风机蜗壳内部旋涡流动的数值分析

　　1前言

　　已有研究表明，蜗壳虽为叶轮机械的一个静止单元，其内流往往是一种三维流动和旋涡的流动现象。例如Ayder(1993，1994)用时间推进的有限体积法对离心压缩机偏头蜗壳的Euler计算与实验，曹树良(1995)用交错网格的SimPlec算法对水轮机正头圆蜗的计算，周建华(1995)用三维流线上风方法对空调蜗壳的有限元分析，Pitkanen(1999)对带有无叶扩压器径向离心压缩机叶轮与偏头蜗壳一体的雷诺平均N一S方程所作的数值模拟和实验，向人们展示了这方面的新进展，而D~s(1999)对涡轮增压器蜗壳CFD/CAD一体化的报告，将蜗壳内流计算与型线设计紧密相连。迄今为止的这些研究，为人们改善蜗壳的性能及其合理设计提供了有益参考，由于其流动的复杂性，蜗壳内的旋涡流动细节至今还不够明了。本文的研究在文献【7」的基础上，着重对矩形蜗壳内的旋涡流动进行研究与计算，旨在为把握其旋涡流动的生成演化细节和流动图谱积累基础性资料，并为改善蜗壳的设计提供依据。

　　2控制方程与网格生成

　　控制方程使用Reynolds时均的相对定常不可压

　　3数值计算方法及若干问题的处理

　　3.1计算方法

　　首先通过Jacohi变换，将控制方程(l)从Carte-sian坐标系转换为任意曲线坐标系下计算区域内的流动方程，然后用有限容积法差分离散该方程;离散方程的求解用非交错网格的压力修正算法，使用动量插值由动量方程求出控制容积界面速度并引进相邻节点的压力差，以消除压力波动.

　　3.2网格生成

　　蜗壳流道内网格的生成本文使用求解Poisson方程的TM方法[s，9]，由边界网格构造源项以调节网格节点分布。由于蜗壳截面形状的不对称性，为保证网格质量采用了分区和壁面区域加密技术。图1给出了算例A(网格数24x60x25)在蜗壳径向和轴向剖分位置的划分。

　　模型在这类流动的计算中适用性较好。虽然蜗壳边界的大曲率和流动中明显的旋涡现象，计算值仍得到实验结果的良好支持。

　　4算例及讨论

　　4.1算例模型

　　本文用同一离心风机叶轮在蜗壳3种不同位置和宽度条件下，数值模拟并比较了蜗壳内流及其旋涡流动细节。表1列出了该离心风机的设计与结构参数，蜗壳是外壁型线近似为对数螺线的矩形蜗壳，其出口截面尺寸bxh=256x316mm，蜗壳与叶轮的3种不同配置及蜗壳宽度的变化如图2所示.

4.2计算结果及比较

　　在图3中示出了算例A从蜗舌至出口(I、v)截面内的二次流矢量分布。由图可见，蜗壳与叶轮出口的对称配置相应形成了一对反向的旋涡分布，随着沿流向截面的逐渐增大，蜗壳通道内的旋涡呈现为一种产生、发展和逐渐耗散的演变过程。计算结果与有关文献用不同计算方法对不同尺寸矩形蜗壳的计算l’]与实验结果[l0]的流动图谱相一致，说明了本方法的妥当性和可靠性。从算例B和C在截面I、Hl上二次流矢量分布的计算结果示例可以看出，算例C蜗壳的不对称配置和宽度减小，除造成涡核变小和旋涡结构的不对称性外，其旋涡演变历程与算例A相同。算例B展示了叶轮因单边配置蜗壳所形成的单涡分布的计算结果，这种单涡分布在蜗壳通流截面111已不明显，说明它的耗散比前两者快。