某型两级涡轮流场数值模拟

　　1　引言

　　随着计算机技术的发展,基于N.S.方程的粘性流程序正逐渐被用于叶轮机械部件的设计与优化之中,计算流体力学的发展使人们有了强有力的工具来对叶栅内的流动进行深入细致的研究。最初由于计算机发展的限制和全粘计算程序准确性与可靠性的限制,只用来计算单列叶栅的粘性流动,分析在单列叶栅中的粘性流动,其在气动设计中起到了很大的作用。对于一级和多级计算基本上采用考虑损失模型的S2流面进行计算,S2流面计算在气流角、流量计算上存在较大误差,特别是在一些情况下,如叶片数较少、径高比较小及跨音速流动中误差更大。因此迫切需要多级粘性流的匹配计算,目前各国在这方面进行了很多工作[1~3]。本文作者对这一工作进行了探讨和研究,通过对一个两级涡轮的粘性计算与分析,探讨了应用两级粘性流程序进行匹配计算的必要性及在气动设计中应注意的问题。

　　2　计算方法与网络

　　为了能够在多级计算中达到准确与可靠,我们在粘性流计算程序中采用了具有TVD性质的三阶精度Godunov格式[4],使其计算精度比较高,数值粘性小;为解决定常计算中叶列间小间隙情况下计算稳定性差的问题,在交接面上构造了Riemann问题解;采用了外推边界条件保持了本列参数在交接面的周向不均匀性;考虑到多级透平在很大的温度范围内工作,采用了变比热计算。文献[5]通过对NASA透平级的计算验证了该程序的准确性与可靠性。

　　网格采用H型网格,为了能够细致地描述流场,计算取尽可能多的网格点,但由于受计算容量所限,本次计算网格周向取33个网格点,径向取43网格点,轴向共取257个网格点,计算网格点总数约为36万个,其中近壁面第一个网格点的y+=5。图1为本次计算所采用的网格示意图。

　　3　计算结果及分析

　　本文计算对象是某型两级涡轮,其在设计中采用了S2流面与单列三维粘性流的计算程序。作者应用上述三维粘性流程序对该涡轮进行了数值模拟。

　　从图2(A)可知,由于采用弯叶片在第一级静叶背弧生成了“C”型压力分布,这对减少二次流损失及端部损失是非常有利的。在第二级静叶也采用了弯叶片,两个端部的压力比较高,也形成了C型压力分布。由图2(B)可以看出第一级动叶顶部有一局部C型压力分布,这一分布是不多见的,它将引起径向掺混损失,应该加以注意。

　　图3为两级涡轮计算所得的内、背弧极限流线图。在背弧低能流体向中径迁移,而在内弧向两端迁移,从这里可以清楚看到附面层迁移与通道涡的作用。从流线分布图可以看出,端区特别是上端部动叶径向迁移比较大,但没有看到大的回流区,从此可见设计的两级涡轮流线分布是合理的。此外由根、顶截面准S1流面流线分布图可见流线分布基本合理,只是在第二级静叶正攻角大一些。值得注意的是,在第一级动叶内弧近顶部密流比较集中,这种流动产生的主要原因是动叶内弧顶部径向迁移与动、静叶匹配不好而产生的,这种流动会增加局部径向掺混损失。