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[学位]

离心压气机内部三位复杂流动的数值模拟及PIV实验研究

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Author:

刘瑞韬 (刘瑞韬.)

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学位论文库

Abstract:

近年来,级环境下的流动成为叶轮机械气体动力学研究的焦点。与轴流式叶轮机械比较,离心式叶轮机械内部的流动更加复杂,亟待解决的问题也更多。本文以离心压缩机模型级基本单元内的流动为主要研究对象,应用适合于叶轮机械内部复杂流动求解的有效数值模拟工具,同时辅以必要的实验手段,对离心叶轮、叶片扩压器及离心压缩机级环境下的三维复杂流动进行系统的研究分析,开展了以下几方面的工作:给出了相对坐标系下三维流场Navier-Stokes 控制方程组,介绍了稳态及非稳态流动数值模拟中的空间、时间离散形式及求解方法;阐述了代数模型和三种ε − k 紊流模型的构造形式;对多重网格法、隐式残差光顺等加速收敛的方法进行了介绍。并以LSCC 实验叶轮作为研究对象,对Baldwin-Lomax、低雷诺数Chien、Yang-Shih 以及标准ε − k 紊流模型进行了考核,比较了各种紊流模型的计算精度与收敛速度;以Chien 紊流模型为对象,研究了网格数目及壁面无量纲网格尺度y+对计算精度的影响,为提高紊流流动的数值模拟精度提供了指导依据。以沈鼓某模型级为研究对象,分析了分流叶片不同周向位置及起始位置时叶轮内部流动分布规律,给出获得较好流场分布的分流叶片周向及起始位置;对不同间隙叶轮内部流动进行数值分析,结果发现叶顶间隙并非越小越好,可能存在一个最优间隙,使得叶轮流动损失最小,并根据数值模拟结果对叶轮叶顶间隙泄漏损失的经验公式进行了修正;通过对叶轮盖侧切削前后模型级内部流动的分析发现,叶轮盖侧切削后模型级效率有所改善,运行工况范围变窄,表明在已有模型级基础上进行等直径叶轮盖侧切削后得到的模型级可以满足工程实际需要;理想气体及实际气体介质时数值模拟的结果表明:采用实际气体模型模拟时模型级性能更接近于实验值,两种介质模拟时叶轮出口流场参数差别主要集中于叶轮盘、盖两侧。采用数值模拟方法对新型叶片扩压器的内部流动进行详细研究,结果表明半高叶片扩压器可以获得比无叶扩压器好的性能及比叶片扩压器宽的工况范围。对不同叶片高度的盘侧半高扩压器内部流场及压力场进行分析,优化获得最佳压缩机性能的半高叶片扩压器叶片高度。对相同叶片高度的盘侧半高叶片扩压器及盖侧半高叶片扩压器内部流动进行研究,对比分析盘侧及盖侧半高叶片扩压器性能的优劣。建立离心叶轮/叶片扩压器实验台,采取专门措施使其适应激光测量。对离心叶轮出口及叶片扩压器内部流动进行整场PIV 测量。根据一系列瞬态速度场获得时均速度场,并通过进一步的后处理,全面分析时均流场的流动特性。结果发现:中流量工况时,叶轮叶片吸力面侧对应着低速区,压力面侧对应高速区,反映出叶轮出口的“射流-尾迹”结构;在扩压器前半段,径向速度等参数沿周向、轴向分布都极不均匀。随着扩压器半径的增加,径向速度逐渐减小,且沿圆周方向趋于均匀。对不同流量工况、不同转速及不同瞬态时叶片扩压器内部的流动细节进行详细测量,给出了对应工况下叶片扩压器内部流场的分布规律,讨论了流量、转速等因素对叶片扩压器内部流场的影响。实验结果表明:小流量时扩压器吸力面侧出现低速回流区,大流量时低速回流区则在压力面侧出现;径向速度与流量成正比,与半径成反比;西安交通大学博士学位论文不同流量时径向速度变化较周向速度显著。不同转速时扩压器内部流动分布规律相似。叶片扩压器内部气流速度的大小及方向随时间不断变化,叶片扩压器内部流动的非稳态性受叶轮与叶片扩压器不同相对位置影响。

Keyword:

PIV实验 离心压气机 三维流动 数值模拟

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 徐忠

Year: 2004

Language: Chinese

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WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 10

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