模型級內(nèi)部的三維粘性流動進(jìn)行數(shù)值模擬，用數(shù)值試驗(yàn)的方法研究擴(kuò)壓器的不同設(shè)計對模型級性能的影響；對模型級的變工況性能進(jìn)行了計算分析和比較，確保了新設(shè)計方案的工程可行性。國際上的發(fā)展方向是裝置容量不斷增大，開發(fā)高壓比、小流量、低噪聲、高效率壓縮機(jī)產(chǎn)品與之配套。國內(nèi)離心壓縮機(jī)高技術(shù)、高參數(shù)、高質(zhì)量和特殊產(chǎn)品尚不能滿足需要，50%左右還需靠國外進(jìn)口。為此，我國學(xué)者采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了深入的研究，文獻(xiàn)1通過對某離心壓縮機(jī)小流量級的擴(kuò)壓器進(jìn)行數(shù)值分析和優(yōu)化設(shè)計，使整級多變效率提高了近5個百分點(diǎn)。但是，并沒有對新設(shè)計方案的穩(wěn)定工作范圍、變工況性能作進(jìn)一步研究，尚不能應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中去。因此，本文在文獻(xiàn)1的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對擴(kuò)壓器的葉片數(shù)目和前緣形狀進(jìn)行修正，計算了新方案在不同轉(zhuǎn)速下的變工況特性及原方案在設(shè)計轉(zhuǎn)速下的變工況特性，并對計算結(jié)果進(jìn)行了對比和分析。1數(shù)值計算1.1計算平臺本數(shù)值計算建立在CFD商業(yè)軟件NUMECA平臺上，是國際上公認(rèn)的葉輪機(jī)械內(nèi)部流動數(shù)值分析的首選軟件，其核心部分—離散格式與解法以及與求解密切相關(guān)的多重網(wǎng)格等方面的質(zhì)量很高。其中心格式采用了Jamesoｎ人工粘性顯格式2，迎風(fēng)格式采用基于TVD與通量差分分裂方法的高精致格式，方程求解采用多階Runge-Kutta法，低速計算采用預(yù)條件法等，并采用多重網(wǎng)格技術(shù)與隱式殘差光順法等提高求解過程的收斂速度。1.2計算域與網(wǎng)格為了真實(shí)地反映擴(kuò)壓器內(nèi)部的流動情況，對小流量模型級整級進(jìn)行了三維造型。計算域包括進(jìn)氣道、葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器以及回流器出口延伸段，采用多塊六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖1和圖2所示。1.3計算方法與邊界條件本計算分析的出發(fā)點(diǎn)為氣流流動的控制方程，包括三維可壓縮雷諾平均N-S方程、能量方程、連續(xù)方程、理想氣體狀態(tài)方程以及Spalart-Allmaras代數(shù)湍流模型方程；采用有限體積法對控制方程進(jìn)行空間離散，采用顯式時間推進(jìn)法求解。工質(zhì)為理想空氣，設(shè)計轉(zhuǎn)速（n=r/min），進(jìn)口邊界給定速度方向、靜溫（Tin=293K）以及質(zhì)量流量（G=0.5378kg/s），出口邊界給定靜壓（pout=.1Pa）。2計算結(jié)果分析2.1原無葉擴(kuò)壓器內(nèi)部流動分析基于上述的數(shù)值計算，得到了該模型級內(nèi)部三維流場的完全信息。原結(jié)構(gòu)采用的等寬無葉擴(kuò)壓器，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、性能曲線平緩、穩(wěn)定工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于流體在無葉擴(kuò)壓器中的方向角α基本不變，流線流線較長（見圖3），摩擦損失較大，在設(shè)計工況下效率較葉片擴(kuò)壓器低。據(jù)此，文獻(xiàn)1在無葉擴(kuò)壓器后端加一段葉片擴(kuò)壓器，以增大α角和縮短流線，達(dá)到減少流動損失的目的。2.2對擴(kuò)壓器葉型的設(shè)計文獻(xiàn)1選擇的擴(kuò)壓器當(dāng)量擴(kuò)張角為4.8°左右，葉片數(shù)為10，分別對C4葉型、倒C4葉型、倒T4葉型、直壁葉型進(jìn)行了三維造型和數(shù)值計算。經(jīng)比較（見表1），采用直壁型擴(kuò)壓器整級的效率最高。表1采用各方案擴(kuò)壓器整級性能參數(shù)比較葉片型式流量/（kg/s）靜壓比總壓比級等熵效率/%級多變效率/%無葉0.....552C4葉型0....03178.316倒C4葉型0.....385倒T4葉型0.....243直壁葉型（Z=10）0.....006直壁葉型（Z=18）0.....646注：由于在數(shù)值模擬過程中沒有考慮級內(nèi)的某些損失（包括輪阻損失、漏氣損失等），模擬后得到的原結(jié)構(gòu)級多變效率（74.552%）比實(shí)際的多變效率（68%）高。2.3對擴(kuò)壓器葉片數(shù)目的分析文獻(xiàn)3指出，擴(kuò)壓器葉柵稠度對流動有著顯著的影響。從氣流折轉(zhuǎn)角的角度分析，折轉(zhuǎn)角大時，葉柵負(fù)荷較大，如果稠度比較小，氣流易產(chǎn)生脫離，損失增加；折轉(zhuǎn)角小時，即使稠度不大的葉柵，因?yàn)樨?fù)荷較小，也不會產(chǎn)生附加損失。但是，如果稠度過大，則使通流面積過小，葉片前緣的通道截面相對阻塞增加，使流動損失增大。筆者在采用直壁型擴(kuò)壓器的基礎(chǔ)上，選擇了不同葉片數(shù)目（即不同的葉柵稠度）分別進(jìn)行數(shù)值模擬。圖4和圖5分別給出了葉片數(shù)為10和18的直壁型擴(kuò)壓器內(nèi)部速度場分布，表1給出了整級性能參數(shù)。比較后發(fā)現(xiàn)：采用葉片數(shù)為18的直壁型擴(kuò)壓器的整級效率最高，將該小流量模型級的整級效率提高了5.1個百分點(diǎn)。2.4對直壁型葉片前緣的修正設(shè)計的直壁型葉片的前緣為尖頭，從理論上講，尖頭對來流不會產(chǎn)生阻塞，氣流的速度和壓力分布比較均勻，流動損失也比較小，所以性能也比較高；但從加工工藝上講，尖頭在工程上無法實(shí)現(xiàn)，一般來說，受加工工藝的限制，葉片前緣倒角半徑最小可做到0.3mm。因此，從工程實(shí)際出發(fā)，應(yīng)在原來設(shè)計的直壁型葉片前緣削一個半徑為0.3mm的圓頭。筆者采用兩種切削方式：一種是直接在原來的葉片上削圓頭，即縮小了葉片的長度；另一種是保持葉片的長度和尾緣厚度不變，重新設(shè)計前緣為圓頭（半徑為0.3mm）的直壁型葉片。原始方案和兩種新設(shè)計方案的葉片前緣見圖6。表2直壁型葉片前緣修改前后整級性能比較流量/（kg/s）靜壓比總壓比級等熵效率/%級多變效率/%修改前0.....646方案10.....379方案20....04579.280比較直壁型葉片修改前后該模型級整級的性能參數(shù)（見表2），可以發(fā)現(xiàn)：模型級整級的效率及壓比均略有降低，但降低的幅度很小。觀察修改前后葉片前緣附近的速度場分布（見圖7和圖8），發(fā)現(xiàn)流動情況良好。由于倒圓的引入，級效率和壓比略有降低，但增強(qiáng)了葉片對來流方向的適應(yīng)性，又可以改善其變工況性能。3整級變工況性能比較葉片擴(kuò)壓器的流道長度短，流動損失小，故在設(shè)計工況下效率較無葉擴(kuò)壓器高；但由于葉片的存在，其變工況性能較無葉擴(kuò)壓器差。據(jù)此，筆者對該模型級改進(jìn)前后的變工況性能作了進(jìn)一步的分析討論。3.1改進(jìn)前后整級變工況性能的比較筆者計算了設(shè)計轉(zhuǎn)速下，該模型級改進(jìn)前后的流量特性，如圖9所示。改進(jìn)前，該模型級采用的是無葉擴(kuò)壓器，其多變效率隨流量的變化平緩，穩(wěn)定工作范圍較寬。加入葉片擴(kuò)壓器后，設(shè)計工況點(diǎn)附近的靜壓比和多變效率都有較大幅度的提高，但隨著流量的進(jìn)一步增加，靜壓比和多變效率迅速下降，在距離設(shè)計工況點(diǎn)較遠(yuǎn)處，甚至低于原模型級。因此，改進(jìn)后的模型級適合在設(shè)計工況點(diǎn)附近工作，當(dāng)流量高出設(shè)計工況較多時，不宜采用改進(jìn)的模型級。3.2采用葉片擴(kuò)壓器的模型級變工況性能筆者還計算了不同轉(zhuǎn)速下，采用葉片擴(kuò)壓器的模型級的變工況特性。由圖10可見：隨著轉(zhuǎn)速的下降，整級的靜壓比下降明顯，最大多變效率也略有下降，穩(wěn)定工作范圍朝流量減小的方向偏移，變工況性能的趨勢符合一般規(guī)律。但是，等轉(zhuǎn)速線與一般試驗(yàn)規(guī)律相比略顯平緩，這說明計算系統(tǒng)對流量變化的敏感性不夠。分析原因，可能是計算所采用的湍流模型在目前的網(wǎng)格尺度下，尚不能精確計算出附面層的影響。因此，在今后的研究工作中還需對此進(jìn)行詳細(xì)的計算分析，以提高計算的精度。4結(jié)論對一臺離心壓縮機(jī)小流量模型級進(jìn)行了內(nèi)部三維粘性流場的數(shù)值研究，針對擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)及其對變工況性能的影響進(jìn)行了分析討論，結(jié)果表明：（1）數(shù)值模擬的結(jié)果可以真實(shí)地反映離心壓縮機(jī)小流量級內(nèi)部的三維粘性流動特征，在流場分析的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行有針對性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，達(dá)到提高性能的目的；（2）在設(shè)計工況下，離心壓縮機(jī)采用葉片擴(kuò)壓器的效率明顯高于采用無葉擴(kuò)壓器，增設(shè)葉片擴(kuò)壓器是提高整級效率的有效方法；（3）擴(kuò)壓器葉片數(shù)目對擴(kuò)壓器性能優(yōu)劣有較大的影響，對離心壓縮機(jī)小流量級來講，采用18個直壁型葉片對于改進(jìn)設(shè)計工況下擴(kuò)壓器性能的效果最佳；（4）葉片擴(kuò)壓器的加入，使整級的變工況性能略有惡化，當(dāng)偏離設(shè)計工況點(diǎn)較多時，性能迅速下降，甚至低于原型；（5）筆者計算的變工況特性線略顯平緩，在湍流模型及網(wǎng)格尺度方面需要進(jìn)一步的研究，以提高計算系統(tǒng)的敏感性。但目前的計算結(jié)果基本能夠滿足工程要求。
