（流体力学专业论文）压缩机叶栅湍流数值模拟的研究.pdf

摘要 压缩机广泛应用于能源动力、航空航天、制冷工程等领域。研究压缩枫叶栅内部复杂的 湍流流动，对改进性能、提高效率、降低成本具有重要的理论意义和工程应用价值。 压缩机叶栅内流场十分复杂，观察和研究极其困难。本论文采用混合网格和有限体方法 求解r e y n o l d s 平均n a v i e r s t o k e s 方程，应用三种湍流模型，即标准的七一f 模型，k - 。模型，$ s t 模型，对三个攻角( + 5 0 。、一1 5 。、一8 5 。) 下的双圆弧叶片的轴流式压缩 机叶栅进行了湍流数值模拟。将模拟结果与实验结果对比分析，探讨适台压缩机叶栅流动模 拟计算的湍流模型，给出轴流式压缩机叶栅正确的流动结构。 研究结果表明，5 s 7 1 模型，模拟计算的静压系数、速度场、湍流度与实验结果接近， 吻合得很好：k 一。模型次之；标准的k f 模型，在模拟计算分离区的流动结构时，有较 大的误差。 关键词：湍流、数值模拟、湍流模型、压缩机叶栅 l l a tt h ep r e s e n tt i m e ，m a n yv a r i a t i o n so ft u r b u l e n c em o d e l sa r ea v a i l a b l e h o w e v e r , r i o u n i q u et u r b u l e n c em o d e l e x i s t sw h i c he a r lp r e d i c ts a t i s f a c t o r i l ya l lt u r b u l e n tf l o w s e a c h t u r b u l e n c em o d e lc a i lb e a p p l i e ds u c c e s s f u l l y t os o m et u r b u l e n tf l o w sb u t n o t s a t i s f a c t o d l y t oo t h e r s f o rt h i sr e a s o nn u m e r i c a l p r e d i c t i o n s ，m a d eu s i n gc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，a r ep r e s e n t e dd e s c r i b i n gt h eb e h a v i o u ro ft h ep e r f o r m a n c eo f t h r e et w o e q u a t i o n st u r b u l e n c em o d e l s ：t h es t a n d a r dk - ga n dk - 0 ) a n dt h es s t ( s h e a r s t r e s st r a n s p o r t ) t u r b u l e n c em o d e l c o m p a r a i s o na r em a d ei no r d e rt oe v a l u a t et h e i r p r e d i c t i v ec a p a b i l i t y f o rt u r b u l e n tf l o wt h r o u g hd o u b l e - - c i r c u l a r - a r ca x i a l c o m p r e s s o r b l a d eg e o m e t r y ，g i v i n ge m p h a s i st ot h ea c c u r a t em o d e l i n go fs e p a r a t e df l o w t h e g r i d f o rt h ea l l g e o m e t r i e su s e di nt h i si n v e s t i g a t i o nw a sc r e a t e du s i n gt h eg a m b i tp a c k a g e ， a n dt h ep r e d i c t i o n sf r o mt h ec f dm o d e l sh a v eb e e no b t a i n e du s i n gt h ec o m m e r c i a lc f d c o d ef l u e n t c o m p u t a t i o n a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ha na v a i l a b l ee x p e r i m e n t a ld a t a ， w h i c hs h o w e df a i r a g r e e m e n tt a k i n gi n a c c o u n te r r o r si nb o t he x p e r i m e n t a ld a t aa n d n u m e r i c a lr e s u l t s t h es s tm o d e l g i v e s t h eb e s to v e r a j l a g r e e m e n t o nt h es t a t i c c o e f f i c i e n t p r e s s u r e ，t h e m e a nv e l o c i t y p r o f i l e s a n dt u r b u l e n c e l e v e l ，w h e r e a s t h e p e r f o r m a n c e k - o oa n dt h ek - em o d e li sr e a s o n a b l y g o o d t h ep e r f o r m a n c eo f t h e k - em o d e l i sl e s sg o o dn e a rt h eb l a d es u r f a c ea n df o rc a s e sw h i c h p r e s e n t sam a s s i v e l ys e p a r a t i o n k e y w o r d s ：c f d ，s e p a r a t e dt u r b u l e n tf l o w ，c a s c a d ef l o w ，b o u n d a r yl a y e r ，t u r b u l e n c e m o d e l s ，r a n s t ot h em o s t i m p o r t a n tp e o p l e i nm yl i f e ： m yp a r e n t s ， w h o a l w a y se n c o u r a g e d a n d s u p p o r t e d m et oa c h i e v em y d r e a m s t h e y i n s t i l l e di nm eas e n s e o fv a l u e sa n dl e s s o n st h a th a v ee n a b l e d m et oa c c o m p l i s h e v e r y t h i n g t h a t i h a v es e to u t t od o f o r t h a t ia l t l f c ) r e v e r g r a t e f u l t om ys u n s h i n e ， w a h i b a y o u d i dt h i sw i t hm ee v e nf r o ms of a ra w a y m h a m e d t h el i s ti se n d l e s si fih a v et ot h a n ka l lt h ep e o p l et h a tm a d e p o s s i b l et h i sw o r k m y s i n c e r e s tt h a n k st om yg r a d u a t ea d v i s o r ，d r w a n gz e s h es u p p o r t e dm ef r o mt h e b e g i n n i n ga n dn e v e rs a i dn ot oan e wi d e a t h a n k s ，f r o mt h eb o t t o mo fm yh e a r t i c o u l dn e v e r f o r g e tt om e n t i o np r o f w a n gh n i m i n ih a dt h ep l e a s u r et ok n o wh i m a s a p r o f e s s o r ir e a l l yr e s p e c th i m f o rh i ss i m p l i c i 锣a n dw i s d o m 1w o u l dl i k et oe x t e n dm y t h a n k st ot h eg o v e r n m e n to f t h e p e o p l e sr e p u b l i c o fc h i n a ，a d dt h a n k st ot h ep o s tg r a d u t eo t 五c eo fh o h a ia n da l ls t a f fm e m b e r so f t h e f o r e i g n e rs t u d e n to f f i c ef o rt h e i ra s s i s t a n c ea n dc o o p e r a t i o nt oc o m p l e t em ys t u d y i a l s ow i s ht oe x t e n d m yg r a t i t u d e t ot h e g o v e r n m e n to fa l g e r i a f o r g r a n t i n g o p p o r t u n i t yt op e r s u em ys t u d yi nc h i n a id o n tw a n tt of o r g e tm y f a m i l y ，f r o mt h eo l do n em yg r a n d m a t ot h en e w o n e ( i nl a w s ) n a d al a l i a t h a n k st om y c o u s i na b d e l l a ha n dh i ss m a l lf a m i l y 1w o u l dl i k et ot h a n kk w a h i b a s h ew a s m yh i g hs c h o o ls t u d e n t ，s h ei sm y d e n s i t y ( a n dy e s ，t h a ti ss p e l l e dr i g h t ) t h a n k st oa l lm yc o u n t r ym a t e s ，t ob e l g a c e ma n ds o n i a ，l a n i a , r a c h i d l a m i n e ，m o u b a r k ah e r ea tn a n j i n g ，a n df o ra m e la th a r b i nw i t h o u tf o r g e t t i n g c l a u d i ag m b e ra n dh e rf a m i l y t h a n k sf o rm yf r i e n d sa t a l g e r i af o rt h e i rc o n t i n u e d s u p p o r ts p e c i a l l yk d a l i ，m a e km b e r i a c h e ，a b e z 2 s n ea l lo fy o uw e r ew i t hm e h e r ea n de - m a i l sc o u n t i n gc a np r o b a b l ys h o wi t ，s p e c i a lt h a n k st om g u e n d o u s s i ( y o u k n o w w h y ! ) s t u d y i n ga th o h a iu n i v e r s i t y ，a l l o w e dm et om e e tm a n yp e o p l e ，g r a d u a t e s ， u n d e r g r a d u a t e sf r o mm a n yc o u n t r i e s ，s p e c i a lt h a n k st om yc l a s sm a t ec h e ns h a hq u n f o rh e r h e l pw i t h o u tf o r g e t t i n gm yn e i g h b o r sa tf o r e i g n e rs t u d e n tb u i l d i n g ，a l lo ft h e m s h o w e dm et h a tf r i e n d s h i pd o e s n th a v ef r o n t i e r sa n dl e a v em e s om a n ym e m o r i e s 1w i l ln e v e r f o r g e ty o ug u y s m b e l m i i 0 【) n o m 哐n c l a t u r e l a t i ns y m b o l s h - f ， g r e e k s y m b o l s p ，p +“y 8 v 十 q k p t i l t w 吼 仉 g 1 ，g 2 n o m 】! n c l a t u r e c o n s t a n ti nk - s s tm o d e l c o n s t a n t sf o rk - st u r b u i e r l c er o o d e l s c o n s t a n ti nt u r b u l e n c em o d e l b l a d e sc h o r dl e n g t h s t a t i cp r e s s u r et o e m c i e n t v i s c o u sd a m p i n gf u n c t i o n b l u n d i n g f u n c t i o n t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y s h a p e f a c t o r i n c i d e n c ea l l g l e t u r b u l e n tl e n g t hs c a l e p r e s s u r e m e a n p r e s s u r e p r o d u c t i o no ft u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y t i m e t u r b u l e n c ei n t e n s i t y d i s t a n c ef r o mt h ew a l l n o n d i m e n s i o n a ld i s t a n c ef r o ms u r f a c e r e y n o l d sn u m b e r v e l o c i r v m e a nv e l o c i t yi n * d i r e c t i o n f l u c t u a t i n gp a r tv e l o c i 可i n 而d i r e c t i o n f r i c t i o nv e l o c i t y c o o r d i n a t ed i r e c t i o n ( c a r t e s i a nc o o r d i n a t e s ) 、i g t i n gf i , m c t i o n c o m t a n ti nk - 国m o d e l t u r b u l e n c ed i s s i p a t i o n sr a t e k i n e m a t i c v i s c o s i t y e d d yv i s c o s i t v v o r t i c i y s p e c i f i cd i s s i p a t i o nr a t e ( k ) v o nk a r m a nc o n s t a n t d e n s i t y r e y n o l d s s t r e s s w a l ls h e a rs t r e s s 时；q 黪 h s 。】 ：】 取g m j 】 t u r b d e mp r a n d t ln u m b e ri nt r a n s p o r te q u a t i o nf o rk 】 t u r b u l e mp r a n d t ln u m b e ri nt r a n s p o ne q u a t i o nf o r t u r b u l e n tp r a u d f ln u m b e r si nt r a n s p o r te q u a t i o nf o rm 【- hhh删hh爿h。=叫刚野嘲嗍hh础删删神hh n 1 【 器h盘硝描删刚料掰留洲黜哨h 砚 d岱q 口_ 五尼 钆白gcg厶no p p ，h y p胁地u、i蜥而w 仃 占 艿 扩 西 0 掌 8 l a b b r e v i a t i o n s c f d d c a d n s r a n s r e s s p s s s t 0 t h e r s d n o m e n c l r u r e c a s c a d es o l i d i t y d e v i a t i o na r l g l e b o u n d a r yl a y e rt h i c k n e s s b o u n d a r yl a y e rd i s p l a c e m e n tt h i c k n e s s k r o n e e k e rd e l t a b o u n a d r yl a y e rm o m e n t u m t h i c k n e s s a r b i t r a r yq u a l i t y s t a g g e ra n g l e i n l e ta n do u t l e ta n g l e c o m p u t a t i o n a lf l u i dd n a m i c s d o u b l ec i r c u l a ra r c d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e s r e y n o l d sn u m b e r b l a d e ss u c t i o ns i d e b l a d e sp r e s s u r es i d e s h e a rs t r e s st r a n s p o r t a tt h ei n l e tc o n d i t i o n w a l l d e g r e e h门叫咖h咖hn门 陋陋 陋 坠匹! 一型婴盟型盟坠m c 目a p t e r1 1 1i n t r o d u c t i o n i n t r o d u c t i o n t h e c u r i o s i t yt oi n v e s t i g a t ea n d n e e dt od e s c r i b et h ew o r l d s u r r o u n d i n gu s a r e k e yd e m e n t so f h u m a nn a t u r e d e s p i t et h ec o n t i n u o u sa d v a n c e m e n t si ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t h e m a r es t i l ls o m ea r e a st h a t w i l ln e v e rb e f u l l y u n d e r s t o o do r s a t i s f a c t o r y d e s c r i b e d f l u i dm e c h a n i c s ，i ng e n e r a l ，o rm o r ep o p u l a r l yn a m e d a e r o d y n a m i c s a n dm o r e s p e c i f i ct u r b u l e n t f l o w i so n eo f t h e s ea r e a s e v e nt h o u g hf l u i df l o wi sg o v e r n e db yas p e c i f i cs e to fp a r t i a ld i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s ( p d e ) ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et u r b u l e n tm o t i o na r en o tu n i q u e l yd e f i n e d a c c o r d i n gt o 1 ，t h en a t u r e o f t u r b u l e n c ec a l lb ec h a r a c t e r i z e db yt h ef o l l o w i n g ： t u r b u l e n tf l o wi si r r e g u l a ra n do n eh a st or e l y0 1 1s t a t i s t i c a lm e t h o d s t o d e s c r i b et h eb e h a v i o r h i 曲l e v e l so f t u c t u a t i n gv o r t i c i 9i nt h r e ed i m e n s i o n sg i v i n gr i s et o t h ev o r t e xs t r e t c h i n gm e c h a n i s m t u r b u l e n c ei saf e a t u r eo faf l o wo fac o n t i n u u m t h es m a l l e s tl e n g t h s c a l e sa r ef a rg r e a t e rt h a nt h em o l e c u l a rc o u n t e r p a r t s t h ei n s t a b i l i t i e si nat u r b u l e n tf l o wo c c u ra th i g hr e y n o l d sn u m b e r s t ob et u r b u l e n t t h ef l o wh a st oe x h i b i td i f f u s i v ee f f e c t sw h i c hc a u s e s r a p i dm i x i n g a n di n c r e a s e dr a t e so f e g h e a t t r a n s f e r w i t h o u tac o n t i n u o u sf e e do fe n e r g y ，t h et u r b u l e n c er a p i d l yd i e so u t t h i si sd u et ot h ed i s s i p a t i v en a t u r eo ft h ef l o w f o re n g i n e e r i n gf l o wp r e d i c t i o n s ，t h em e a nf l o wf i e l di so b t a i n e dt h r o u g h s o l u t i o no f t h e ( r a n s ) r e y n o l d sa v e r a g e dn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n s t h e s ee q u a t i o n s c o n t a i nt h er e y n o l d ss t r e s st e n s o rt h a th a st ob ed e s c r i b e dt h r o u g ht u r b u l e n c e m o d e l i n g t h ea i m o ft h i st y p eo f m o d e l i n gi st oc o n s t r i c t ac l o s e ds e to fd i f f e r e n t i a l 垫! ：曼b ! 匝b q 立堕! i q n a n da l g e b r a i cr e l a t i o n sf r o mw h i c ht h er e y n o l d ss t r e s st e n s o r ，a n dt h e r e b yt h em e a r l f l o w , c a nb ed e t e r m i n e d t h e c o m p l e x i t yo f t h ec o m p l e t es e to f m o d e le q u a t i o n sf o rt h em e a nf l o wa n d t u r b u l e n c eq u a n t i t i e sc a nb e c o n s i d e r a b l e ，d e p e n d i n go n t h ec h o i c eo fl e v e lo f m o d e l s s e v e r a lb o o k sa n dr e v i e w p a p e m o nt h i st o p i ch a v e a p p e a r e dr e c e n t l y 【2 ，3 】 1 2t u r b u l e n tf l o wa n dt u r b u l e n c e m o d e l i n g f r o ma ne n g i n e e r i n gs t a n o 咄t u r b u l e n tf l o wt a i lt o n g m yb ed i v i d e di n t o g r o u p s f o r t h ef i r s tg r o u p ，t u r b u l e n c e m o d e l i n g i sn o tc r i t i c a l ，o rs t a n d a r dm o d e l sa r e a d e q u a t et o o b t a i nn u m e r i c a lr e s u l t so rs u f f i c i e n t a c c u r a c y 1 1 1 es e c o n dg r o u pi s d o m i n a t e d b y t h ei n f l u e n c eo f t u r b u l e n c e ，a n dn u m e r i c a ls o l u t i o n sw i l ls h o was 打o n g d e p e n d e n c yo nt h es p e c i f i c so ft h em o d e l su s e di ns i m u l a t i o n s o fc o n r s e ，t h e ya r e m a n yf l o w sw h i c hf a l i b e t w e e nt h e s et w oe x t r e m e s h o w e v e r ，i ti s i m p o r t a n tt o e m p h a s i z e t h a tt h es t a n d a r dm o d e l sl i k et h ek 一m o d e la r eu s e dv e r ys u c c e s s f u i l yi n t h ep r e d i c t i o no fm a n yi n d u s t r i a lf l o w so nad a yt o d a yb a s i s ，i ti sn a t u r a lt h a t p u b l i c a t i o no nt u r b u l e n c em o d e l sc o n c e n t r a t eo nd e f i c i e n c i e so f e 姬s t i n gm o d e l sa n d p r o p o s em o d i f i c a t i o n so re n t i r e l yn e wc o n c e p t st oi m p r o v et h ep r e d i c t i v ec a p a b i l i t i e s o f 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 ) m e t h o d s t h ev a s tm a j o r i t yo fi n d u s t r i a lc o m p u t a t i o n s t o d a ya r eb a s e do nt h ek - sm o d e l b yj o n e s & l a u n d e r 【4 ，j u s ta st h e yw e r et e ny e a r sa g o t h i si sp a r t l yb e c a u s et h e r ei s g e n e r a l l yn o tal a r g ev a r i e t yo fm o d e l sa v a i l a b l ei nt h ec o d e s ，b u ta l s od u et ot h e e x p e n s i v ec a l i b r a t i o ne f f o r tr e q u i r e db e f o r eam o d e lc a l lb eu s e dw i t hc o n f i d e n c e p r o g r e s si ni n d u s t r i a lt u r b u l e n c em o d e l i n gi st h e r e f o r es i g n i f i c a n t l ys l o w e rt h a no n e m i g h t i n f e rf r o mt h e l a r g en u m b e ro fp u b l i c a t i o no n t h es u b j e a t h o w e v e r ，o v e rt h ey e a r s ，n u m e r o u sm o d i f i c a t i o n st oe x i s t i n gm o d e l sa sw e l l a se n t i r e l yn e w c o n c e p 培h a v eb e e ni n t r o d u c e di no r d e rt oo v e z u o m et h em o s tl i m i t i n g f e a t u r e so ft h ek - s m o d e l m a n y f l o wd e v i c e sa r ed e s i g n e dt oa v o i df l o ws e p a r a t i o n a n dt h ei n a b i l i t yo ft h ek - sm o d e lt o p r o p e r l yp r e d i c ts e p a r a t i o ni sn o tr e s t r i c t i v e h o w e v e r , t h e r ea r ean u m b e ro f a p p l i c a t i o n sw h e r ef l o ws e p a r a t i o ni sc r u c i a lt ot h e p e r f o r m a n c ea n ds a f e t ye v a l u a t i o no f ad e v i c ea n d 也e nt h ek 8m o d e lc a n n o tb eu s e d s i n c en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n si n v o l v i n gt u r b u e n c e m o d e l i n gf o c u so nf l o w sw i t h 2 h 工亘建! 垃蜒q q 姓! 殴醚 a d v e r s e p r e s s u r eg r a d i e n t s a n db o u n d a r y l a y e rs e p a r a t i o n i tm a yt h e r e f o r e b e i n s i g h t f u l t od i s c u s ss o m eo ft h e p h y s i c a lp h e n o m e n at h a t a r ea s s o c i a t e dw i t h s e p a r a t e df l o w s 1 3p h y s i c so f s e p a r a t e d f l o w s al o o ki n t ot h ep h y s i c so f s e p a r a t i o ni sn e c e s s a r y w h i l et h ec u r r e n tw o r ki s n o ta s t u d y o ft h ep r o c e s so r p h y s i c so fs e p a r a t i o n ，k n o w l e d g eo f t h ep h y s i c so fw h a t i st r y i n gt ob es i m u l a t e dw i l lb e h e l p f u l s i m p s o nh a sp e r i o d i c a l l yr e v i e w e dt h et o p i co fs e p a r a t e df l o wo v e rt h ey e a r s 5 ，【6 ， 7 】，a n d 【8 p r o v i d i n gah i s t o r yo f t h eu n d e r s t a n d i n go ft u r b u l e n ts e p a r a t e d f l o w s e p a r a t i o ni s t h et e r mu s e dt od e s c r i b et h ee n t i r ep r o c e s si nw h i c haf l o w d e t a c h e sf r o mas o l i d s u r f a c e ，c a u s i n g ab r e a k d o w no ft h e b o u n d a r yl a y e r s i n c o m p r e s s o r t h eb o u n d a r yl a y e r sa r et y p i c a l l yt h i i la n dt h el a y e rg e t st h i n n e rw i t ht h e i n c r e a s ei nr e y n o l d sn u m b e ro f t h ef l o w s i n c et h eb o u n d a r y l a y e ra tt h ei n l e ts t a g eo f ac o m p r e s s o ri sl a m i n a r t l l ef r i c t i o nl o s sf r o mv i s c o u si n t e r a c t i o nw i t ht h eb l a d e s u r f a c ei sl o w h o w e v e r ，i ti sm o r el i k e l yf o ral a m i n a rb o u n d a r yl a y e rt o s e p a r a t e w h e ni te n c o u n t e r sa r e g i o no fa d v e r s ep r e s s u r eg r a d i e n t at u r b u l e n tb o u n d a r y a v e r w i l lh a v eh i g h e rv i s c o u sl o s sc o m p a r e dt oal a m i n a ro n eb u th a sf e w e rt e n d e n c i e st o s e p a r a t e h g 1 1 ：n a 扭r co f b o u n d a r yl a y e rs e p a r a t i o no nb l a d e 9 3 丛工星基i型芏殴q 堕卫q m b l a d el o a d i n gi saf a c t o rt h a tc a nc a u s ear e g i o no fa d v e r s ep r e s s u r eg r a d i e n t t oe x i s ta tt h et r a i l i n ge d g eo f c o m p r e s s o r b l a d e so nt h es u c t i o ns u r f a c e t h ea d v e r s e p r e s s u r eg r a d i e mm a y c a u s et h eb o u n d a r yl a y e rt os e p a r a t e o n c et h eb o u n d a r yl a y e r s e p a r a t e dt h e r ee x i s tar e g i o no f b a c kf l o w d e p e n d i n g o nt h el o c a t i o na n dn a t u r eo f t h ef l o ws e p a r a t i o n ，t h es e p a r a t e df l o wm a yr e a t t a c hi t s e l fo n t ot h eb l a d es u r f a c e t h i se n c l o s e dr e g i o ni sas e p a r a t i o nb u b b l ef i g u r e1 1 a f t e rr e a t t a c b a n e n tt h ef l o w b e c o m e sf u l l yt u r b u l e n ta n dt h e b o u n d a r yl a y e rw i l ls e p a r a t en e a rt h et r a i l i n g e d g e w h e nt h i sp r o c e s so c c u r s ，t