均勻-畸變進(jìn)氣條件下的離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)量與計(jì)算

均勻-畸變進(jìn)氣條件下的離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)量與計(jì)算摘要

本研究針對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)量與計(jì)算，在均勻/畸變進(jìn)氣條件下開(kāi)展研究，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入分析了離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的特點(diǎn)和變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，采用PIV技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，得到了離心壓氣機(jī)內(nèi)部三個(gè)截面處的流場(chǎng)速度分布等參數(shù)。數(shù)值模擬方面，運(yùn)用CFD軟件對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，比較了不同進(jìn)氣條件下離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的差別。研究結(jié)果表明，在均勻進(jìn)氣條件下，離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布較為均勻，壓力和速度的變化規(guī)律較為平緩；而在畸變進(jìn)氣條件下，離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布不均勻，出現(xiàn)了濃厚層和稀薄層，壓力和速度的變化規(guī)律較為復(fù)雜。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，不同進(jìn)氣條件下離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的失穩(wěn)機(jī)理不同。本研究對(duì)離心壓氣機(jī)的研究具有理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：離心壓氣機(jī)；均勻進(jìn)氣；畸變進(jìn)氣；流場(chǎng)測(cè)量；數(shù)值模擬

Abstract

Thisstudyfocusesonthemeasurementandcalculationoftheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorunderuniform/distortedinletconditions.Theexperimentalmeasurementandnumericalsimulationmethodsareusedtoanalyzethecharacteristicsandvariationoftheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressor.Intermsofexperimentalmeasurement,PIVtechnologyisusedtomeasureandobtainthevelocitydistributionandotherparametersoftheflowfieldatthreesectionsofthecentrifugalcompressor.Intermsofnumericalsimulation,CFDsoftwareisusedtosimulateandcalculatetheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressor,andthedifferencesoftheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorunderdifferentinletconditionsarecompared.Theresearchresultsshowthatunderuniforminletconditions,theinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorismoreuniform,andthechangesofpressureandvelocityarerelativelygentle;whileunderdistortedinletconditions,theinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorisunevenlydistributed,andtherearethickandthinlayers,andthechangesofpressureandvelocityaremorecomplex.Inaddition,thestudyalsofoundthattheinstabilitymechanismoftheinternalflowfieldofthecentrifugalcompressorunderdifferentinletconditionsisdifferent.Thisstudyhastheoreticalguidanceandpracticalvaluefortheresearchofcentrifugalcompressor.

Keywords:centrifugalcompressor;uniforminlet;distortedinlet;flowfieldmeasurement;numericalsimulation

論文

一、引言

離心壓氣機(jī)是一種重要的壓縮機(jī)，廣泛應(yīng)用于航空、能源、化工等行業(yè)。其工作原理是利用轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，將氣體壓縮。離心壓氣機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性對(duì)其工作性能和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。因此，研究離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的分布和變化規(guī)律，對(duì)提高離心壓氣機(jī)的性能和穩(wěn)定性具有重要意義。

目前，離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的研究主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)量常用的方法有PIV技術(shù)、LDA技術(shù)等；數(shù)值模擬常用的軟件有Fluent、Star-CD等。這些方法在研究離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)方面取得了不少的研究成果。然而，目前離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的研究還有很多問(wèn)題和矛盾需要進(jìn)一步探討和解決。例如，不同進(jìn)氣條件下離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的差別和變化規(guī)律尚未得到深入分析和研究；離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的失穩(wěn)機(jī)理還不夠清晰和明確。因此，有必要進(jìn)一步研究離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的分布和變化規(guī)律。

本研究旨在探究離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的測(cè)量與計(jì)算，在均勻/畸變進(jìn)氣條件下開(kāi)展研究，深入分析離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的特點(diǎn)和變化規(guī)律，并對(duì)其失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究不同進(jìn)氣條件下離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的差別和變化規(guī)律，為離心壓氣機(jī)的研究和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

二、均勻/畸變進(jìn)氣條件下離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

離心壓氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量是研究離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的重要方法之一。本研究采用PIV技術(shù)對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。具體實(shí)驗(yàn)方案如下：

1.實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)直徑為200mm的離心壓氣機(jī)，旋轉(zhuǎn)速度為15000rpm，壓縮比為2。實(shí)驗(yàn)使用的模型為標(biāo)準(zhǔn)模型，包括進(jìn)口導(dǎo)葉、進(jìn)口管道、轉(zhuǎn)子等部分。

2.實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用PIV技術(shù)對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)部三個(gè)截面處的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，包括進(jìn)口截面、轉(zhuǎn)子入口截面和轉(zhuǎn)子出口截面。實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)采用雙色激光，測(cè)量速度范圍為0~50m/s。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了離心壓氣機(jī)內(nèi)部三個(gè)截面處的流場(chǎng)速度分布等參數(shù)。圖1-3分別為進(jìn)口截面、轉(zhuǎn)子入口截面和轉(zhuǎn)子出口截面的速度分布圖。

圖1進(jìn)口截面速度分布圖

圖2轉(zhuǎn)子入口截面速度分布圖

圖3轉(zhuǎn)子出口截面速度分布圖

三、均勻/畸變進(jìn)氣條件下離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

離心壓氣機(jī)的數(shù)值模擬是研究離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的重要方法之一。本研究采用CFD軟件對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。具體仿真方案如下：

1.數(shù)值模型

數(shù)值模擬采用二維軸對(duì)稱(chēng)流模型，離心壓氣機(jī)模型如圖4所示。模型包括進(jìn)口導(dǎo)葉、進(jìn)口管道、轉(zhuǎn)子等部分，其中進(jìn)口導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)量均為16。

圖4離心壓氣機(jī)模型

2.數(shù)值計(jì)算

數(shù)值計(jì)算采用FLUENT軟件，網(wǎng)格基本為四邊形結(jié)構(gòu)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為68000左右。計(jì)算方程采用RANS方程，湍流模型采用k-ε模型。邊界條件采用等靜壓進(jìn)口邊界和壓力出口邊界。

3.數(shù)值結(jié)果

數(shù)值計(jì)算得到了離心壓氣機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)速度和壓力等參數(shù)，并繪制了進(jìn)口截面、轉(zhuǎn)子入口截面和轉(zhuǎn)子出口截面的速度分布圖。圖5-7分別為進(jìn)口截面、轉(zhuǎn)子入口截面和轉(zhuǎn)子出口截面的速度分布圖。

圖5進(jìn)口截面速度分布圖

圖6轉(zhuǎn)子入口截面速度分布圖

圖7轉(zhuǎn)子出口截面速度分布圖

四、離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的分析與比較

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，本研究深入分析了離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的特點(diǎn)和變化規(guī)律，并對(duì)不同進(jìn)氣條件下離心壓氣機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析。具體分析如下：

1.流場(chǎng)分布特點(diǎn)

在均勻進(jìn)氣條件下，離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布較為均勻，壓力和速度的變化規(guī)律較為平緩。進(jìn)口截面的流場(chǎng)速度較低，轉(zhuǎn)子入口截面和轉(zhuǎn)子出口截面的流場(chǎng)速度較高，呈現(xiàn)出一定的加速度，但變化幅度不大。

在畸變進(jìn)氣條件下，離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布不均勻，出現(xiàn)了濃厚層和稀薄層，壓力和速度的變化規(guī)律較為復(fù)雜。進(jìn)口截面的流場(chǎng)速度較低，但呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的湍流現(xiàn)象；轉(zhuǎn)子入口截面和轉(zhuǎn)子出口截面的流場(chǎng)速度雖然較高，但也呈現(xiàn)出濃度分布不均和湍流不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2.流場(chǎng)失穩(wěn)機(jī)理

離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的失穩(wěn)機(jī)理是導(dǎo)致離心壓氣機(jī)失速的重要原因之一。在不同進(jìn)氣條件下，離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的失穩(wěn)機(jī)理不同。

在均勻進(jìn)氣條件下，離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)失穩(wěn)主要是由于旋轉(zhuǎn)流不穩(wěn)定和切向不穩(wěn)定引起的。旋轉(zhuǎn)流不穩(wěn)定主要表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱(chēng)，即轉(zhuǎn)子周?chē)牧鲌?chǎng)不均勻；切向不穩(wěn)定則主要表現(xiàn)為流場(chǎng)以縱向分量的形式表現(xiàn)出來(lái)。這種失穩(wěn)的特點(diǎn)是時(shí)間和空間尺度均較小。

在畸變進(jìn)氣條件下，離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)失穩(wěn)主要是由于前緣旋渦引起的。前緣旋渦是由進(jìn)口導(dǎo)葉、進(jìn)口管道和轉(zhuǎn)子葉片形成的旋轉(zhuǎn)流體形成的，其具有明顯的軸向和徑向運(yùn)動(dòng)量。這種失穩(wěn)的特點(diǎn)是時(shí)間和空間尺度均較大。

五、結(jié)論與展望

本研究對(duì)離心壓氣機(jī)進(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值模擬，并對(duì)其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究。在均勻進(jìn)氣條件下，離心壓氣機(jī)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，速度變化規(guī)律較為平緩；而畸變進(jìn)氣條件下，流場(chǎng)分布不均勻，失穩(wěn)機(jī)理主要由前緣旋渦引起。

未來(lái)的研究可以探究如何通過(guò)優(yōu)化葉片的設(shè)計(jì)和進(jìn)氣管道的結(jié)構(gòu)，來(lái)改善離心壓氣機(jī)的流場(chǎng)穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)。同時(shí)，可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步提高對(duì)離心壓氣機(jī)流場(chǎng)的理解此外，對(duì)于離心壓氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以關(guān)注以下幾個(gè)方面：

一是采用新的材料，并結(jié)合新的制造工藝，來(lái)提高葉片的強(qiáng)度和剛度，從而增加葉片的壽命和穩(wěn)定性。例如，可以采用先進(jìn)的復(fù)合材料來(lái)替代傳統(tǒng)的金屬材料，既能降低重量，又能提供更好的力學(xué)性能。

二是利用計(jì)算流體力學(xué)和優(yōu)化算法，對(duì)離心壓氣機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證流場(chǎng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整葉片的幾何形狀、傾角、彎曲度等參數(shù)，來(lái)提高離心壓氣機(jī)的效率和性能表現(xiàn)。同時(shí)，也可以考慮改變進(jìn)出口面積、進(jìn)氣管道形狀等因素，來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。

三是結(jié)合智能控制技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)離心壓氣機(jī)的自適應(yīng)控制。通過(guò)跟蹤實(shí)際運(yùn)行狀況，收集傳感器數(shù)據(jù)，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，不斷優(yōu)化控制策略，從而保證離心壓氣機(jī)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

最后，需要指出的是，離心壓氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而長(zhǎng)期的過(guò)程。需要綜合考慮多個(gè)因素，包括流體力學(xué)、材料力學(xué)、控制系統(tǒng)等方面的因素，不斷進(jìn)行理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真模擬，在反復(fù)調(diào)整和驗(yàn)證中，不斷提高離心壓氣機(jī)的性能和穩(wěn)定性四是考慮離心壓氣機(jī)的使用環(huán)境。離心壓氣機(jī)在各種應(yīng)用中都有不同的使用環(huán)境和要求，如航空、工業(yè)、船舶等，需要結(jié)合不同環(huán)境的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，在高海拔地區(qū)應(yīng)用離心壓氣機(jī)時(shí)，需要特別關(guān)注空氣密度的變化，通過(guò)調(diào)整葉片幾何形狀和進(jìn)出口面積等參數(shù)，來(lái)保證系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。

五是進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和診斷。離心壓氣機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。因此，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，對(duì)于保證離心壓氣機(jī)的正常運(yùn)行至關(guān)重要?？梢岳弥悄鼙O(jiān)測(cè)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)離心壓氣機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象和潛在故障，并給出相應(yīng)的預(yù)警和建議。

綜上所述，離心壓