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離心風(fēng)機梯形截面蝸殼內(nèi)旋渦流動的數(shù)值分析王企逅戴韌陳康民上海理工大學(xué)動力工程學(xué)院，上海捅要本文求解時均NS方程和BaldwinLcmax湍流模式，使用基于時間推進法的JameScn格式計算方法，對離心風(fēng)機的梯形截面蝸殼內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬。計算結(jié)果明，在蝸殼各徑向截面上都存在著個旋轉(zhuǎn)方向相反強度交替變化的渦對。該渦對會隨著徑向截面位置與蝸殼運行工的變化發(fā)生復(fù)雜的變化。對該渦對演化細節(jié)的研究有助于探討蝸殼內(nèi)流動損失的些機理，風(fēng)機蝸殼內(nèi)的流動是高雷諾數(shù)劇烈分離的旋渦流動。對蝸殼內(nèi)旋渦生成演化細節(jié)的探討，有助于認識蝸殼內(nèi)旋渦流動的本質(zhì)優(yōu)化蝸殼的設(shè)計。

　　由于蝸殼內(nèi)部是復(fù)雜的旋渦流，其本身具有強烈的非線性性，對其內(nèi)部次流及旋渦流動細節(jié)至今還不夠明了。本文旨在運用數(shù)值計算的手段，對離心風(fēng)機梯形截面蝸殼內(nèi)的旋渦流動進行計算與研究，著重把握在設(shè)計工況與變工況下蝸殼內(nèi)旋渦流動的生成演化細節(jié)，從而為深入對蝸殼內(nèi)流動本質(zhì)的認識及改善其設(shè)計提供依據(jù)。

　　1是計算所用風(fēng)機外型意。其中給出了蝸殼六個徑向截面，隨后將在這六個截面上考察旋渦的運動與發(fā)展規(guī)律。

　　財從=1.5其中，財計算流量點，Mdcs 2.2計算方法合81揣流模型。方程組采用基于時間推進法的18，1格式，有限體積法離散。為提計算的速度與收斂性，本文采用了重網(wǎng)格，循環(huán)的，厘3技術(shù)隱式殘差光順當(dāng)?shù)貢r間步長等加速收斂技術(shù)。有關(guān)計算方法細節(jié)可參文獻4.

　　2.3計算網(wǎng)格與邊界條件網(wǎng)格生成采用分區(qū)分塊技術(shù)，將葉輪與蝸殼內(nèi)各布置約30萬個網(wǎng)格，并對壁面附近網(wǎng)格進行局部加密。2給出了整個蝸殼的維網(wǎng)格分布。

　　計算時進口給定流量與流動方向；出口給定背壓；壁面給定無滑移條件。計算殘差下降個量級即認為計算收斂。

　　3計算結(jié)果與分析縱觀各工況下徑向截面上流譜35，可以發(fā)現(xiàn)，在絕大部分的截面上都存在著個渦對，其中渦位于徑向截面的梯形區(qū)內(nèi)，另渦位于該截面的矩形區(qū)內(nèi)為了簡便起，以下稱在梯形區(qū)的渦為旋渦，在矩形區(qū)的渦稱旋渦。

　　旋渦從第個截面開始形成，并沿各截面呈現(xiàn)種初生發(fā)展耗散及潰滅的演變過程。而旋渦個截面上，并且它的形成過程要比旋渦清晰地多先從壁面有部分流體被卷起，并逐步形成渦核；位于壁面的初生了渦逐步發(fā)展并離開壁面向梯形區(qū)中心運動；丁渦在運動過程+，由于粘性耗散作用，強度逐步減弱，最終被耗散掉。這過程恰能夠說明流體的粘性和外壁的影響是形成旋渦的物理機制。

　　這些流譜從個側(cè)面也說明了，組成這渦對的兩個渦中，渦是個穩(wěn)定渦，它幾乎存在于從蝸舌至360的通流區(qū)域，而旋渦是個不穩(wěn)定的旋渦，它的產(chǎn)生發(fā)展與耗散主要在集中在120至240的通流區(qū)域。

　　這個渦對的強度也是交替發(fā)展的，開始時旋渦較強而初生丁渦較弱；隨著旋渦的發(fā)展，其強度大，此時尺渦的強度逐步變?nèi)?；隨著丁渦運動時的粘性耗散，強度又減弱時，只渦的強度又逐步回升。

　　同時還可以看到，這對旋渦的旋轉(zhuǎn)方向恰好相反，只渦是右旋渦而旋渦為左旋渦。上述這些現(xiàn)象是與旋渦守恒定理相致的。盡管旋渦守恒定理是描述理想流體的性質(zhì)，但在只數(shù)的粘性流體中，也往往能在定性上現(xiàn)出旋渦守恒的些規(guī)律。

　　比較各個工況下徑向截面上這對旋渦的產(chǎn)生發(fā)展過程及其強度的變化可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計工況下這就說明，蝸殼的運作工況從小流量點到大流量點的變化過程中，就其粘性耗散而導(dǎo)致的能量損失而言，有個最佳工況點，這即是設(shè)計工況點。只有在設(shè)計工況點上，渦對的強度與作用范圍最小，這就預(yù)著蝸殼內(nèi)部流動的粘性損失小，流動的效率高；而在變工況點，渦對的強度很大，從而導(dǎo)致了流動的粘性損失增大，流動效率降低。在蝸殼的設(shè)計中，根據(jù)徑向截面上所通過的流量隨包角的增大成正比的增加這原則得出了蝸殼型線的等環(huán)量設(shè)計原則，并形成了對數(shù)螺旋線式的蝸殼型線，參照本文的計算結(jié)果明，這種等環(huán)量設(shè)計原則能在設(shè)計工況點較好的抑制旋渦的形成，從而降低損失，提了流動效率。而在小流量點，由于蝸殼內(nèi)部所通過的流量過小，通流速度過低，使梯形區(qū)的壁面上由于壁面的摩擦導(dǎo)致流動附面層分離從而形成旋渦；在大流量點，由于蝸殼內(nèi)的流量超過設(shè)計流量，過大的通流速度使大量流體擠入蝸殼內(nèi)，使蝸殼內(nèi)流動的不穩(wěn)定性增加，從而導(dǎo)致旋渦的形成。

　　值得注意的是，隨著蝸殼工況流量的變化，旋渦與渦流的相對強度也在發(fā)生變化。在小流量與設(shè)計流量下，旋渦的發(fā)展大小始終小于旋渦，而隨著流量的大，旋渦的強度有明顯的增加。旋渦與旋渦的相對強度的變化就反映出了蝸殼內(nèi)粘性損失大小的位置變化在小流量與設(shè)計流量工況點，旋渦的粘性損失主要存在于蝸殼徑向截面的矩形區(qū)，而隨著工況點的流量大，粘性損失的強度逐步向徑向截面的梯形區(qū)轉(zhuǎn)移。

　　因此，在梯形截面的蝸殼中，特別是在變工況時，旋渦所造成的總壓損失是制約蝸殼內(nèi)流動效率提的個不可忽視的重要因素。

　　4結(jié)論加格式并配合，湍流模型的計算方法，對離心風(fēng)機的梯形蝸殼進行了在設(shè)計工況與變工況下的數(shù)值模擬，著重研究蝸殼內(nèi)部各個徑向截面上旋渦的生成演化細節(jié)，計算結(jié)果明在梯形蝸殼的徑向截面上存在著旋轉(zhuǎn)方向相反強度交替變化的個渦對。其中個旋渦位于徑向截面的梯形區(qū)內(nèi)，是左旋不穩(wěn)定旋渦，它主要存在于120至240的通流區(qū)域中，并有明顯的產(chǎn)生發(fā)展與耗散過程；另個旋渦位于徑向截面的矩形區(qū)內(nèi)，它是個右旋較為穩(wěn)定的旋渦，它幾乎充滿于從蝸舌至360的通流區(qū)域內(nèi)。

　　這對旋渦的強度與蝸殼運行的工況有關(guān)在設(shè)計工況下，渦對的強度很弱，但在變工況時，渦對的強度，大。

　　隨著工況點流量的增加，位于徑向截面梯形區(qū)的旋渦發(fā)展強度也會增大，甚至?xí)錆M整個梯形區(qū)，這就造成了梯形區(qū)內(nèi)由于旋渦的粘性耗散所造成的總壓損失增加。因此，梯形截面蝸殼內(nèi)梯形區(qū)中由于旋渦的粘性耗散所造成的粘性損失是影響蝸殼內(nèi)部流動效率的個重要因素。