CN105134659B - 基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法 - Google Patents
基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法。合理的弯道设计能提升离心压缩机的整体运行效率。本发明的步骤：模拟离心压缩机模型级内的流动物理参数；根据弯道各位置能量梯度函数值的大小，找到弯道内流动最不稳定的位置，将弯道的后半段圆弧形子午型线改进成直角导角形子午型线，直角导角形子午型线包括圆弧段及分别与圆弧段两端连接的两条直线段；重新计算弯道流动最不稳定位置的能量梯度函数值，优化出弯道的直角导角子午线的圆弧段最佳半径。本发明通过对比弯道直角导角子午型线的圆弧段在不同半径下弯道内部能量梯度函数值确定最优的子午型线；改进后的弯道可减小弯道内的不稳定流动，也会改善回流器内的流动不稳定性。
Description
技术领域
本发明属于通风设备技术领域，具体涉及一种基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法。
背景技术
叶轮机械在国民经济尤其是整个重工业体系中占有十分重要的地位。与此同时，叶轮机械的使用所耗能量也是巨大的，因此，提高叶轮机械的效率，扩大其运行范围，提高运行的安全和可靠性对提高我国工业发展水平方面具有重要的意义。
离心压缩机是叶轮机械中的一种，在国民经济中发挥重要作用。它作为一种能量转换装置，其主要通过叶轮的旋转，从而带动叶轮流道内气体的运动，把原动机的机械能转化为气体的能量。离心压缩机因为受旋转、曲率及粘性等诸多因素的影响及相互作用而使其内部流动表现为相当复杂的非定常、有粘性的三维湍流流动。稳定性是离心压缩机的工作特性之一。弯道区域是离心式压缩机一个级内扩压器和回流器的连通部件,它对压缩机效率的影响是很大的。试验研究结果表明，从扩压器流出的气体，气流紊乱，在经过弯道进入回流器前，即可使压缩机效率下降5％。可见弯道部分对离心压缩机的总性能中起着很大的作用。因此，合理的弯道设计能使得离心压缩机的整体运行效率有较大的提升。
发明内容
本发明的目的是针对现有研究的不足，提供一种基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法。
本发明的具体步骤如下：
步骤1、模拟离心压缩机模型级内的流动物理参数；
步骤2、计算离心压缩机模型级的弯道内部流场的能量梯度函数值K，具体计算过程如下：
根据能量梯度理论，离心压缩机模型级内的能量梯度函数值K的计算公式为：
式(1)中，为流体总压，p为流体静压；k为空气的比热容，通常取1.4；Ma为气流的马赫数；n为流体流动的法线方向，s为流体流动的流线方向；H为流体的能量损失；
流体在离心压缩机模型级弯道内的流动属于压力驱动流动，其和的计算如下：
其中：α表示弯道内流体在x方向的速度与流体速度矢量之间的夹角。
表示P在x方向的一阶偏导，表示P在y方向的一阶偏导，表示U在x方向的一阶偏导，表示U在y方向的一阶偏导，表示μ在x方向的一阶偏导，表示μ在y方向的一阶偏导，表示α在x方向的一阶偏导，表示α在y方向的一阶偏导，表示U在x方向的二阶偏导，表示U在y方向的二阶偏导，表示U关于x、y的混合偏导；x、y为直角坐标系的两个坐标轴。
步骤3、根据弯道各位置能量梯度函数值K的大小，找到弯道内流动最不稳定的位置，将弯道对称设置的后半段圆弧形子午型线改进成直角导角形子午型线，直角导角形子午型线包括圆弧段及分别与圆弧段两端连接的两条直线段；重新计算弯道流动最不稳定位置的能量梯度函数值K，优化出弯道的直角导角子午线的圆弧段最佳半径。
步骤1所述的离心压缩机模型级内的流动物理参数的具体模拟过程如下：
采用CFD(计算流体动力学)对离心压缩机模型级内的流动进行数值模拟，模拟过程中控制方程采用定常三维可压缩的雷诺平均纳维-斯托克斯方程和连续性方程，同时使用Spalart-Allmaras湍流模型(单方程湍流模型)计算离心压缩机模型级内的流动；网格采用结构化的网格，并利用有限体积法对结构化网格下的控制方程在空间上进行离散；然后，在计算域上施加边界条件，进行模拟计算，得到离心压缩机模型级内整个流场的物理参数，包括气流速度、总温、压强和湍流粘度。所述计算域上施加的边界条件为：入口边界条件设定的是总温、总压入口，出口边界条件设定的是质量流量出口。
步骤3所述的优化出弯道直角导角子午型线的圆弧段最佳半径，确定最佳半径的标准如下：在该半径下的弯道直角导角子午型线，使得弯道内流动最不稳定位置的能量梯度函数值K最小，稳定性能最优，则该半径为最佳半径。
本发明具有的有益效果如下：
本发明利用CFD技术和能量梯度理论，通过对比弯道直角导角子午型线的圆弧段在不同半径下弯道内部能量梯度函数值K的大小，来确定最优的子午型线；改进后的弯道可以减小弯道内部的不稳定流动，也会改善回流器内部的流动不稳定性，进而提升离心压缩机模型级运行的效率和稳定性，并且针对基于能量梯度理论的分析结果来优化设计模型，能有效缩减优化流程，给设计带来极大的方便。
附图说明
图1为本发明计算弯道内部流场的能量梯度函数公式中各物理量几何关系图；
图2为本发明的弯道子午型线改进前后对比图；
图3为本发明中弯道直角导角子午型线的圆弧段半径为35mm时离心压缩机整级的多变效率随流量系数变化与原模型的多变效率随流量系数变化对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法，具体步骤如下：
步骤1、模拟离心压缩机模型级内的流动物理参数；
步骤2、计算离心压缩机模型级的弯道内部流场的能量梯度函数值K，具体计算过程如下：
根据能量梯度理论(参见论文《Mechanism of Flow Instability andTransition to Turbulence》，窦华书，International Journal of Nonlinear Mechanics期刊，2006年，5卷41期)，离心压缩机模型级内的能量梯度函数值K的计算公式为：
式(1)中，为流体总压，p为流体静压；k为空气的比热容，通常取1.4；Ma为气流的马赫数；n为流体流动的法线方向，s为流体流动的流线方向；H为流体的能量损失；
流体在离心压缩机模型级弯道内的流动属于压力驱动流动，其和的计算如下：
其中：α表示弯道内流体在x方向的速度v与流体速度矢量之间的夹角。
表示P在x方向的一阶偏导，表示P在y方向的一阶偏导，表示U在x方向的一阶偏导，表示U在y方向的一阶偏导，表示μ在x方向的一阶偏导，表示μ在y方向的一阶偏导，表示α在x方向的一阶偏导，表示α在y方向的一阶偏导，表示U在x方向的二阶偏导，表示U在y方向的二阶偏导，表示U关于x、y的混合偏导。
步骤3、根据弯道各位置能量梯度函数值K的大小，找到弯道内流动最不稳定的位置，将弯道对称设置的后半段圆弧形子午型线改进成直角导角形子午型线，直角导角形子午型线包括圆弧段及分别与圆弧段两端连接的两条直线段；重新计算弯道流动最不稳定位置的能量梯度函数值K，优化出弯道的直角导角子午线的圆弧段最佳半径。
步骤1所述的离心压缩机模型级内的流动物理参数的具体模拟过程如下：
采用CFD(计算流体动力学)对离心压缩机模型级内的流动进行数值模拟，模拟过程中控制方程采用定常三维可压缩的雷诺平均纳维-斯托克斯方程和连续性方程，同时使用Spalart-Allmaras湍流模型(单方程湍流模型)计算离心压缩机模型级内的流动；网格采用结构化的网格，并利用有限体积法对结构化网格下的控制方程在空间上进行离散；然后，在计算域上施加边界条件，进行模拟计算，得到离心压缩机模型级内整个流场的物理参数，包括气流速度、总温、压强和湍流粘度。所述计算域上施加的边界条件为：入口边界条件设定的是总温、总压入口，出口边界条件设定的是质量流量出口。
步骤3所述的优化出弯道直角导角子午型线的圆弧段最佳半径，确定最佳半径的标准如下：在该半径下的弯道直角导角子午型线，使得弯道内流动最不稳定位置的能量梯度函数值K最小，稳定性能最优，则该半径为最佳半径。
如图2所示，当弯道外壁半径为54.37mm时，计算弯道内部各位置的能量梯度函数值K，发现弯道外壁附近气流不稳定。将弯道对称设置的后半段圆弧形子午型线改进成直角导角形子午型线，分别取弯道直角导角子午型线的圆弧段半径为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm和40mm进行数值模拟，结果表明，当直角导角子午型线的圆弧段半径取5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm和35mm逐渐变大时，弯道内部特别是弯道外壁面附近的能量梯度函数值K逐渐减小，说明流动稳定性增加；但直角导角子午型线的圆弧段半径增加到35mm后，再继续增加，改进后弯道的子午型线与原模型相比，内部能量梯度函数值K改进不明显，所以直角导角子午型线的圆弧段半径取35mm为最佳。如图3所示，直角导角子午型线的圆弧段半径为35mm时离心压缩机整级的多变效率较原模型有了显著提升。
Claims (1)
1.基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：
步骤1、模拟离心压缩机模型级内的流动物理参数；
步骤2、计算离心压缩机模型级的弯道内部流场的能量梯度函数值K，具体计算过程如下：
根据能量梯度理论，离心压缩机模型级内的能量梯度函数值K的计算公式为：
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式(1)中，为流体总压，p为流体静压；k为空气的比热容，通常取1.4；Ma为气流的马赫数；n为流体流动的法线方向，s为流体流动的流线方向；H为流体的能量损失；
流体在离心压缩机模型级弯道内的流动属于压力驱动流动，其和的计算如下：
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表示P在x方向的一阶偏导，表示P在y方向的一阶偏导，表示U在x方向的一阶偏导，表示U在y方向的一阶偏导，表示μ在x方向的一阶偏导，表示μ在y方向的一阶偏导，表示α在x方向的一阶偏导，表示α在y方向的一阶偏导，表示U在x方向的二阶偏导，表示U在y方向的二阶偏导，表示U关于x、y的混合偏导；x、y为直角坐标系的两个坐标轴；
步骤3、根据弯道各位置能量梯度函数值K的大小，找到弯道内流动最不稳定的位置，将弯道对称设置的后半段圆弧形子午型线改进成直角导角形子午型线，直角导角形子午型线包括圆弧段及分别与圆弧段两端连接的两条直线段；重新计算弯道流动最不稳定位置的能量梯度函数值K，优化出弯道的直角导角子午线的圆弧段最佳半径；
步骤1所述的离心压缩机模型级内的流动物理参数的具体模拟过程如下：
采用计算流体动力学对离心压缩机模型级内的流动进行数值模拟，模拟过程中控制方程采用定常三维可压缩的雷诺平均纳维-斯托克斯方程和连续性方程，同时使用Spalart-Allmaras湍流模型计算离心压缩机模型级内的流动；网格采用结构化的网格，并利用有限体积法对结构化网格下的控制方程在空间上进行离散；然后，在计算域上施加边界条件，进行模拟计算，得到离心压缩机模型级内整个流场的物理参数，包括气流速度、总温、压强和湍流粘度；所述计算域上施加的边界条件为：入口边界条件设定的是总温、总压入口，出口边界条件设定的是质量流量出口；
步骤3所述的优化出弯道直角导角子午型线的圆弧段最佳半径，确定最佳半径的标准如下：在该半径下的弯道直角导角子午型线，使得弯道内流动最不稳定位置的能量梯度函数值K最小，稳定性能最优，则该半径为最佳半径。
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