基于能量梯度理論的離心壓縮機(jī)彎道改進(jìn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通風(fēng)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于能量梯度理論的離心壓縮機(jī)彎 道改進(jìn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 葉輪機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)尤其是整個(gè)重工業(yè)體系中占有十分重要的地位。與此同時(shí)， 葉輪機(jī)械的使用所耗能量也是巨大的，因此，提高葉輪機(jī)械的效率，擴(kuò)大其運(yùn)行范圍，提高 運(yùn)行的安全和可靠性對(duì)提高我國工業(yè)發(fā)展水平方面具有重要的意義。
[0003] 離心壓縮機(jī)是葉輪機(jī)械中的一種，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用。它作為一種能量 轉(zhuǎn)換裝置，其主要通過葉輪的旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)葉輪流道內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)，把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn) 化為氣體的能量。離心壓縮機(jī)因?yàn)槭苄D(zhuǎn)、曲率及粘性等諸多因素的影響及相互作用而使 其內(nèi)部流動(dòng)表現(xiàn)為相當(dāng)復(fù)雜的非定常、有粘性的三維湍流流動(dòng)。穩(wěn)定性是離心壓縮機(jī)的工 作特性之一。彎道區(qū)域是離心式壓縮機(jī)一個(gè)級(jí)內(nèi)擴(kuò)壓器和回流器的連通部件，它對(duì)壓縮機(jī) 效率的影響是很大的。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，從擴(kuò)壓器流出的氣體，氣流紊亂，在經(jīng)過彎道進(jìn) 入回流器前，即可使壓縮機(jī)效率下降5%?？梢姀澋啦糠謱?duì)離心壓縮機(jī)的總性能中起著很大 的作用。因此，合理的彎道設(shè)計(jì)能使得離心壓縮機(jī)的整體運(yùn)行效率有較大的提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，提供一種基于能量梯度理論的離心壓縮機(jī) 彎道改進(jìn)方法。
[0005] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0006] 步驟1、模擬離心壓縮機(jī)模型級(jí)內(nèi)的流動(dòng)物理參數(shù)；
[0007] 步驟2、計(jì)算離心壓縮機(jī)模型級(jí)的彎道內(nèi)部流場(chǎng)的能量梯度函數(shù)值K，具體計(jì)算過 程如下：
[0008] 根據(jù)能量梯度理論，離心壓縮機(jī)模型級(jí)內(nèi)的能量梯度函數(shù)值K的計(jì)算公式為：
[0010] 式⑴中，
為流體總壓，P為流體靜壓；k為空氣的比熱容，
通常取I. 4 ;Ma為氣流的馬赫數(shù)；η為流體流動(dòng)的法線方向，s為流體流動(dòng)的流線方向；H為 流體的能量損失；
[0011] 流體在離心壓縮機(jī)模型級(jí)彎道內(nèi)的流動(dòng)屬于壓力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，其： 的計(jì)算 如下： CN 105134659 A 說明書 2/5 頁
[0014] 其中：α表示彎道內(nèi)流體在X方向的速度與流體速度矢量之間的夾角。
[0022] 表示P在X方向的一階偏導(dǎo)，f表示P在y方向的一階偏導(dǎo)，表示U在X & qv Sx π.' .廣 方向的一階偏導(dǎo)，-表不U在y方向的一階偏導(dǎo)，I表不μ在X方向的一階偏導(dǎo)，f表 辦 dx OT rr/ ：B：d 示μ在y方向的一階偏導(dǎo)，=表示α在x方向的一階偏導(dǎo)，^表示α在y方向的一階 αν Sy rsljj β2ΓΤ β2ΤΤ 偏導(dǎo)，表示U在X方向的二階偏導(dǎo)，表示U在y方向的二階偏導(dǎo)，I^表示U關(guān)于 dx- 〇y~ Sxy χ、y的混合偏導(dǎo)；χ、y為直角坐標(biāo)系的兩個(gè)坐標(biāo)軸。
[0023] 步驟3、根據(jù)彎道各位置能量梯度函數(shù)值K的大小，找到彎道內(nèi)流動(dòng)最不穩(wěn)定的位 置，將彎道對(duì)稱設(shè)置的后半段圓弧形子午型線改進(jìn)成直角導(dǎo)角形子午型線，直角導(dǎo)角形子 午型線包括圓弧段及分別與圓弧段兩端連接的兩條直線段；重新計(jì)算彎道流動(dòng)最不穩(wěn)定位 置的能量梯度函數(shù)值K，優(yōu)化出彎道的直角導(dǎo)角子午線的圓弧段最佳半徑。
[0024] 步驟1所述的離心壓縮機(jī)模型級(jí)內(nèi)的流動(dòng)物理參數(shù)的具體模擬過程如下：
[0025] 采用CFD (計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）對(duì)離心壓縮機(jī)模型級(jí)內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬過 程中控制方程采用定常三維可壓縮的雷諾平均納維-斯托克斯方程和連續(xù)性方程，同時(shí)使 用Spalart-Allmaras端流模型（單方程端流模型）計(jì)算離心壓縮機(jī)模型級(jí)內(nèi)的流動(dòng)；網(wǎng)格 采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，并利用有限體積法對(duì)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格下的控制方程在空間上進(jìn)行離散；然 后，在計(jì)算域上施加邊界條件，進(jìn)行模擬計(jì)算，得到離心壓縮機(jī)模型級(jí)內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)的物理參 數(shù)，包括氣流速度、總溫、壓強(qiáng)和湍流粘度。所述計(jì)算域上施加的邊界條件為：入口邊界條件 設(shè)定的是總溫、總壓入口，出口邊界條件設(shè)定的是質(zhì)量流量出口。
[0026] 步驟3所述的優(yōu)化出彎道直角導(dǎo)角子午型線的圓弧段最佳半徑，確定最佳半徑的 標(biāo)準(zhǔn)如下：在該半徑下的彎道直角導(dǎo)角子午型線，使得彎道內(nèi)流動(dòng)最不穩(wěn)定位置的能量梯 度函數(shù)值K最小，穩(wěn)定性能最優(yōu)，則該半徑為最佳半徑。
[0027] 本發(fā)明具有的有益效果如下：
[0028] 本發(fā)明利用CFD技術(shù)和能量梯度理論，通過對(duì)比彎道直角導(dǎo)角子午型線的圓弧段 在不同半徑下彎道內(nèi)部能量梯度函數(shù)值K的大小，來確定最優(yōu)的子午型線；改進(jìn)后的彎道 可以減小彎道內(nèi)部的不穩(wěn)定流動(dòng)，也會(huì)改善回流器內(nèi)部的流動(dòng)不穩(wěn)定性，進(jìn)而提升離心壓 縮機(jī)模型級(jí)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性，并且針對(duì)基于能量梯度理論的分析結(jié)果來優(yōu)化設(shè)計(jì)模 型，能有效縮減優(yōu)化流程，給設(shè)計(jì)帶來極大的方便。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明計(jì)算彎道內(nèi)部流場(chǎng)的能量梯度函數(shù)公式中各物理量幾何關(guān)系圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明的彎道子午型線改進(jìn)前后對(duì)比圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明中彎道直角導(dǎo)角子午型線的圓弧段半徑為35_時(shí)離心壓縮機(jī)整級(jí) 的多變效率隨流量系數(shù)變化與原模型的多變效率隨流量系數(shù)變化對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0033] 如圖1所示，基于能量梯度理論的離心壓縮機(jī)彎道改進(jìn)方法，具體步驟如下：
[0034] 步驟1、模擬離心壓縮機(jī)模型級(jí)內(nèi)的流動(dòng)物理參數(shù)；
[0035] 步驟2、計(jì)算離心壓縮機(jī)模型級(jí)的彎道內(nèi)部流場(chǎng)的能量梯度函數(shù)值K，具體計(jì)算過 程如下：
[0036] 根據(jù)能量梯度理論（參見論文《Mechanism of Flow Instability and Transition to Turbulence〉〉，竇華書，International Journal of Nonlinear Mechanics 期刊，2006年，5卷41期），離心壓縮機(jī)模型級(jí)內(nèi)的能量梯度函數(shù)值K的計(jì)算公式為：
[0038] 式（1)中，
為流體總壓，P為流體靜壓；k為空氣的比熱容， 通常取I. 4 ;Ma為氣流的馬赫數(shù)；η為流體流動(dòng)的法線方向，S為流體流動(dòng)的流線方向；H為 流體的能量損失；
[0039] 流體在離心壓縮機(jī)模型級(jí)彎道內(nèi)的流動(dòng)屬于壓力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，其f和#的計(jì)算 'dn ds