01 研究背景

什么是壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速問題？

旋轉(zhuǎn)失速是沿壓氣機(jī)周向的非均勻流動(dòng)狀態(tài)。失速現(xiàn)象一般首先發(fā)生在葉輪處，當(dāng)離心式或軸流式壓縮機(jī)的操作工況發(fā)生變動(dòng)時(shí)，氣流會(huì)在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會(huì)阻礙通道內(nèi)的氣流流通，減少通道內(nèi)的有效流通面積，形成氣流堵塞團(tuán)，不但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)性能（推力、經(jīng)濟(jì)性）大為惡化，限制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，更嚴(yán)重的可能會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火，或引起壓氣機(jī)葉片劇烈振動(dòng)以致葉片斷裂而造成整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。

失速現(xiàn)象可能對(duì)壓縮機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害，因此預(yù)測(cè)在何種工況下會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象就顯得十分有必要。在本次介紹的算例中，就使用法國電力（EDF）開發(fā)的通用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）求解器 code_saturne進(jìn)行數(shù)值模擬，并將仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)以及FLUENT商業(yè)軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，證明了code_saturne進(jìn)行可壓縮流場(chǎng)仿真計(jì)算的可信性。

code_saturne中的可壓縮算法和湍流模型的改進(jìn)

壓氣機(jī)失速現(xiàn)象涉及到對(duì)旋轉(zhuǎn)可壓縮氣流流場(chǎng)不穩(wěn)定性的高精度的捕捉，針對(duì)本案例，對(duì)code_saturne內(nèi)的可壓縮流求解部分的源代碼做出了以下的優(yōu)化和改進(jìn)。

? 對(duì)流項(xiàng)的離散格式增加至3階

? 使用2階Crank-Nicholson時(shí)間差分格式

? 植入并試驗(yàn)了由?ada和Torrilhon提出的3階限制器

同時(shí)針對(duì)code_saturne中的k-ω SST湍流模型進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)和曲率修正，使之更加適用于旋轉(zhuǎn)氣流仿真。

為了對(duì)改進(jìn)后的k-ω SST湍流模型，在code_saturne中測(cè)試了旋轉(zhuǎn)管流的經(jīng)典驗(yàn)證算例，模擬繞軸向旋轉(zhuǎn)的管道中的氣流流場(chǎng)。

算例中流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)（Re）為5800，測(cè)試不同羅斯貝數(shù)(Ro)下的模擬結(jié)果并同DNS仿真結(jié)果以及FLUENT商業(yè)流體力學(xué)軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了改進(jìn)后的k-ω SST湍流模型對(duì)于旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)湍流特征的捕捉精度。

02 應(yīng)用案例

NASA Rotor 67多級(jí)壓氣機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子

NASA Rotor 67 是可壓縮流體的經(jīng)典驗(yàn)證案例之一，整個(gè)結(jié)構(gòu)由22個(gè)風(fēng)扇葉片組成，其設(shè)計(jì)工況為轉(zhuǎn)速16043 rpm，流量為33.25kg/s。本計(jì)算案例采用y+平均值為35的網(wǎng)格量為230萬的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算使用 S-A湍流模和k-ω SST模型分別進(jìn)行計(jì)算，并使用1階時(shí)間差分格式和2階MUSCL格式。

使用code_saturne仿真計(jì)算所得出的結(jié)果同公開的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)以及使用Fluent商業(yè)計(jì)算軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，code_saturne和FLUENT的計(jì)算結(jié)果十分接近，且都與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)基本吻合。

NASA CC3離心式壓縮機(jī)的仿真

案例中模擬的NASA CC3離心式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)工況為：

壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)由15個(gè)葉片和15個(gè)分流葉片組成，整個(gè)壓縮機(jī)分別使用平均y+值為30的2180萬網(wǎng)格量的網(wǎng)格，和平均y+值為5的7000萬網(wǎng)格量的兩套網(wǎng)格進(jìn)行了仿真模擬。模擬使用改進(jìn)的 k-ω SST 湍流模型，1階時(shí)間差分格式 和2階 MUSCL格式。

使用code_saturne仿真計(jì)算所得出的數(shù)據(jù)與使用Fluent進(jìn)行模擬的結(jié)果相比十分接近，同時(shí)也更為接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過觀察在軸面上的速度云圖，也可以在葉輪與擴(kuò)壓器之間捕捉到旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象，在葉輪和擴(kuò)壓器中發(fā)現(xiàn)了四個(gè)脫流點(diǎn)，葉輪中脫流點(diǎn)處的速度是葉輪中旋轉(zhuǎn)速度的0.0587倍。還可以觀察到壓力擾動(dòng)向上移動(dòng)至葉輪的入口，同時(shí)高速氣流團(tuán)向下游的的擴(kuò)散器移動(dòng)。

03 結(jié)論

經(jīng)過改進(jìn)后的code_saturne算法采用了更高階的離散格式，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)到離心式壓縮機(jī)中所產(chǎn)生的失速現(xiàn)象，仿真結(jié)果同F(xiàn)luent模擬結(jié)果相比十分接近，且更符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果想要得到更加精確的仿真結(jié)果，可以采用更加精細(xì)的網(wǎng)格或者LES湍流模型。但是由于壓縮機(jī)中氣流流場(chǎng)的速度較大，需要的計(jì)算資源也會(huì)更多。

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