基于cfx計(jì)算的離心壓縮機(jī)整級(jí)全流道流場(chǎng)分析-王維民

1、國(guó)家自然自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51135001）國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB026000）通訊作者：王維民，男，副教授，wwmbuct@基于CFX計(jì)算的離心壓縮機(jī)整級(jí)全流道流場(chǎng)分析[劉賓賓1王維民1張婭1吳炯2][1北京化工大學(xué)高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京1000292華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安710065][摘摘摘摘要要要要]離心式壓縮機(jī)是壓縮和輸送能源和化工生產(chǎn)中各種氣體的關(guān)鍵設(shè)備，在整套裝置

2、中占有極其重要的地位。近年來(lái)，葉輪兩側(cè)間隙內(nèi)流體流動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子的激勵(lì)作用成為影響壓縮機(jī)性能進(jìn)一步提升的重要因素。本文充分考慮了離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過程中的多個(gè)影響因素，建立離心壓縮機(jī)整級(jí)全流道流體動(dòng)力學(xué)分析模型，包括密封間隙和輪盤輪蓋兩側(cè)間隙內(nèi)的流場(chǎng)區(qū)域，計(jì)算分析離心壓縮機(jī)內(nèi)部一次流及二次流流場(chǎng)分布。通過該模型，分析二次流對(duì)一次流的干擾作用，并且根據(jù)葉輪兩側(cè)間隙內(nèi)的流場(chǎng)，分析間隙內(nèi)的壓力分布，更準(zhǔn)確的計(jì)算葉輪的氣動(dòng)推力。本文成果可為改進(jìn)離心壓縮機(jī)

3、設(shè)計(jì)和優(yōu)化壓縮機(jī)性能，提高運(yùn)行效率及穩(wěn)定性提供技術(shù)基礎(chǔ)。[關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞]離心壓縮機(jī)整級(jí)數(shù)值模擬二次流InvestigationontheFlowFieldinAllChannelofaCentrifugalCompressStageBasedonCFX[BinbinLiu1WeiminWang1YaZhang1JiongWu2][Abstract]Centrifugalcompressiskeyequipmentfenerg

4、ychemicalproductiontocompresstransptprocessgas.Inrecentyearsitisfoundthattheinfluenceofflowwithinthetwosidesofimpellerclearancetobeanmeimptantfacttopreventimprovingtheperfmanceofcentrifugalcompress.Thispaperhasfullyconsi

5、deredmultiplefactsaffectingcentrifugalcompressperfmanceestablishedfluiddynamicsanalysismodelofallchannelfwholestageofcentrifugalcompress，includingsealclearancecavitiesftwosidesofimpeller.Thenthefielddistributionofprimary

6、secondaryflowwasanalyzed.Bythismodel，wecananalysistheexcitingeffectofsecondaryflow.Alsowecangetthepressuredistributioninsidethespaceofbothimpellersidesclearance.Thiswillhelptocalculateimpellerpneumaticthrustmeaccurately.

7、Theresultsofthispapermaycontributetoimprovecentrifugalcompressdesignoptimizationofcompressperfmance.Italsoprovidedtechnicalbasisfimprovingtheoperationefficiencystabilityofcentrifugalcompresss.[Keywd]centrifugalcompressal

8、lchannelnumericalsimulationsecondaryflow1引言引言引言引言隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于葉輪機(jī)械的研發(fā)過程中。數(shù)值模擬的方法將理論分析與試驗(yàn)研究聯(lián)系在一起，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸成為研究壓縮機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)的重要手段。目前國(guó)內(nèi)很多離心壓縮機(jī)制造和研究單位都運(yùn)用了CFD技術(shù)，建立了離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)模型[12]，甚至有學(xué)者采用CFD技術(shù)對(duì)多級(jí)離心壓縮機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行

9、了數(shù)值模擬[3]。朱明正[4]采用CFD技術(shù)設(shè)計(jì)葉輪葉片形狀，通過對(duì)葉輪流道的計(jì)算分析優(yōu)化國(guó)家自然自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51135001）國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB026000）通訊作者：王維民，男，副教授，wwmbuct@過對(duì)面網(wǎng)格進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作生成三維流場(chǎng)模型。整體三維模型通過切分，成為單獨(dú)的流場(chǎng)域，各流場(chǎng)域通過處理后就可以導(dǎo)入ANSYSCFX進(jìn)行組裝。a.盤側(cè)b.蓋側(cè)圖4葉輪盤側(cè)和蓋側(cè)密封圖5所示為NREC設(shè)計(jì)的葉輪

10、、彎道和回流器網(wǎng)格。圖5葉輪、彎道和回流器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有H型網(wǎng)格、O型網(wǎng)格、C型網(wǎng)格和混合型網(wǎng)格等。對(duì)高速葉輪機(jī)械中葉片邊緣尖銳小尺寸結(jié)構(gòu)如果采用O型和C型網(wǎng)格在前、后緣附近因?yàn)樾甭屎颓实膭×易兓瘯?huì)遇到計(jì)算困難在遠(yuǎn)離葉型的外邊界因?yàn)榫W(wǎng)格尺寸較大也會(huì)遇到計(jì)算困難H型網(wǎng)格就成為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的一種更好的選擇[89]。圖6所示為離心壓縮機(jī)整級(jí)全流道CFX模型，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為6920608，單元數(shù)為6355008。圖6CFX整級(jí)流道模型2.3邊界條

11、件首先設(shè)置流體模型（FluidModels），流體模型的傳熱模型設(shè)置為總能量模型（TotalEnergy），并包括考慮粘性。湍流模型選擇最常用的kε模型。邊界條件的設(shè)置對(duì)求解的成功有至關(guān)重要的影響。葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的邊界條件帶有普適性，都有上下端壁和葉片表面的絕熱，無(wú)滑移。進(jìn)出口邊界條件對(duì)計(jì)算穩(wěn)定性和收斂性影響來(lái)看，質(zhì)量流量邊界條件穩(wěn)定性最好，其次為總壓邊界。此處考慮采用入口為總壓、出口為質(zhì)量流量的進(jìn)出口邊界條件。3結(jié)果結(jié)果結(jié)果結(jié)果分析

12、分析分析分析對(duì)于離心壓縮機(jī)流場(chǎng)模擬，一般都忽略葉輪輪盤和輪蓋測(cè)間隙流的影響，尤其在需要計(jì)算壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸向推力時(shí)，往往是通過經(jīng)驗(yàn)公式，或者簡(jiǎn)化模型得到一個(gè)大致結(jié)果。本模型建立葉輪兩側(cè)間隙和密封部位流場(chǎng)，計(jì)算全流場(chǎng)模型，可以得到準(zhǔn)確的葉輪兩側(cè)壓力分布，然后積分得到葉輪所受的軸向推力。圖7所示為該壓縮機(jī)整級(jí)的壓力分布，在給定入口壓力1.4MPa，出口質(zhì)量流量為116.25kgs，轉(zhuǎn)速8600rpm時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，葉輪出口平均壓力為1.7015M