CN110826270A - 一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，该方法包括如下步骤：步骤一，基于建立离心压气机的三维几何模型，建立离心压气机无叶扩压器有限元模型；步骤二，基于步骤一生成的离心压气机无叶扩压器有限元模型，输入离心压气机稳态与非稳态情况下的边界条件；步骤三，选取湍流模型，对离心压气机进行稳态模拟和非稳态模拟，探究无叶扩压器失速演变过程，以及能量损失情况。本发明通过建立离心压气机几何模型，并对离心压气机无叶扩压器内部流场进行稳态与非稳态下数值模拟，获得内部流场各项参数及各项参数云图，据此观察旋转失速下无叶扩压器内部能量损失情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，特别涉及一种基于无叶扩压器内部流场数值模拟的离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法。
背景技术
离心压气机是叶轮旋转机械的主要类型之一，具有体积小、结构简单、单级增压比高和易于维护等特点，广泛应用于航空航天、交通运输、能源冶金及空调制冷等领域，在国民经济中占有重要的地位。因此扩大离心压气机运行范围、提高其运行效率以及提高安全性与可靠性，对于提高我国工业技术发展水平，节能环保，提升运行效率等方面具有极其重要的意义。
在小流量工况运行情况下离心压气机会产生不稳定流动现象，旋转失速就是其中的一种。旋转失速降低离心压气机效率，影响稳定运行范围，并且危害离心压气机运行可靠性。在离心压气机中，可根据不同的失速发生位置，将旋转失速分为叶轮旋转失速和扩压器旋转失速。而扩压器失速为离心压气机最常见的失速类型，且扩压器失速相较叶轮失速产生的危害更大。扩压器有无叶扩压器和有叶扩压器两种，其中的无叶扩压器因其结构简单，成本低廉，运行范围大而被广泛使用。
发明内容
本发明提出一种基于无叶扩压器内部流场数值模拟的离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，该方法可以方便地观察到旋转失速过程中离心压气机内部能量损失情况，
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，基于建立离心压气机的三维几何模型，建立离心压气机无叶扩压器有限元模型；
步骤二，基于步骤一生成的离心压气机无叶扩压器有限元模型，输入离心压气机稳态与非稳态情况下的边界条件；
步骤三，选取湍流模型，对离心压气机进行稳态模拟和非稳态模拟，探究无叶扩压器失速演变过程，以及能量损失情况。
本发明进一步限定的技术方案是：
所述的步骤一中，基于建立离心压气机的三维几何模型，再通过定义单元类型，构建网格，建立离心压气机轮无叶扩压器有限元模型。
所述的步骤二中，离心压气机边界条件包括壁面采用绝热无滑移边界条件，叶轮为旋转部分，无叶扩压器为静止部分，两部分结合处采用interface边界条件。在稳态模拟中，叶轮入口边界条件定义为总压101325Pa，参考压力0Pa，设置质量流量为扩压器出口边界条件。在非稳态模拟中，设置叶轮入口条件为质量流量，流量系数0.3，扩压器出口为开放边界条件。
所述的步骤三中，选取湍流模型，选择二方程SST k-ω模型。
所述的步骤三中，将叶轮非稳态模拟一个周期设为100个时间步，时间步长为0.0004s。
本发明的有益效果是：本发明通过建立离心压气机几何模型，并对离心压气机无叶扩压器内部流场进行稳态与非稳态下数值模拟，获得内部流场各项参数及各项参数云图，据此观察旋转失速下无叶扩压器内部能量损失情况，具有直观，便捷等特点。
附图说明
图1为本发明的离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法实现流程图；
图2为对离心压气机无叶扩压器建立的三维有限元模型示意图：
a-叶轮模型；b-无叶扩压器模型；
图3为稳态下不同叶高处静态熵分布云图：
a-10％叶高；b-50％叶高；c-90％叶高；
图4为流量系数为0.3时工况的离心压气机进行非稳态模拟50％叶高处静止熵分布云图：
a-t＝0.0136s；b-t＝0.0442s；c-t＝0.0748s；d-t＝0.1054s；e-t＝0.136s；f-t＝0.15028s。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步的说明。
本发明提出了一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，下面对本发明作进一步的详细说明：
步骤一，基于建立离心压气机的三维几何模型，建立离心压气机无叶扩压器有限元模型，如图2所示；
步骤二，基于步骤一生成的离心压气机无叶扩压器有限元模型，输入离心压气机稳态与非稳态情况下的边界条件；
步骤三，选取湍流模型，对离心压气机进行稳态模拟和非稳态模拟，得到分布云图，如图3和图4所示，并根据分部分析旋转失速下无叶扩压器内部能量损失情况。
如图3所示，为稳态下不同叶高处静态熵分布云图。可以看出在10％叶高处熵值更高，且随着高度递减，说明了在无叶扩压器底部能量损失更高。而在靠近无叶扩压器入口处的熵相对于扩压器出口处较低，说明扩压器出口处能量损失较高。
如图4所示，对流量系数为0.3时工况的离心压气机进行非稳态模拟。可以看出在无叶扩压器内部静止熵在入口处最小，并随半径逐渐增大，且呈均匀环状分布，说明此时扩压器内部稳定流动。高熵值区域逐渐向扩压器内部扩展，而扩压器出口开始出现回流区。随着叶轮继续旋转，大致形成四个主要的回流区，并且在回流区间隔中出现了速度较低的失速团。然后扩压器高速区进一步向外部发展，高速区域和低速区交替出现，在靠近扩压器出口处呈环状均匀分布四个低速区域形成了旋转失速。可以看出失速团中心熵更高，说明能量损失更加严重。
Claims (5)
1.一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，基于建立离心压气机的三维几何模型，建立离心压气机无叶扩压器有限元模型；
步骤二，基于步骤一生成的离心压气机无叶扩压器有限元模型，输入离心压气机稳态与非稳态情况下的边界条件；
步骤三，选取湍流模型，对离心压气机进行稳态模拟和非稳态模拟，探究无叶扩压器失速演变过程，以及能量损失情况。
2.根据权利要求1所述的一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，其特征在于，步骤一中基于建立离心压气机的三维几何模型，再通过定义单元类型，构建网格，建立离心压气机轮无叶扩压器有限元模型。
3.根据权利要求1所述的一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，其特征在于，步骤二中离心压气机边界条件包括壁面采用绝热无滑移边界条件，叶轮为旋转部分，无叶扩压器为静止部分，两部分结合处采用interface边界条件；
在稳态模拟中，叶轮入口边界条件定义为总压101325Pa，参考压力0Pa，设置质量流量为扩压器出口边界条件；
在非稳态模拟中，设置叶轮入口条件为质量流量，流量系数0.3，扩压器出口为开放边界条件。
4.根据权利要求1所述的一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，其特征在于，步骤三中湍流模型选择二方程SST k-ω模型。
5.根据权利要求1所述的一种离心压气机旋转失速过程中能量损失的分析方法，其特征在于，步骤三中将叶轮非稳态模拟一个周期设为100个时间步，时间步长为0.0004s。
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| Title |
|---|
| 李康: "离心压气机宽无叶扩压器旋转失速的诱发机理研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 * |
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