姜晨龍，李恩達，朱興業(yè)*

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023)

不穩(wěn)定流動普遍存在于風(fēng)機、壓氣機、泵等旋轉(zhuǎn)機械偏工況運行條件下，不僅會造成大的能量損失，還會惡化流場，產(chǎn)生噪聲，甚至威脅轉(zhuǎn)子的使用壽命，造成葉輪葉片的損壞并會進一步誘發(fā)旋轉(zhuǎn)失速、喘振等惡性現(xiàn)象[1-2].MADHAVAN等[3]對壓力面流動分離引起的P型失穩(wěn)進行探討，指出壓力面失穩(wěn)是由于進口預(yù)旋等畸變現(xiàn)象所導(dǎo)致.王企鯤等[4]基于Jameson格式計算方法對離心風(fēng)機蝸殼內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，探究了蝸殼渦旋對能量特性的影響及流動損失機理.文獻[5-6]對離心風(fēng)機噪聲展開研究，提出葉片不均勻排列方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低噪聲.ZHANG等[7]對軸流風(fēng)機中相鄰異常葉片引起的失穩(wěn)現(xiàn)象進行探討，分析了失速工況下風(fēng)機葉片的應(yīng)力及變形分布.金東海等[8]對于低速風(fēng)機轉(zhuǎn)子區(qū)域的二次流進行探討，提出非軸對稱端壁來抑制橫向流動的發(fā)展及角區(qū)流動分離現(xiàn)象.ZHANG等[9]基于URANS方法計算了離心風(fēng)機近壁面不同監(jiān)測點的壓力脈動特性，通過頻譜分析確定非定常二次流及擾動的實時位置.目前國內(nèi)外學(xué)者對離心風(fēng)機研究主要集中于振動噪聲抑制和消除，對根源的探究仍較為匱乏，轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定流動特性是造成振動噪聲的根本原因，現(xiàn)有失穩(wěn)特性研究多針對轉(zhuǎn)子區(qū)域的脫流及二次流現(xiàn)象，很少針對葉輪進流面與轉(zhuǎn)子的匹配關(guān)聯(lián)性展開研究.

文中基于渦動力學(xué)，通過對轉(zhuǎn)子進流面流態(tài)及沖角的探究，進一步闡述風(fēng)機失穩(wěn)流動的機制，捕捉失穩(wěn)流道渦旋結(jié)構(gòu)及尺度,為抑制轉(zhuǎn)子失穩(wěn)提供一定的理論參考.

1 計算模型及仿真方法

1.1 計算模型

圖1為離心風(fēng)機的三維模型，離心風(fēng)機部件包括進口管、葉輪、蝸殼、前后腔體、出口管，各部件均采用Pro/E軟件三維建模并裝配.離心風(fēng)機性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為風(fēng)量QBEP=0.46 m3/s,全壓H=5 600 Pa,轉(zhuǎn)速n=7 000 r/min,葉輪內(nèi)徑D1=162 mm,葉輪外徑D2=210 mm，葉片高度b2=43 mm,葉片數(shù)Z=22,基圓直徑D3=220 mm.

圖1 離心風(fēng)機三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

運用ICEM軟件對離心風(fēng)機計算域的所有部件進行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖2所示.通過對葉片壁面進行網(wǎng)格加密，在近壁面邊界層布置10個節(jié)點數(shù)，并采用自動近壁面處理來滿足SSTk-ω湍流模型的適用性.基于在拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點位置不變前提下，通過改變節(jié)點數(shù)對離心風(fēng)機模型段進行網(wǎng)格無關(guān)性.當(dāng)全局網(wǎng)格數(shù)量接近414 萬時，靜壓、效率等特性變化極小，相對誤差在±2%以內(nèi)，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求，轉(zhuǎn)子區(qū)域y+分布特性如圖3所示.

圖2 離心風(fēng)機網(wǎng)格劃分

圖3 轉(zhuǎn)子區(qū)域y+分布特性

1.3 湍流模型及邊界條件

輸送介質(zhì)設(shè)為常溫、理想、不可壓縮氣體，進出口邊界條件分別設(shè)置為自由進流、質(zhì)量流量出流，參考壓力設(shè)置為1.01×105Pa.壁面采用無滑移邊界條件，各流域通過交界面相連接， 進出口管、前后腔體、蝸殼均設(shè)置為靜止域，葉輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，動靜交界面設(shè)置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子模式.采用CFX軟件對離心風(fēng)機進行全流場數(shù)值計算，以時均N-S方程作為基本控制方程，以標準SSTk-ω雙方程為湍流模型和連續(xù)性方程來使動量方程封閉，采用二階精度迎風(fēng)格式，計算收斂標準為10-4.對流項采用高分辨率格式，擴散項采用中心差分格式.

2 能量性能試驗驗證

為驗證數(shù)值計算結(jié)果的準確性，搭建試驗裝置系統(tǒng)來測量離心風(fēng)機的能量性能特性,如圖4所示.

圖4 離心風(fēng)機試驗裝置示意圖

數(shù)值計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果對比曲線如圖5所示，兩者趨勢基本一致.在設(shè)計工況下，數(shù)值預(yù)測和試驗結(jié)果的靜壓和效率的誤差分別為3.31%和2.72%，說明了數(shù)值計算的準確度較高.

圖5 離心風(fēng)機性能特性曲線

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)子非均勻流動特性

圖6為不同工況下離心風(fēng)機轉(zhuǎn)子區(qū)域流動特性，不同風(fēng)量下轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)流特性整體保持一致，近一半的流道中存在旋渦，流動分離效應(yīng)顯著，流速較低；而另一半流道內(nèi)的流動較為平穩(wěn)，流速相對較高.根據(jù)轉(zhuǎn)子流動特性，將轉(zhuǎn)子流道劃分為穩(wěn)流區(qū)、失穩(wěn)區(qū).其中部分失穩(wěn)流道中旋渦所裹挾的流體速度降至10 m/s以下，造成嚴重的能量耗散.大流量工況至小流量工況，失穩(wěn)流道中的旋渦尺度進一步擴大，畸變程度加劇.由于不同風(fēng)量下轉(zhuǎn)子區(qū)域的流動特性主要是旋渦尺度的擴大，并且1.0QBEP是離心風(fēng)機的主要運行工況，因此文中著重探究1.0QBEP葉輪流道失穩(wěn)機制.

圖6 不同工況下轉(zhuǎn)子區(qū)域流動特性

圖7為額定工況下離心式風(fēng)機不同截面下的速度分布云圖，其中截面Z1靠近葉片前緣，截面Z2為葉輪中部，截面Z3靠近葉片尾緣.首先觀察不同葉高下轉(zhuǎn)子區(qū)域流動特性.3種截面下葉輪區(qū)域的氣流速度皆成非均勻分布，靠近蝸殼流道及隔舌處的氣流速度明顯高于其他區(qū)域.

圖7 不同葉高下葉輪內(nèi)流特性

3個截面下的速度整體分布特性保持一致性，但不同葉高下氣流特性存在較大差異.截面Z1蝸殼隔舌附近區(qū)域出現(xiàn)大面積回流，在截面Z3轉(zhuǎn)子區(qū)域的氣流速度普遍低于30 m/s，不存在高速氣流區(qū).截面Z2氣流能夠得到充分發(fā)展，相較于其余兩截面，轉(zhuǎn)子區(qū)域的流動不均勻性最為突出，整體流速最高，不會出現(xiàn)截面Z1蝸殼隔舌附近區(qū)域的大面積回流，以及截面Z3氣流速度的不充分發(fā)展.因此葉輪中部截面的流動特性更能反映額定工況下離心風(fēng)機的流動形態(tài).

3.2 進流面流態(tài)與轉(zhuǎn)子區(qū)域流態(tài)的匹配性

由文中可知，截面Z2在轉(zhuǎn)子區(qū)域的速度呈現(xiàn)更為明顯的非均勻分布，所以針對0.5葉高下轉(zhuǎn)子截面進行進一步分析.圖8為轉(zhuǎn)子區(qū)域截面Z2的流動特性.由于該離心式風(fēng)機轉(zhuǎn)子具有22個葉片，因此將22個流道順時針劃分命名為Y1—Y22，如圖所示.Y5—Y15這11個流道風(fēng)速整體偏高，流動較為穩(wěn)定，屬于穩(wěn)流區(qū)；而Y1—Y4，Y16—Y22這11個流道截面普遍流速較低，并存在大范圍旋渦，屬于失穩(wěn)區(qū).其中Y1—Y3這3個流道，大尺度的渦旋已徹底堵塞了整個流道截面，并形成了渦心死水區(qū).同時比較堵塞流道的速度云圖，Y1—Y3的低速區(qū)已經(jīng)覆蓋了整個流道.故該3個流道是堵塞區(qū)流動分離、渦旋堵塞最為嚴重的流道.

圖8 截面Z2葉輪內(nèi)流特性

轉(zhuǎn)子區(qū)域的氣流特性往往與離心式風(fēng)機的進流品質(zhì)息息相關(guān)，而轉(zhuǎn)子區(qū)域的失穩(wěn)流動往往影響著風(fēng)機進流面流動的均勻性[10].圖9為轉(zhuǎn)子進流面非均勻流態(tài)分布.探討離心風(fēng)機進流面流動特性，并分別用壓力畸變強度、進流速度進行染色，其中壓力畸變強度DC為

(1)

式中：p為壓力，Pa；pmin為截面壓力最小值，Pa；pmax為截面壓力最大值，Pa.

圖9 轉(zhuǎn)子進流面非均勻流態(tài)分布

與轉(zhuǎn)子區(qū)域流動類似，離心風(fēng)機進流面速度、壓力也同樣呈非均勻分布，并呈現(xiàn)橫向速度、壓力差.截面左側(cè)壓力較低，速度較高；截面右側(cè)壓力較高，速度偏低.同時圖10a為進流面速度分布與葉輪流動特性的對應(yīng)關(guān)系，由圖可知，進流面高速區(qū)所對應(yīng)的葉輪流道處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，而進流面低速區(qū)所對應(yīng)的葉輪流道則處于流動失穩(wěn)狀態(tài).圖10b,10c能更好地展示進流不均勻性與葉輪流道流動的匹配性.圖10b為進流面高速區(qū)(v≥25 m/s)的流動特性，而圖10c為低速區(qū)(v≤20 m/s)的流動特性.由圖可知，進流面高速區(qū)流體流經(jīng)葉輪左側(cè)流道，對應(yīng)于穩(wěn)流區(qū)；而進流面低速區(qū)流體則流經(jīng)葉輪軸端區(qū)域，并經(jīng)過離心力的作用進入葉輪各個流道.

圖10 非均勻進流流態(tài)與轉(zhuǎn)子氣流特性匹配關(guān)系

由于離心風(fēng)機進流面與轉(zhuǎn)子區(qū)域流態(tài)的匹配關(guān)系，轉(zhuǎn)子區(qū)域的流動失穩(wěn)、渦旋堵塞現(xiàn)象往往是由于進流面的沖角激增所誘導(dǎo)的，同時進流面的非均勻流動分布往往也會誘導(dǎo)進流面沖角發(fā)生畸變，進而誘發(fā)轉(zhuǎn)子區(qū)域的非穩(wěn)定流動[11].圖11為離心風(fēng)機進流面沖角分布特性.沖角計算公式為

(2)

式中：u為軸向速度，m/s；v為速度，m/s，θ為葉片進口安放角，(°).

圖11 轉(zhuǎn)子進流面沖角分布特性

由圖11可知，當(dāng)36°

3.3 失穩(wěn)流道渦旋尺度與結(jié)構(gòu)

由圖8所知，額定工況下流道Y1—Y3的旋渦尺度最大，氣流速度降至最低，流道堵塞嚴重.因此文中選取這3個流道的渦旋作為研究對象，利用速度環(huán)量與切向速度對比為研究方法，對比3個流道渦旋的尺度，揭示渦旋與周圍氣流的干涉機理.定義各流道死水區(qū)速度最低點為渦核位置，流道Y1渦核如圖12所示，獲得各流道切向速度vt在半徑方向的分布，并能夠通過對比失穩(wěn)區(qū)3個流道vt分布特性，判斷渦旋堵塞流道程度及渦旋的具體尺度[12].其中3個流道的旋渦的切向速度計算公式為

(3)

式中：r表示以渦核為圓心的半徑，m；Г表示以r為半徑圓面的速度環(huán)量，m2/s.

圖12 Y1流道渦核位置

圖13展示了流道Y1—Y3切向速度的分布情況.其中流道Y1，Y2旋渦切向速度分布情況大致相同，而流道Y3切向速度明顯低于前兩個流道，因此流道Y3旋渦尺度不及流道Y1，Y2，而Y1，Y2旋渦尺度相當(dāng)，因此文中著重分析流道Y1的旋渦結(jié)構(gòu)及內(nèi)流特性.

圖13 失穩(wěn)流道切向速度分布

分別統(tǒng)計失穩(wěn)區(qū)堵塞流道Y1及穩(wěn)流區(qū)流道Y12的葉片靜壓分布及載荷特性，如圖14，15所示，其中l(wèi)ine1，line2對應(yīng)圖14中堵塞流道Y1葉片1，2中截面圓周交線的壓力分布，line3，line4對應(yīng)穩(wěn)流區(qū)葉片3，4.圖15中弦長系數(shù)λ計算公式為

λ=x/C，

(4)

式中：x為葉片表面弦向方向位置坐標；C為葉片總弦長.其中葉片進口邊對應(yīng)弦長系數(shù)為0，葉片出口邊對應(yīng)弦長系數(shù)為1.

相較于穩(wěn)流區(qū)的葉片壓力面、吸力面存在較大壓差，堵塞區(qū)葉片兩側(cè)的靜壓差距極小.堵塞流道葉片吸力面的靜壓整體提升明顯，靜壓提升達到4 kPa以上，同時壓力面靜壓也略有降低.從前緣至尾緣葉片兩側(cè)所產(chǎn)生的靜壓差都不及1 kPa，葉片前緣處葉片吸力面壓力甚至高于工作面，出現(xiàn)逆壓力梯度，葉片兩側(cè)負壓差的產(chǎn)生阻止氣流流入該流道，造成進一步的堵塞.伴隨著進流沖角的激增，部分流道吸力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)流動分離現(xiàn)象.伴隨著吸力面?zhèn)让摿鳜F(xiàn)象，進一步誘發(fā)形成吸力面阻力上升、壓力面升力下降現(xiàn)象，造成葉片兩側(cè)壓差過小，進而誘發(fā)做功能力下降、升力不足等現(xiàn)象.

圖14 轉(zhuǎn)子監(jiān)測點位置

圖15 葉片兩側(cè)靜壓分布特性

堵塞區(qū)所對應(yīng)的進口沖角遠高于穩(wěn)流區(qū)，沖角的激增迫使吸力面流體偏離葉片表面流動，導(dǎo)致葉片兩側(cè)靜壓差衰減，進而誘發(fā)翼型升力不足現(xiàn)象，在流道內(nèi)形成大面積渦旋.

圖16為流道Y1渦旋的流動特性，其中截取了流道Y1 6個軸截面的旋渦強度分布(TKE>30).由圖可知，流道Y1存在3種明顯的渦旋結(jié)構(gòu)，分別命名為V1，V2，V3.其中旋渦V1沿弦長方向其湍動能強度逐漸減弱，而V2，V3恰好相反，在流道后緣湍動能強度最大.

圖16 流道Y1渦旋強度分布

針對V1，V2，V3的旋渦結(jié)構(gòu)，分別截取不同截面處的渦核，其中渦核位置為截面湍動能最大值所對應(yīng)點.同時分別做出流經(jīng)V1，V2，V3旋渦結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的流動軌跡，并做出經(jīng)過渦核的三維流線代表被渦旋所裹挾的流體，如圖17所示.

由圖17可知，V1，V3這2種旋渦結(jié)構(gòu)流動方式基本一致， V1，V3高湍動能區(qū)周圍流體共同組成失穩(wěn)堵塞流道外緣的大尺度回轉(zhuǎn)渦旋結(jié)構(gòu).由于過小的壓力梯度，氣流無法順利流出轉(zhuǎn)子區(qū)域，大面積回轉(zhuǎn)旋渦所裹挾的氣流流向大規(guī)模發(fā)生偏折，流動軌跡發(fā)生突變的位置分別位于葉片1吸力面?zhèn)燃叭~片2壓力側(cè)，分別對應(yīng)于V1，V3高湍動能區(qū)域.而渦旋V2所裹挾的氣流由于在轉(zhuǎn)子后緣大量堆積，受到卷吸作用影響，形成由后緣至前緣的螺旋式回流結(jié)構(gòu)，并有回流至下一流道，干擾下游流態(tài)的趨勢.由于后緣氣流的大范圍堆積，流道出口氣流流動分離、湍流耗散嚴重，氣流流向發(fā)生嚴重畸變，而回流至流道前緣時，僅呈現(xiàn)小角度的流向改變，因而渦旋V2所對應(yīng)的湍動能由后緣向前緣逐漸減弱.綜上，堵塞流道中的渦旋結(jié)構(gòu)包括了環(huán)繞在外緣的大尺度回轉(zhuǎn)旋渦以及由后緣至前緣的螺旋式回流渦旋.

4 結(jié) 論

1) 進流面流態(tài)非均勻分布特性與轉(zhuǎn)子內(nèi)流特性有較強匹配性.進流面高速氣流僅僅沖刷位于葉輪穩(wěn)流區(qū)流道，氣流速度、過流能力較強；而進流面低速氣流流經(jīng)葉輪軸端區(qū)域后，經(jīng)由離心力的作用流入轉(zhuǎn)子各個流道.

2) 進流沖角的激增加劇了葉片吸力面?zhèn)鹊牧鲃臃蛛x現(xiàn)象.伴隨著吸力面?zhèn)鹊拇罅棵摿?，葉片兩側(cè)壓差隨之減小，造成升力不足、做功能力下降等特性，并進一步形成完全堵塞流道的氣流渦團.

3) 在環(huán)繞在外緣的大尺度回轉(zhuǎn)旋渦以及由后緣至前緣的螺旋式回流渦旋的同時作用下，氣流無法順利流出失穩(wěn)流道.