计算流体 力学的形成和发展除了计算机的发展这个物质基础外，大量的研究工作，充分的 理论准备也是重要和不可少的条件。从所求解的流体动力学基本方程的简化程度 来划分，计算流体动力学大致经历了以下四个发展阶段：无粘线性、无粘非线性、 雷诺平均的n s 方程及完全的n s 方程。各个阶段解决的重点问题不同，具体的 应用对象或工程背景也不同，因此各个阶段并不是严格按时问顺序进行的，丽是 相互交替发展的2 1 。 从2 0 世纪6 0 年代开始计算机技术的迅速发展，不仅促使计算流体力学研究工 作的成果和发表的文献数量上日益增多，而内容更为广泛，更为突出的是计算流 体动力学开始在工业界得到应用，实现了应用计算流体力学的第一阶段- 线性计 算流体力学。其表现形式是i 酊元法的应用。应用范围为小迎角状态的低速、亚声 速和超声速流动。从2 0 世纪6 0 年代中期n s 0 年代初期，各航空公司都发展了各自 功能比较齐全、比较完善的面元法计算软件，可以处理全机带各类外挂物的几何 形状十分复杂的绕流计算，还可以进行各类几何参数优化及反设计计算。 无粘非线性方程数值求解的突破始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 0 年m u r m a n n 和c o l e 提出了解小扰动速势方程的型相关方法。即在亚声速区采用中心差分，在超声速 区采用迎风单边差分来建立跨声速流场中混合型的差分方程，成功的求解了跨声 速小扰动方程，较好的捕捉超声速区的激波。这是计算跨声速流场的一个重大突 破，开辟了计算跨声速流场的新领域。随后，j a m e s o n 提出了旋转格式，进一步 将型相关方法推广到全速势方程。跨声速流场的计算成功给人以鼓舞。但是对于 跨声速问题，粘性影响是不能忽略的，于是数值求解边界层方程、有粘无粘干 扰迭代计算等问题的研究成了热点。边界层概念也进一步拓宽，引入了边界层反 方法，在有小分离的情况下，计算也能顺利进行，并有一定的精度。速势方程加 粘性边界层，使跨声速气动力计算具有工程初步设计所需的精度，基于此，人们 发展了多种外形优化设计计算方法，发展了跨声速非定常气动力和气动弹性的计 算方法，形成了飞机设计所需的气动力计算系统。 从2 0 世纪7 0 年代开始，计算流体力学出现了不少有名的方法。b e a m w a r m i n g 近似因式分解方法、j a m e s o n 的多步时间推进方法和l u - s g s 方法、m a c c o r m a c k 麻州c f d 技术解决某型轴流主风机放空管路振动噪音问题 的时间分裂的显示和隐式方法等，都比较成功地求解了e u l e r 方程和雷诺平均n s 方程，一直到现在，这些方法还在广泛应用。e u l e r 方程求解的难点是如何保证 解是物理解和提高激波和旋涡解的分辨率。上面提到的几种方法，采用显式或隐 式加人工粘性项，确保满足热力学第二定律，使计算顺利进行，并避免了出现非 物理解。但这些经典的差分格式对激波模拟的分辨率不高，且在激波处易产生伪 振荡。针对证确的数值模拟流场中激波这一目标，经过十多年的努力，计算流体 力学工作者发展了相当数量的高精度、高分辨率差分格式，如总变著减小( t v d ) 格式，基本无振荡( e n o ) 格式，无波动、无自由参数的耗散( ：n d ) 格式， 耗散比拟方法，界值为限( m m b ) 格式以及矢通量分裂和通量差分格式等，形 成了第二代差分格式。以上这些离散格式的出发点是努力提高间断解的分辨率和 精度，而在计算时无需人为地加i 卜和凋节人丁粘性项。至今这些方法仍是计算流 体力学的主流方法。 至于完全的n s 方程数值解的研究，目前正处于起步阶段，它的目的主要是 直接模拟湍流的发生、发展和相关的流动问题。目前的计算机的容量和运算速度 还远不能满足要求，这是研究工作进展较慢的重要原因，当然计算方法也有待进 一步的完善和发展。 从应用流体力学角度来看，网格技术具有不容忽视的作用，这也是计算流体 力学近2 0 多年取得较大进展的领域。1 9 7 4 年t h o m p s o n 等提出采用椭圆型方程方 法生成贴体网格，在网格生成技术的发展上起到了开创作用。随后s t e g e r 等又提 出采用求解双曲型方程方法生成贴体网格。但直至1 1 2 0 世纪8 0 年代中期，对比计算 格式和方法的飞跃发展，网格生成技术未能与之保持同步的发展。因而自上世纪 8 0 年代开始，各国都十分重视网格生成技术的研究，发展了如多块对接网格技术 和多域重叠网格技术等，产生了以上世纪9 0 年代的i c e m c f d 为代表的新一代分 块结构网格方法。之后迅速发展的非结构网格和自适应笛卡尔网格等方法，使复 杂外形的网格生成技术呈现出了更加繁荣的局i j ! i l 。网格生成技术已成为计算流体 力学的一个重要分支。 为了解决工程问题，世界上一些大的软件公司把那些已经经过实践检验的成 熟而稳定的计算方法集中起来，形成了一批c f d 商用软件。目前，被工程界广泛 采用的主流c f d 商用软件有：f l u e n t 、c f x 、s t a r - c d 、n u m e c a 等。 计算流体力学是一门年轻的学科，但却有着很强的生命力，发展速度很快， 已成为与理论分析和实验测定并列的三大研究手段之一。计算流体力学作为研究 工具，首先是经济、快捷：其次是能给出流场的详细的数据，方便地识别一些关 键参数的影响和探索力学现象相互作用的结果和规律。但计算流体力学绝不是流 体力学的全部，各种研究手段和方法必须互相配合，互相补充，互相促进，共同 推进流体力学的发展和解决各种工程实践问题。 戍州c f d 技术解决某型轴流主风机放空管路振动噪音问题 1 3 论文的主要内容 目前，人们在数值模拟方面做了大量的工作。由于计算条件等方面的限制， 在以往的计算过程中，人们通常要进行几何形状上的简化，例如对称性、周期性 等方面的假设，以达到简化计算模型，减小计算量，缩短计算时间的目的。但是 在真实流场中，由于结构内部各部件的存在，流动并不完全满足对称性和周期性。 简化和假设会使计算分析结果的准确性难以保证，在工程实际中的应用受到限 制。近年来，随着高性能计算机的出现以及计算流体力学等方面的发展，几何上 更加真实，物理上更加精确的数值模拟正在逐步成为可能。 本文从工程实际出发，建立了放空管道完整真实的三雏结构，并利用流体分 析软秤s t a r c d 对其内部流场进行模拟，得出流场分布，再根掘流场数值分析的 结果对存在问题进行分析，有针对性的进行管道的改型，在重新建立的数值分析 平台上进行数值模拟，直到得到满意的流场为止。解决生产过程中的实际问题。 本文内容共分五章，各章节的主要内容如下： 第一章概述了课题的研究背景，简要介绍了计算流体力学的发展。 第二章对本文进行管道内部流场数值模拟所涉及的相关理论知识，包括控制 方程，数值求解方法等进行了简要的介绍。为后面建立管道内部流动数值分析平 台提供理论基础 第三章首先简要介绍了三维造型软件p r o e 的功能和原轴流主风机放空管 道的结构以及几何模型的生成过程，建立了真实完整的燃烧器流道三维模型；在 此基础上，详细介绍了计算网格的生成方法，对本文所采用的z c e m c f d 和 s t a r c d 进行了简要的介绍。并以此建立起放空管道内部流场的计算网格；建立 计算模型，确定边界条件，为放空管道内部流动的数值分析建立了数值模拟计算 分析平台。 第四章在计算结果的基础上分析了管道内部的流动特点，从流场分析的角度 找出原结构设计中存在的问题，并有针对性的对其进行几何结构的洗化。优化的 最终结果使运行中的问题得以解决。 第五章对本文的工作进行了总结。 应h | c f d 技术解决某型轴流主风机放空管路振动噪音问题 2b l l 0 1 轴流主风机放空管道内流场数值计算的理论模型 数值模拟以其独具的特点和功能逐渐成为研究流体流动的重要手段，运用计 算流体力学( c f d ) 的方法，借助计算机对流体机械内部的流动进行精确数值模 捌从而获取丰富的流场信息，为流体机械的设计与优化提供依据是目前工程上 一种比较先进有效的方法。本章将刈水文涉及到的理论知识进行简要介绍，为后 面章节的工作提供理论基础和分析依据。 2 1 基本方程的建立 3 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf 1u idd y n a j n i c s ，简称c f d ) 是利用高速计 算机求解控制流体流动的偏微分方程组，目的是为了更好地从定性上和定量上了 解流体流动的物理现象，从而对实际中的设计与优化起指导作用。所谓物理问题 或工程问题的数学模型就是描写这些问题的各种量之间的数学关系，它们一般以 微分方程( 或积分型方程) 出现，有时还附以一些代数方程。为确定这些方程的 解须给出定解条件。这些方程连同定解条件一起就构成了数学模型。 2 1 1 连续方程 从宏观角度来看，流体是连续介质，其流动具有连续性，也就是说流体是连 续的充满了所占据的空问，流动时不形成空隙。这个条件称为连续性条件。流体 运动还应遵守质量守恒定律，流体的连续方程就是质量守恒定律的一种特殊形 式。流体的连续方程为 望+ 型+ 型+ 旦! 型：0 ( 2 1 ) a l瓠 卸 a z 其中，f 时间 口密度 “，“。，“：流体在直角坐标系中肖，j ，z 坐标方向上的速度分量。 对于稳定流动，等= o ，则( 2 1 ) 式变为 扰 皇! 型+ 旦垫立+ 旦! 型：o ( 2 2 ) 缸 咖 出 对于不可压缩流体，p 为常数，则( 2 2 ) 式变为 应_ _ c f d 技术解决某型轴流主风机放空管路振动噪音问题 盟+ 盟+ 塑：o 反 劫 良 ( 2 3 ) 2 1 2 动量方程 在流场中任取一控制体。控制体承受的力包括表面力和质量力。控制体受到 的力可以引起控制体内动量的变化，流体流进流出控制体也可以引起控制体内动 量的变化。控制体受到的力、流入流出控制体的动量和控制体内动量的变化，三 者之间应满足动量守恒原理：控制体受到的力( 包括质量力和表面力) 与单位时 间内通过控制面净流入控制体的动量之和等于雌位时阳j 内控制体内流体动量的 增量。用数学式可以表示为： 膨矿+ 戢d a = 导肋矿+ 舭d 砌 ( 2 a ) 对于定常流动，控制体内的动量保持不变，即昙巧p 助矿= 。，则式( 2 4 ) 简化 为 l 髓蕊y + 髓 ；姒= 鼢昏毋d a ( r( xc s ( 2 5 ) 动量方程是矢量平衡方程，可以耿分量平衡的形式。如果控制体有多个进出 口，每个进出口截面有一个统一的密度和速度，则定常流动动量方程的分量形式 为： 略+ r = ( ：v ：，) 一( g ，。v ，) + = e ( q 。：v ：，) 一( 口。v 。，) + 吒= x ( q 。：v ：) 一( v ，：) ( 2 6 ) 2 1 3 能量方程 在流场中任取一控制体，外界对控制体作功、传入热量、流体流进流 出控制体，都将引起控制体内能量的变化。根据能量守恒原理，单位时间 内外界对控制体作的功、传入的热景和随流体流动而净输入的能量之和等 于同时间内控制体内能量的增量。用数学式可以表示为： 戚川c f d 技术解决某型轴流士风机放空管路振动噪音问题 p + 妒一妙“+ 罢+ 鳓脚= 鲁缈“+ 萼+ 蚴矿 c z - t ， 式中p 表示外界对控制体作的功率：妒表示从外界向控制体内净的传热率 似+ 导+ g z ) 表示单位质量流体所具有的总能量，包括内能、动能和位能。 2 1 4 粘性流体的n - s 方程 4 粘性流体的运动方程，又称n a v ie f s t o k e s 方程，其具体的形式如下 p 鲁= 彬一罢州等+ 等+ 等，掣1 昙c 警+ 等+ 户d u y _ p y _ 考+ 警+ 等+ ，+ 专案+ 等+ p 鲁= 膨一卺州警+ 等+ 等，+ 争鲁c 警+ 誓+ 其中，瓦d = 昙+ 虬瓦0 + “，面0 + “= 夏0 ( 2 8 ) ( 2 9 ) “流体的粘性系数。 卫只卜作用在微元体单位质量上的质量力在x ，y ，z 方向上的分量。 对于理想流体，u = o ，则式( 2 8 ) 变为欧拉方程，即 堕：z 一土望 d t pa z ( 2 1 0 ) 印瓦 印一砂 一卢 一p x 卜 = = 堕研 堕研 庶川c f d 技术解决某型轴流主风机放空管路振动噪音问题 2 2 湍流模型 2 2 1 湍流计算概述 湍流是种复杂的三维非稳态流动。在湍流中流体的各种物理参数，如速度、 压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理机理上讲，可以把湍流看 成是由各种不同尺度的涡叠合而成的流动，这些涡的大小及旋转轴方向的分布是 随机的。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定，其尺寸大小可以与流场大 小相比拟，是引起流体运动参数低频脉动的主要原因；小尺度的涡旋主要由粘性 力所决定，其尺度可能只有流场尺寸的千分之一甚至更小的量级，是引起流动参 数高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂以后形成较小尺度的涡旋，较小尺度的涡 旋破裂以后形成更小尺度的涡旋。在湍流已经充分发展的区域内，流体中涡旋的 尺寸可在相当宽的范围内连续变化。大尺度的涡旋不断地从主流获得能量，通过 旋涡间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡旋传递，最后由于流体粘性的作用， 小尺度的涡旋逐渐消失，机械能就转化( 又称耗散) 为流体的热能。同时，由于 边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就勾成了湍流运 动【5 】。 关于湍流流动的数值计算是目前计算流体力学中困难最多，因而研究最为活 跃的领域之一。已经采用的数值计算方法大致可以分为三类： ( 1 ) 完全模拟( 直接模拟) 这是用三维非稳态的n s 方程对湍流进行直接计算的方法。由于湍流结构的 复杂性，必须采用很小的时间步长与空间步长，才能把湍流中各种尺度涡旋的运 动特性都分辨出来。有人曾对在一个较大尺度范围内的湍流的数模模拟作过这样 的估计：当大涡的尺寸为1 0 4 c i t i 时，小涡尺度为l c m 左右的量级时，如果大涡 的环流周期为6 0 s ，为了进行一个周期的数值计算，需要1 0 4 个时间步长，1 0 1 2 个节点，进行大约1 0 ”次运算【5 1 。对丁内存空问和计算速度的要求远远超过了 现代计算机的能力，即使用每秒l o 亿次的超级计算机也需要计算3 0 年。目前， 只有少数能使用超级计算机的学者才能对低胁数下的湍流作这种数值模拟的探 索。最乐观的估计，大约到2 l 世纪中期以后，用计算机直接数值模拟工程和自 然界复杂湍流才能成为现实【6 】。 ( 2 ) 大涡模拟( l e s ) 按照湍流的涡旋学说，湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的，大涡 从主流获得能量，分裂后把能量传递给较小的涡。大涡的运动是各向异性的，随 流动的情形而异。小涡的主要作用是耗散能量，几乎是各向同性的，而且不同流 动情形中的小涡有许多共性。基于对不同尺度涡旋特征的认识，大涡模拟方法用 非稳态的n - s 方程来直接模拟大涡，但不计算小涡，小涡的作用通过近似的模型 来考虑。由于大涡模拟计算精度可与直接数值模拟相比，计算费用却小得多，所 廊瑚c f d 技术解决某刑轴流主风机放空管路振动噪音问题 以近几十年来发展很快。不过山于计算量仍较大，目前只能模拟一些不太复杂的 流动。由于大涡模拟只对小尺度脉动做封闭模型，因此它可能有较宽的适应范围， 按照目前计算机的发展速度，大涡模拟有犟在未来1 0 2 0 年内用于工程实际【6 。 ( 3 ) r e y n o l d s 时均方程法 这种方法是将各种瞬时量表示成b 寸均值与脉动值之和。将非稳态的控制方程 做时间平均，在所得的时均方程中会出现脉动值的乘积的时均值这一类新的未知 量，使方程组不封闭。为了使方程组封闭，对这些脉动值乘积的时均值建立起计 算模型，使它们与其它的时均值联系起来。所谓的湍流模型就是指把这些湍流脉 动值附加项与其它的时均值联系起来的一些特定的关系式 5 】。在众多的湍流模 型q 1 ，湍流粘性系数法获得了广泛的应j 1 】。 在湍流粘性系数法中，常常川确定湍流粘性系数爿，所需的微分方程的个数 进一步将湍流粘性系数模型分为零方程模型、一方程模型和二方程模型。二方程 模型有多种类型，其中由s p a l d i n g 和l a u n d e r 于1 9 7 4 年提出的标准k - s 模型具 有形式简单，对于无分离剪切湍流的主流和压力预测合乎工程精度要求以及通用 性广的优点，在过去的二卜多年中获得了广泛的应用。在标准k - 占模型的基础上， 还发展出了重整化群( 尺g ) k s 模型和非线性的k - 占模型等众多的湍流模型。 迄今为止，k - s 模型仍然是当前最常采用的湍流模型，也是c f d 商业软件首选 采用的湍流模型。 理论上，k - s 模型是以湍动能生成和耗散相平衡为基础的。在接近固壁处， 分子粘性扩散将在湍动能平衡中起重要作用，因此，在壁面附近，例如y + 0 ) 2 3 数值求解方法 数值求解偏微分方程的方法主要有：有限差分法、有限元法和有限体积法。 有限差分法通常采用截断的t a y l o r 级数来近似偏微分方程，是导数定义的直接应 用。有限元法采用问题的变分原理或带权余数法来控制每一元素的近似解与真实 解的误差，