Ghost离心叶轮内部湍流流动数值模拟

　　1 前言

　　离心叶轮通道内的流动是工程流体机械中最复杂的流动现象之一,其流动现象呈现很强的三维特性。叶轮内湍流流动的研究为改进叶轮设计方法,提高叶轮效率提供了重要的依据,因此,近半个世纪以来,许多研究者对其进行了试验研究和数值模拟, 1980年Johnson详细测量了叶轮从进口到出口5个截面的三维速度分布,并公开发表了该叶轮的几何型线,该叶轮被称为Ghost叶轮。在进行试验研究的同时,国内学者相继利用数值模拟方法对离心叶轮内部旋转流场进行了数值研究,分析了叶轮内的主流,二次流及出口/射流-尾迹0结构[1~11]。这些计算均采用k-E模型,然而叶片通道是弯曲和旋转的,具有很强的各项异性,因此采用各项同性的湍流模型模拟的结果与试验相比差异较大。本文采用雷诺应力模型(RSM)对离心叶轮内的湍流流场进行了数值模拟,其中定子转子耦合模型采用混合平面模型(MP),得到了较好的计算结果,与试验结果相比基本一致,并分析了离心叶轮内部的粘性二次流和/射流-尾迹0现象以及尾迹区的位置。

　　2 数学物理模型

　　2. 1 叶轮几何模型

　　文献[2]提供的Ghost叶轮在圆柱坐标下的几何型线数据。Ghost叶轮的主要设计参数如下,叶轮宽径比b2/D2=0.08,出口安装角B2A=90b,叶片数Z=19,外径D2=909.3mm,轮盖处内径d=177. 8mm,叶轮入口截面直径D1=571. 5mm,设计转速n=500r/min。为了与试验叶轮接近,在叶轮入口前加装了导流锥;同时为了使计算易于收敛在叶轮的出口加了一个径向无叶扩压通道。生成的叶轮单叶片几何模型如图1所示。

　　2. 2 叶轮网格划分

　　为了解决离心叶轮通道的计算域复杂而引起网格质量差的问题,本文采用了多块网格法,即将叶片流道求解区域划分成个较为简单的块,分别划分结构网格如图2所示。

　　I为叶片入口前的一个小三角区域,Ò为贴近压力面的流道,Ó为贴近吸力面的流道。沿叶片布置70个节点,周向布置44个节点,径向布置40个节点。叶片表面、轮盖和轮盘内表面采用边界层加密网格,出口扩压部分比较规则,可直接生成结构网格。

　　2. 3 数值算法和边界条件

　　利用FLUENT软件,采用控制容积法离散控制方程,对流项采用QUICK格式,应用SIMPLEC算法对离散方程进行求解,其收敛标准为各个变量的相对残差均小于10^-5。湍流模型采用RSM模型。转子和定子的耦合采用MP模型。

　　进口边界采用速度入口,速度大小按流量条件给定,流量m=3. 3kg/s,该流量高于Ghost叶轮的设计流量2. 5 kg/s。进口截面的湍动能设为进口截面平均动能的(0. 5% ~1. 5% ),耗散率E按公式Gt=cLQk2/E确定。出口边界条件采用局部单项化来处理。整个计算区域的两侧均设为周期性边界条件。固体壁面采用无滑移边界条件。