車用軸流渦輪葉輪間隙流動(dòng)的數(shù)值研究

王楠

摘 要：應(yīng)用數(shù)值方法對(duì)設(shè)計(jì)的車用燃?xì)廨啓C(jī)的軸流渦輪結(jié)構(gòu)及性能影響作了分析，研究位置分別為葉尖、葉中、葉根。計(jì)算結(jié)果表明：軸流渦輪是在亞音速流場(chǎng)內(nèi)工作，沒(méi)有激波產(chǎn)生，也沒(méi)有不合理的流動(dòng)現(xiàn)象和很大的流動(dòng)損失，它能較好地運(yùn)轉(zhuǎn)在工況點(diǎn)上。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);軸流渦輪;數(shù)值模擬

Abstract： With the numerical methods， the axial flow turbines structure and properties is analyzed， the study locations are the tip， the middle， and the root. The result shows that： the axial turbine is working in subsonic flow field and produces no shock， no very unreasonable flow phenomena and large flow losses， it is better to run on the operating point.

前言

研究車用軸流渦輪內(nèi)部的流場(chǎng)和運(yùn)轉(zhuǎn)情況時(shí)，必須建立流動(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型。目前這些模型都是根據(jù)質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒定律推導(dǎo)出的連續(xù)方程、Navier-Stokes方程以及能量守恒方程來(lái)計(jì)算的，它們是現(xiàn)在描述流體流動(dòng)最常用的控制方程組。在數(shù)值模擬渦輪內(nèi)部流場(chǎng)時(shí)，多采用的是將雷諾平均的Navier-Stokes方程組與各種湍流模型相結(jié)合來(lái)求解的方法，所以正確選擇湍流模型十分重要。本文計(jì)算所采用的湍流模型是S-A模型，由于流體是連續(xù)的，計(jì)算機(jī)的計(jì)算模擬必須是離散數(shù)據(jù)，所以需要將控制方程組的空間和時(shí)間離散，采用時(shí)間項(xiàng)的四階Runge-Kuta迭代法，使用專業(yè)流體計(jì)算軟件NUMECA的IGG/AutoGrid模塊中專門針對(duì)葉輪機(jī)械的三種網(wǎng)格剖分形式的功能，和能夠加速計(jì)算的完全多重網(wǎng)格方法（FMG），以及FINE/Turbo模塊中的初始條件、邊界條件的給定形式等有關(guān)內(nèi)容，為車用軸流渦輪進(jìn)行CFD計(jì)算和分析做出理論指導(dǎo)和依據(jù)。[1]

1 數(shù)值計(jì)算方法

針對(duì)設(shè)計(jì)的車用軸流渦輪建立湍流模型對(duì)于研究粘性流場(chǎng)在近壁面附近的流動(dòng)細(xì)節(jié)有很大的影響，采用S-A模型，這樣可以獲得較好的模擬計(jì)算效果。[2]

計(jì)算網(wǎng)格使用NUMECA的FINE/Turbo軟件包中的IGG模塊劃分。IGG是一種交互式的網(wǎng)格生成器，對(duì)于軸、徑流葉輪機(jī)械能夠生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。分析計(jì)算的渦輪的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用H-I型網(wǎng)格，具體網(wǎng)格分布及質(zhì)量數(shù)目為：

靜葉葉片：葉片到葉片方向?yàn)?3，輪緣到輪轂方向?yàn)?1，流線方向?yàn)榭偩W(wǎng)格數(shù)為129（進(jìn)口33，中間65，出口33），網(wǎng)格總數(shù)為174537。其最小正交性為10.15，最大長(zhǎng)寬比為1245.21，最大沿展比為3.51。

動(dòng)葉葉片：葉片到葉片方向?yàn)?3，輪緣到輪轂方向?yàn)?1，流線方向?yàn)榭偩W(wǎng)格數(shù)為129（進(jìn)口33，中間65，出口33），網(wǎng)格總數(shù)為174537。其最小正交性為13.78，最大長(zhǎng)寬比為1259.5，最大沿展比為3.58。

在計(jì)算過(guò)程中給定渦輪進(jìn)口和出口以及固壁的邊界條件。進(jìn)口邊界條件為給定葉輪進(jìn)口靜溫、質(zhì)量流量、絕對(duì)氣流角和渦流粘度，絕對(duì)氣流角采用速比的形式;出口邊界條件為給定的計(jì)算數(shù)據(jù);固壁邊界條件為固壁面取不滲透、無(wú)滑移、絕熱的邊界條件，轉(zhuǎn)速為38000 min/s。[7]

2 軸流渦輪CFD分析

3 結(jié)論

（1）分析軸流渦輪葉型沿葉片相對(duì)弦長(zhǎng)的方向上靜壓的分布情況，無(wú)論是動(dòng)葉還是靜葉，在壓力面上的靜壓都是沿相對(duì)弦長(zhǎng)逐漸降低的，而在吸力面的相對(duì)弦長(zhǎng)后部都出現(xiàn)了擴(kuò)壓區(qū)。

（2）分析軸流渦輪葉型沿葉片相對(duì)高度方向上靜溫的分布情況，靜葉的靜溫隨著葉片相對(duì)高度的增加基本上是緩慢下降的，而動(dòng)葉在葉高的中間大部分區(qū)域靜溫都是平穩(wěn)的，而在兩端則變化劇烈。

（3）分析軸流渦輪極限流線分布情況，在靜葉的吸力面的中間葉高以上存在一條分離線而壓力面上的極限流線分布較為均勻，動(dòng)葉則在吸力面的根部上存在分離線且動(dòng)葉壓力面上在臨近葉尖區(qū)域流線偏向輪緣，這主要是由于葉尖泄漏流動(dòng)造成的，在動(dòng)葉輪轂面上，由于存在從壓力面指向吸力面的壓力梯度，導(dǎo)致了流線由壓力面偏向吸力面。

（4）分析軸流渦輪速度矢量分布情況，對(duì)于極限流線，無(wú)論是葉尖處速度矢量還是中間葉高處速度矢量其速度沿流道分布都比較合理。

（5）分析渦輪中間葉高尾緣的速度情況，動(dòng)葉靜葉在尾緣處均出現(xiàn)兩個(gè)小回流區(qū)。

（6）分析軸流渦輪葉型沿葉片相對(duì)高度的方向上馬赫數(shù)的分布情況，靜葉出口絕對(duì)馬赫數(shù)沿葉高方向上規(guī)律是絕對(duì)馬赫數(shù)隨葉片標(biāo)準(zhǔn)高的增加而增加。動(dòng)葉出口的相對(duì)馬赫數(shù)在葉根和中部的總體趨勢(shì)是隨葉高的增加馬赫數(shù)也在增加，但在葉尖處的馬赫數(shù)先減小后增加。

（7）分析軸流渦輪云圖分布情況，靜壓在動(dòng)葉的壓力面的前部達(dá)到最大而在靜葉的吸力面的中部最小;相對(duì)馬赫數(shù)在靜葉的吸力面中部達(dá)到最大，在流場(chǎng)中沒(méi)有發(fā)生激波都是亞音速氣流。

（8）分析軸流渦輪二次流情況，無(wú)論是靜葉還是動(dòng)葉都在葉尖和葉根處出現(xiàn)兩個(gè)通道渦，且通道渦都是在壓力梯度

的作用下由壓力面向吸力面移動(dòng)，對(duì)于動(dòng)葉在葉尖處還產(chǎn)生了泄漏渦且后來(lái)和葉尖處通道渦相匯，形成一個(gè)較大的通道渦。

綜上所述，軸流渦輪是在亞音速流場(chǎng)內(nèi)工作，沒(méi)有激波產(chǎn)生，也沒(méi)有很不合理的流動(dòng)現(xiàn)象和很大的流動(dòng)損失，它能較好地運(yùn)轉(zhuǎn)在工況點(diǎn)上。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭澤琰，劉剛.航空燃?xì)廨啓C(jī)原理[M].國(guó)防工業(yè)出版社.2000.9.

[2] 萬(wàn)欣.燃?xì)馊~輪機(jī)械[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1987.8.

[3] Moustapha H. Zelesky M F.Baines N C. Axial and Radial Turbines [M].USA，Concepts NREC，2003.

[4] Hany Moustapha Mark F.Zelesky Nicholas C. Gaines David Japikse. Axial and Radial Turbines [M]. USA Concepts NREC Coprporate Headquarters 217 Billings Farm Road White River Junction， Vermont 05001-9486.

[5] 鄒滋祥.軸流透平級(jí)的幾何參數(shù)的最佳選擇—帶有各種約束條件的最佳設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).1982.21（3）：18-28.

[6] 沈維道，鄭佩芝，蔣淡安合編.工程熱力學(xué).第二版.北京：高等教育出版社，7983.

[7] H.Cohen，Gas Turbine Theory， London，1972.