空间离散格式对离心压缩机CFD计算的影响

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重要设备口]。作为石油化工、天然气领域中最常见的旋转叶轮机械，离心压缩机的气动特性研究-直以来备受关注。高性能离心压缩机模型开发与准确计算其气动特性密不可分。国内外科研工作者通过数值模拟和试验等手段，针对离心压缩机叶轮叶片、蜗壳结构优化 ]、内部多维流动分布测试模拟 及噪声控制口训等方面进行了大量的研究工作。采用现代计算流体动力学(CFD)手段对气动特性进行研究不仅有助于高性能整机模 型的开发 ，而且可以对工程实 际中的许 多非定常工况进行 预测分析和评判 。

在离心压缩机的气动特性数值计算时，通常有 2种空间离散格式 ，即中心差分格式、迎风格式。通过对某型号离心压缩机的性能进行数值计算，探讨 2种空问离散格式对计算结果的影响。综合运用现代计算流体力学技术和计算机软件应用技术，采用 CFD分析软件 FineTM/Turbo系列软件包对离心压缩机叶轮的三维定常黏性流厨行数值模拟，获得相关气动参数。

计算结果为该类型旋转叶轮机械的设计与现场改造提供参考数据。

收稿日期：2012-04-181 离心压缩机的结构及参数通过 CAD软件获得叶轮 iges格式 的几何数据，然后导入 Fine /IGG，结构上 主要包括进 口管 、叶轮、无 叶扩压器、蜗壳、出 口管 、轮背气封和轴封等，经整理后其整机及气封子午视图如图 1所示 。

图 1 离心压缩机整机及子气封午视 图介质为空气，考虑成不可凝结流体。边界条件设定如下：标态流量为49 500 Nm。/h，进气压力为 2.78 MPa，进气温度为 313.15 K，排气压力为 3.96 MPa，叶轮轮背侧轴封压力为1.6 MPa，叶轮转速为19 300 r/min。针对以上16 北京石油化工学院学报 2012年第 20卷气动边界条件进行计算，得到质量流量、总压和总温，标况压力为0.i01 325 MPa，标况温度为273.15 K，换算后质量流量为 17.77 kg/s。在FINE /Turbo 中， 给 定 进 口 总 压 为2.782 117 MPa，进口总温为 313.22 K，轴向进气，进口湍流黏性为 1.0×10 m /s。轮背轴封设置为出口，静压为 1.6 MPa，排气管出口静压为 3～4.1 MPa，叶轮转速为19 300 r/min，轮背侧密封与叶轮相连的壁面与叶轮同时旋转。

2 计算方法前处理拈采用 IGG/AutoGrid5生成空间离散结构化网格，计算域进 口管、叶轮、轮背气封和轴封的网格采用 AutoGrid5自动生成，叶轮叶顶 间隙 网格采用 Butterfly型结构化 网格 ，蜗壳和出口管的网格在 IGG中生成。离心压缩机的整机计算网格以及轴封和气封网格如图 2所示，在 IGG/AutoGrid5中生成 网格 时，加密靠近壁面的网格满足湍流模型对 Y 的要求 。网格节点总数约 67万。

锄 蕊 - 轴封N-s方程求解器采用 FINETM拈 的EURANUs求解器，对离心压缩机的定常流场进行模拟≌间离散差分格式分别采用中心差分格式和具有二阶精度的迎风格式，在中心差分格式中，自动添加二阶和四阶人工黏性；在迎风格式中，采用 Min Mod限制器控制流充断面附近的数值振荡，时间推进采用四阶 Runge-Kutta法迭代求 解 ，多重 网格法 和局部 时间步法可以加速收敛，湍 流模 型采用低雷诺 数Spalart-Almaras模型。叶轮和无叶扩压器之间的交界面采用混合平面方法处理 ，Ful Non-matching技术保证 了交界面上游 和下游 的质量流量 、动量和能量守恒。

判断计算收敛 的基本原则 ：(1)随着迭代步数的增加，总残差降低至某-水平并保持微幅振荡，-般情况下这-水平保持较小的值(负值)；(2)随着迭代步数的增加，总体参数(质量流量、等熵效率、总压比或膨胀比、扭矩和功率等)不再变化并保持该水平。计算过程中的进出口质量流量的计算收敛情况为，在总迭代步数达到 300步时，计算已趋于收敛，进出口质量误差为 0.06%，这也表明了软件的计算稳定性和快速收敛性 ]。

3 气动性能计算与分析采用滞止总参数对增压端的总性能进行分析。总压比和滞止等熵效率的表达式分别为：7r -嚣 ㈩-- - T其中 ，P 、 、P 、T 分别为进 口总压、进 口总温、出VI总压、出口总温。

扭矩的计算值与数值模拟过程中选定计算域 中的几何面有关系。在数值计算 中，选择计算域中旋转的固体壁面计算扭矩。在总体性能参数的计算中，进1：2参数取喷嘴进口的气动参数密流加权平均值，出口参数取叶轮出口的气动参数密流加权平均值。采用 CFView拈对三维数值模拟计算结果进行处理和分析，在计算中空间离散格式分别采用了中心差分格式和迎风格式 2种方法，获得增压端在不 同工况点下的总体气动性能，如表 1和表 2所示。

将表 1中的总压比数据绘制成曲线图，可以更直观地看出各总体参数随着状态点变化的趋势，如图3所示。

第 4期 肖云峰等 .空间离散格式对离心压缩机 CFD计算的影响 17表 1 离心压缩机总体性能参数黑 曩 蠡 萎篓 蠡 -g /w中 1 33.O8 1.08 0.228 1.107 0.237 l13E06 557.33 1 3O.1l 1.26 0.570 1.12O 0.583 1.17E06 577.81心 2 25. 14 1.37 0.723 1.130 0.735 104EO6 516.25 差 2 3O. 5O 1.26 0.569 1.122 0.583 1.19E O6 590.31 风分 格 3 2O.33 1.44 0.797 1.138 0.807 8.97E05 444.O0格 3 22.54 1.44 0.777 1.141 0.788 1.01E06 497.35 4 l9. 88 1.44 0.795 1.139 0.806 8.81EO5 435.81 式 计计 4 16.70 1.47 0.787 1.149 0.798 7.96E05 394.00 璧 5 18.85 1.45 0.802 1.141 0.8l2 8.54EO5 422.54算 6 6. 38 1.47 0.689 1.169 0.706 4.03E 05 199.25表 2 离心压缩机总体气动参数4 结论质量流量/(kg·s-1)图 3 流量-总压比特性曲线利用 2种空间离散格式计算某-离心压缩机的总体气动性能，计算结果表明，在设计点附近的计算点上，使用中心格式和离散格式，两者之间的计算结果差别不大。在小流量点计算时，使用迎风格式更容易让 CFD计算收敛；在大流量点计算时，使用中心格式更容易让 CFD计算收敛。多个计算结果和比较分析有助于指导类似离心压缩机气动数值计算。在通过数值计算寻求类似离心压缩机的喘振边界时，使用迎风格式会得到比较稳定的结果。同时，在寻求失速边界时，使用中心格式能得到比较稳定的结果，这对离心压缩机的叶型设计具有十分重要的参考意义。