王銘毅 王志恒 武耀族 張譯文 席 光

（西安交通大學(xué)）

0 引言

離心式壓氣機(jī)是中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一，在設(shè)計(jì)時(shí)通常假設(shè)其進(jìn)口流場(chǎng)均勻，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)往往在進(jìn)口截面呈現(xiàn)某些氣動(dòng)參數(shù)不均勻，即存在進(jìn)口畸變。就目前而言，進(jìn)口畸變問(wèn)題是壓氣機(jī)流動(dòng)領(lǐng)域重點(diǎn)研究問(wèn)題之一，關(guān)乎壓氣機(jī)的拓穩(wěn)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

數(shù)值模擬方法可以捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)以及時(shí)空演化特性，進(jìn)而考察畸變的傳播機(jī)理。Sun 和Lesser 等[1-2]總結(jié)出高負(fù)荷軸向轉(zhuǎn)子循環(huán)流動(dòng)參數(shù)的變化過(guò)程可分為三個(gè)階段。進(jìn)口畸變?cè)谳S向、周向和徑向上都與整個(gè)通道內(nèi)的流場(chǎng)發(fā)生相互作用。尤其要考慮進(jìn)氣口畸變?cè)趬簹鈾C(jī)中傳播的機(jī)理。該機(jī)理可以指導(dǎo)預(yù)測(cè)畸變?cè)趬簹鈾C(jī)流道傳遞中相位的改變與強(qiáng)度的變化。Fidalgo 等人[3]討論了NASA67 跨聲速級(jí)壓氣機(jī)與畸變相互作用，通過(guò)分析進(jìn)出口溫度變化，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子下游總壓畸變的衰減是明顯的。Zhao等[4-5]探索了組合壓氣機(jī)軸流段靜子尾跡振蕩特性，發(fā)現(xiàn)上游軸流轉(zhuǎn)子和下游離心葉輪的擾動(dòng)效應(yīng)在展向和弦向方向上的作用是不同的。Page等[6]通過(guò)模擬數(shù)值模擬方法逐漸逼近壓氣機(jī)失速點(diǎn)工況，分析不同進(jìn)口畸變條件下導(dǎo)致壓氣機(jī)失速的旋渦結(jié)構(gòu)，認(rèn)為失速團(tuán)起始于葉片吸力面和葉頂前緣溢出流，并帶有強(qiáng)烈的非定常性，會(huì)影響到相鄰葉片流動(dòng)。Zhang 等[7]在軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定性研究工作中也得到此結(jié)果，并進(jìn)一步指出在周向畸變條件下旋轉(zhuǎn)失速是如何被觸發(fā)的。對(duì)于離心壓氣機(jī)進(jìn)氣畸變的研究，Cousins等人[8]描述了兩級(jí)離心式壓氣機(jī)的壓力和溫度進(jìn)口畸變測(cè)試，通過(guò)分析流動(dòng)參數(shù)的變化研究畸變對(duì)性能的影響。Sitaram[9]系統(tǒng)研究了不同類(lèi)型進(jìn)口壓力畸變對(duì)離心式壓縮機(jī)性能和流場(chǎng)的影響。郭偉[10]、陳曉軒[11]和宋國(guó)興[12]等對(duì)畸變進(jìn)氣條件下壓氣機(jī)流場(chǎng)的特性進(jìn)行了大量的數(shù)值仿真研究，其研究結(jié)果都表明了進(jìn)口畸變使得壓氣機(jī)進(jìn)口壓力分布不均勻，進(jìn)一步影響到下游流動(dòng)穩(wěn)定性，使得失速邊界右移，甚至產(chǎn)生回流現(xiàn)象，陳夢(mèng)羽等[13]則更進(jìn)一步地提出了畸變進(jìn)口條件下壓氣機(jī)的優(yōu)化方式，降低了進(jìn)口區(qū)對(duì)畸變的敏感性。楊晰瓊等[14]則關(guān)注了周向流場(chǎng)畸變?cè)趶较驍U(kuò)壓器和回流器內(nèi)的傳播特征，其結(jié)果表明徑向擴(kuò)壓器流場(chǎng)中的畸變區(qū)域會(huì)沿周向朝壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向旋轉(zhuǎn)。

可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究工作尚未深入考慮畸變?cè)陔x心壓氣機(jī)中的傳播特性，需要發(fā)展新的分析方法揭示畸變的傳播規(guī)律。本文通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)一小尺寸高速離心壓氣機(jī)進(jìn)行三維全周非定常計(jì)算，分析進(jìn)口總壓畸變條件下壓氣機(jī)內(nèi)近失速工況的典型流動(dòng)特征，研究畸變對(duì)流動(dòng)參數(shù)的影響以及畸變的時(shí)空演化過(guò)程，揭示進(jìn)口總壓畸變?cè)陔x心壓氣機(jī)中的傳播特性。分析畸變傳遞規(guī)律，探究畸變演化特征與瞬時(shí)特性。研究流道內(nèi)部流動(dòng)的非定常性，揭示進(jìn)口畸變產(chǎn)生的周期特性。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 計(jì)算模型

本文所采用的研究對(duì)象是西安交通大學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的高速離心式壓氣機(jī)，包含進(jìn)口段濾網(wǎng)、離心葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器和下游的蝸殼。壓氣機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為20000r/min 時(shí)，在設(shè)計(jì)質(zhì)量流量為0.59kg/s時(shí)，級(jí)總壓比約為1.35。

表1 離心壓氣機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of compressor

1.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)口段、葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器、蝸殼及出口管道。網(wǎng)格如圖1所示，除蝸殼部件采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部件均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)于非葉片區(qū)如進(jìn)口段、無(wú)葉擴(kuò)壓器以及蝸殼采用ANASYS-ICEM 生成網(wǎng)格，并在端壁處進(jìn)行網(wǎng)格加密。葉輪模型區(qū)域采用TurboGrid模塊自動(dòng)化生成單通道網(wǎng)格，在輪轂、輪蓋和葉片處進(jìn)行局部加密。單個(gè)葉片通道的數(shù)值模擬網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為106萬(wàn)，網(wǎng)格類(lèi)型為C 型網(wǎng)格。整周計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)約為1170 萬(wàn)。壁面第一層網(wǎng)格保證30＜y+＜300，以滿足計(jì)算精度要求。

圖1 計(jì)算域網(wǎng)格展示Fig.1 Grid display of computing domain

1.3 計(jì)算及求解設(shè)置

本文對(duì)于進(jìn)口總壓畸變的研究采用了全三維數(shù)值模擬方法。本文的流體工質(zhì)均設(shè)置為可壓縮理想氣體。湍流模型采用k-ε模型。在進(jìn)行壓氣機(jī)定常單流道數(shù)值模擬時(shí)，計(jì)算域周向采用周期性邊界條件，進(jìn)口邊界給定總溫、總壓，出口邊界給定質(zhì)量流量。對(duì)于非定常計(jì)算的時(shí)間步設(shè)置，首先得到葉輪葉片旋轉(zhuǎn)一個(gè)柵距所需要的時(shí)間，之后根據(jù)所需非定常計(jì)算精度設(shè)置具體時(shí)間步。本文定常計(jì)算的收斂與否根據(jù)殘差值、流量值變化和效率變化判定。非定常計(jì)算是通過(guò)在流道內(nèi)部設(shè)置壓力和流量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)表現(xiàn)出完全周期性波動(dòng)時(shí)認(rèn)為其計(jì)算結(jié)果達(dá)到收斂狀態(tài)。在純凈進(jìn)口條件下，設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)至少需經(jīng)過(guò)6個(gè)旋轉(zhuǎn)周期達(dá)到收斂要求。在畸變進(jìn)口條件下，均用純凈進(jìn)口工況作為初場(chǎng)，設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)至少需要10個(gè)旋轉(zhuǎn)周期才會(huì)達(dá)到收斂要求。當(dāng)計(jì)算近失速工況點(diǎn)時(shí)，以葉輪流道周向位置不同、半徑位置相同處監(jiān)測(cè)速度變化。由于流量的減小，流道內(nèi)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速，速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，且沿周向傳播，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)間捕捉到相同的周期性波動(dòng)，認(rèn)為計(jì)算收斂。收斂所需時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)至15個(gè)旋轉(zhuǎn)周期左右。

數(shù)值模擬中采用了兩種不同的總壓畸變作為進(jìn)口邊界條件。一種是由位于上游的60°畸變網(wǎng)產(chǎn)生壓降強(qiáng)度為均勻來(lái)流總壓1.3%的周向畸變(簡(jiǎn)稱(chēng)60°畸變)；另一種是由三個(gè)周向?qū)ΨQ(chēng)的20°畸變網(wǎng)產(chǎn)生壓降強(qiáng)度為均勻來(lái)流總壓1.3%的總壓畸變(簡(jiǎn)稱(chēng)3×20°畸變)，用于模擬組合壓氣機(jī)離心段進(jìn)口的壓力分布形式，即軸流段下游導(dǎo)葉產(chǎn)生的總壓畸變?？倝夯兎植夹问饺鐖D2所示，壓力分布如圖3所示。

圖2 兩種不同總壓畸變形式Fig.2 Two different forms of total pressure distortion

圖3 周向壓力分布圖Fig.3 Circumferential pressure distribution

2 結(jié)果及驗(yàn)證

研究進(jìn)口畸變對(duì)離心壓氣機(jī)整體性能的影響效果，以不同畸變角計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。如圖4所示，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所測(cè)值的趨勢(shì)吻合良好，流量-壓比曲線和流量-效率曲線變化趨勢(shì)基本一致，總壓比的偏差在3%范圍內(nèi)，效率在小流量工況下基本一致，大流量工況下存在低于5%的偏差，這是由于湍流模型的誤差及計(jì)算模型的簡(jiǎn)化造成的。數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的差異在可接受范圍內(nèi)，可以反映穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的過(guò)程，計(jì)算精度滿足要求。對(duì)比表2和表3發(fā)現(xiàn)，在高效率點(diǎn)工況下，進(jìn)口總壓畸變?cè)斐蓧簹鈾C(jī)總壓比和等熵效率略微的降低在近失速工況點(diǎn)下，則對(duì)性能有較小的提升，說(shuō)明其綜合效應(yīng)有利于葉輪做功，保持壓氣機(jī)在近失速時(shí)的性能。

圖4 壓氣機(jī)特性數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of compressor characteristics

表2 不同流向位置周向畸變強(qiáng)度大小/%Tab.2 Circumferential distortion intensity at different flow direction positions/%

3 畸變條件下進(jìn)口來(lái)流的流動(dòng)特征分析

通過(guò)全周非定常三維數(shù)值模擬計(jì)算，選取最高效率工況點(diǎn)，分析進(jìn)口畸變?cè)陔x心壓氣機(jī)中的傳播規(guī)律。離心葉輪每經(jīng)過(guò)一次畸變區(qū)域，流場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生一次擾動(dòng)，這種擾動(dòng)同時(shí)也會(huì)向下游傳遞，對(duì)下游流場(chǎng)產(chǎn)生影響。

3.1 畸變對(duì)葉輪進(jìn)口截面的影響特性

來(lái)流通過(guò)葉輪之前，先要經(jīng)過(guò)進(jìn)口段及導(dǎo)流帽。葉輪上游的靜壓場(chǎng)會(huì)引起徑向流動(dòng)，進(jìn)一步影響流體的展向分布。

如圖5(a)所示，通過(guò)分析葉輪進(jìn)口和導(dǎo)流帽表面的靜壓分布發(fā)現(xiàn)，在均勻進(jìn)口條件下，葉輪進(jìn)口的導(dǎo)流帽中心是一個(gè)壓力駐點(diǎn)，該駐點(diǎn)位于導(dǎo)流帽正中心，該位置速度為零，靜壓達(dá)到局部最大值。然而，對(duì)于進(jìn)口畸變條件下的流動(dòng)情況，駐點(diǎn)的位置會(huì)發(fā)生變化，流動(dòng)的均勻性與對(duì)稱(chēng)性發(fā)生了改變。如圖5(b)所示，隨著流動(dòng)速度的減慢，導(dǎo)流帽位置接近均勻進(jìn)口流動(dòng)區(qū)域比接近畸變區(qū)域流動(dòng)的靜壓更高，這種不平衡性導(dǎo)致駐點(diǎn)向均勻來(lái)流區(qū)域偏移。同樣，在圖5(c)中，三個(gè)20°扇形畸變是周向?qū)ΨQ(chēng)的，因此，導(dǎo)流帽表面出現(xiàn)了三個(gè)偏置的壓力駐點(diǎn)，由于非定常計(jì)算得到的是全周流場(chǎng)的一個(gè)瞬時(shí)特性，故流動(dòng)分布并非完全周向?qū)ΨQ(chēng)?；兪沟眠M(jìn)口同一周向位置出現(xiàn)了高壓區(qū)和低壓區(qū)，由于壓力梯度的驅(qū)使作用，高壓區(qū)的流體會(huì)向低壓區(qū)排擠，一部分均勻來(lái)流區(qū)域的流體向靠近葉輪進(jìn)口輪轂的畸變區(qū)域遷移（圖6）。畸變?cè)谶M(jìn)口段產(chǎn)生的影響不僅會(huì)造成壓力的周向不均勻分布現(xiàn)象，還會(huì)造成流體的流動(dòng)偏移，并將效應(yīng)傳遞到下游流動(dòng)中。

圖5 不同來(lái)流條件下葉輪進(jìn)口靜壓分布Fig.5 Distribution of static pressure at the impeller inlet under different inflow conditions

圖6 60°畸變進(jìn)口段流線分布Fig.6 Streamline distribution in 60°distorted inlet section

如圖7和圖8所示，不同形式的進(jìn)口總壓畸變，在畸變區(qū)對(duì)應(yīng)的葉輪進(jìn)口截面處，存在速度方向相反的周向速度，在畸變流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的部分形成吸力區(qū)，周?chē)牧黧w被驅(qū)動(dòng)到這個(gè)區(qū)域，從而產(chǎn)生局部旋流和局部徑向速度。由于正、反兩個(gè)方向的周向速度存在，兩部分流體相互擠壓，并且由于導(dǎo)流帽端壁的存在，迫使壁面附近的流體相互沖擊后沿著徑向方向向外擴(kuò)散，產(chǎn)生局部較大的徑向速度。

圖7 不同來(lái)流條件旋流分布Fig.7 Vortex distribution under different inflow conditions

3.2 畸變對(duì)流動(dòng)沿流向的非均勻擾動(dòng)特性

在得到進(jìn)口畸變?cè)斐傻闹芟蚍植己土飨蚍植己螅斜匾獙?duì)兩種進(jìn)口總壓畸變的強(qiáng)度進(jìn)行量化。分析方法中使用了AIR1419 標(biāo)準(zhǔn)[15]中詳細(xì)規(guī)定的畸變指數(shù)。如圖9 所示，周向畸變強(qiáng)度的定義是通過(guò)對(duì)給定低壓區(qū)平均壓力與高壓區(qū)平均壓力的比值得到的，“i”代表的是高壓區(qū)和低壓區(qū)的周向角度大小。高于整個(gè)軸向截面平均總壓的部分為高壓區(qū)，其余平均總壓的區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)，由此確定θ角度的大小。(PAV)i是總的周向截面平均壓力，(PAVLOW)i是畸變區(qū)的平均壓力。這一概念也可以推廣到離心葉輪中。

圖9 畸變區(qū)平均壓力與全周平均壓力計(jì)算方法示意圖[15]Fig.9 Schematic diagram of calculation method of average pressure and full cycle average pressure in distortion zone

周向畸變強(qiáng)度的定義方法是：

所采用定義下的周向畸變強(qiáng)度表征某軸向截面壓力分布的不均勻強(qiáng)度。本文中兩種不同畸變條件下的壓降均為純凈進(jìn)口總壓的1.3%。根據(jù)周向畸變強(qiáng)度的定義將該方法應(yīng)用于葉輪的流向，可以獲得流道內(nèi)的流動(dòng)非均勻強(qiáng)度，通過(guò)與純凈進(jìn)口相比，得到從進(jìn)口到出口的畸變影響效果。根據(jù)定義，表2為不同流向位置周向畸變強(qiáng)度大小。隨著氣流由上游向下游流動(dòng)，非均勻強(qiáng)度增大。對(duì)比可得，60°畸變角條件下、3×20°畸變角條件下流動(dòng)非均勻性與純凈進(jìn)口差異不大，均低于5%，表明進(jìn)口總壓畸變可以在一定程度上通過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)做功作用和與主流摻混作用消散掉。葉輪沿著流道半徑增大，使得離心力增大。并且，隨著分流葉片參與做功，離心壓氣機(jī)的壓縮能力逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致同一流向截面內(nèi)的壓力分布不均勻程度增大，因此流動(dòng)不均勻性增大。而三種情況之間沒(méi)有明顯的差別，說(shuō)明離心壓氣機(jī)具有一定的抵抗小強(qiáng)度、小面積分散畸變和小強(qiáng)度、大面積畸變的能力。

4 畸變傳播的瞬時(shí)特性

4.1 畸變來(lái)流的演化特征

通過(guò)非定常計(jì)算，研究進(jìn)口總壓畸變?cè)陔x心壓氣機(jī)內(nèi)部隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。圖10 展示了3×20°畸變角流量為0.59kg/s工況下50%展向高度的瞬態(tài)葉片展開(kāi)截面的總壓分布圖。從圖中可以分析得到畸變?cè)陔x心葉輪內(nèi)的傳遞和演化機(jī)理。其中，T 是旋轉(zhuǎn)周期。圖中深藍(lán)色部分是畸變所產(chǎn)生的低壓區(qū)，在圖中已經(jīng)標(biāo)出。紅色線圈表示主葉片與進(jìn)口畸變區(qū)來(lái)流對(duì)應(yīng)的來(lái)流低壓流體之間的相互作用位置。當(dāng)葉輪葉片旋轉(zhuǎn)通過(guò)低壓區(qū)時(shí)，在葉片旋轉(zhuǎn)的作用下導(dǎo)致低壓區(qū)向旋轉(zhuǎn)方向有一定程度的牽引。兩個(gè)主葉片之間由于低能和高能流體周期性的交錯(cuò)摻混，形成葉片前緣區(qū)至分流葉片區(qū)域的流動(dòng)特征。當(dāng)葉片通過(guò)低壓區(qū)時(shí)，低動(dòng)量流體直接沖擊到葉片吸力面?zhèn)?，隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，低動(dòng)量流體被運(yùn)輸?shù)较掠闻c主流混合。這一現(xiàn)象起始于是0/8T時(shí)刻，此時(shí)低壓流體完全覆蓋相鄰兩個(gè)葉片之間的流道，上方葉片開(kāi)始進(jìn)入畸變區(qū)。在1/8T 時(shí)刻，主要討論上方葉片開(kāi)始“切割”畸變區(qū)域，低動(dòng)量流體開(kāi)始在葉片前緣吸力側(cè)匯聚。而前一個(gè)葉片，即下方葉片表面并沒(méi)有脫離低壓區(qū)，仍然影響下游的流動(dòng)，這是由于低動(dòng)量流體在葉片表面的粘附作用和相位滯后的作用。這種情況一直持續(xù)到5/8T 時(shí)刻，此時(shí)，所討論的葉片占據(jù)了低壓范圍的70%。在6/8T 時(shí)刻，低動(dòng)量流體傳播到主葉片50%弦線的位置上，開(kāi)始影響分流葉片區(qū)的壓力分布。當(dāng)離心葉輪運(yùn)行到下一個(gè)周期時(shí)，下游流道內(nèi)仍然沒(méi)有消除低動(dòng)量和高動(dòng)量流體的混合作用。此時(shí)，在這一流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，低動(dòng)量流體在流道中所占的比例明顯增大，在7/8T 和0/8T 時(shí)刻的總壓分布云圖上的紅色線圈處可以觀察到。進(jìn)口總壓畸變所產(chǎn)生的流場(chǎng)分布形式，隨著流動(dòng)向下游輸送，這種非均勻流場(chǎng)對(duì)速度、溫度等物理參數(shù)產(chǎn)生不同的影響，改變了流場(chǎng)原有的空間特征。

圖10 50%葉高處不同時(shí)刻展向截面總壓分布云圖Fig.10 Nephogram of total pressure distribution in spanwise section at different times at 50%blade height

圖11 展示的是50%葉高處不同時(shí)刻展向截面馬赫數(shù)分布云圖，黑線表示的是同一個(gè)主葉片。主流葉片在一個(gè)周期內(nèi)穿過(guò)畸變區(qū)。通過(guò)跟蹤葉輪進(jìn)口處的非均勻馬赫數(shù)分布區(qū)域，分析葉片與低能、高能流體之間的相互作用，可以得到畸變對(duì)流場(chǎng)速度參數(shù)的影響效果。0/8T 時(shí)刻到4/8T 時(shí)刻表示主葉片通過(guò)進(jìn)口總壓畸變所引起的低馬赫數(shù)區(qū)域。低速區(qū)流體首先附著在主葉片上，沿葉片表面向下游發(fā)展到弦長(zhǎng)的10%左右，然后低能流體逐漸從附著處脫離，并傳播到下流分離葉片處。下一刻5/8T，分流葉片前緣開(kāi)始出現(xiàn)小范圍的低速區(qū)，由紅圈標(biāo)出。而且低速區(qū)有擴(kuò)張趨勢(shì)，使局部馬赫數(shù)在5/8T到7/8T時(shí)有一定程度的降低，直至該分流葉片對(duì)應(yīng)的主流葉片脫離畸變區(qū)，與非畸變區(qū)流體混合，進(jìn)入到下一個(gè)周期。主葉片在一個(gè)流動(dòng)周期中經(jīng)歷的過(guò)程是“低速流體團(tuán)附著—沿伸—脫離”，分流葉片為“附著—擴(kuò)大—消散”。畸變區(qū)造成的非勻速?zèng)_擊使葉片承受較大的周期性交變應(yīng)力，使得主葉片前緣對(duì)進(jìn)口總壓畸變引起的流場(chǎng)不均勻性更為敏感。對(duì)于60°畸變角的進(jìn)口條件，其流動(dòng)結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)演化過(guò)程與3×20°進(jìn)口畸變類(lèi)似。

圖11 50%葉高處不同時(shí)刻展向截面馬赫數(shù)分布云圖Fig.11 Mach number distribution cloud diagram of spanwise section at different times at 50%blade height

4.2 絕對(duì)坐標(biāo)系下的時(shí)均流線

為了真實(shí)地反應(yīng)流場(chǎng)的連續(xù)變化情況，以60°進(jìn)口畸變角為例，通過(guò)如圖12的程序框圖求得絕對(duì)坐標(biāo)系下時(shí)均流線的分布，以探索進(jìn)口畸變對(duì)流線軌跡的影響。整個(gè)離心葉輪被劃分為10個(gè)連續(xù)流管區(qū)域，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期時(shí)間內(nèi)對(duì)流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行平均處理，于進(jìn)口、中間流向位置以及出口截面位置繪制流線軌跡。該方法實(shí)現(xiàn)的具體思路是，先導(dǎo)出全周不同子午面網(wǎng)格坐標(biāo)參數(shù)，此時(shí)只包括網(wǎng)格的坐標(biāo)信息，不包含流場(chǎng)信息，通過(guò)插值法將子午面網(wǎng)格劃分為只包含流向和展向坐標(biāo)的規(guī)則網(wǎng)格。第二步導(dǎo)出非定常計(jì)算中一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的所有時(shí)間步的流場(chǎng)參數(shù)，如速度系數(shù)，壓力，溫度等，之后插值到由第一步得到全周網(wǎng)格，第三步通過(guò)求解一個(gè)周期內(nèi)平均值得到時(shí)均流場(chǎng)信息。其結(jié)果如圖12 所示。研究發(fā)現(xiàn)，隨著流動(dòng)向下游進(jìn)行，位于進(jìn)口截面均勻流線逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且位于80%葉高處流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。從圖13(c)葉輪出口流線軌跡可發(fā)現(xiàn)，葉輪葉片位于畸變區(qū)外，流線軌跡偏轉(zhuǎn)較小，靠近葉根區(qū)域的流線軌跡分布均勻。當(dāng)葉片處于畸變區(qū)時(shí)，靠近葉頂區(qū)域的流線偏轉(zhuǎn)明顯。進(jìn)口畸變改變了流線的分布，且在葉片旋轉(zhuǎn)退出畸變區(qū)時(shí)，仍受到畸變的影響。說(shuō)明畸變對(duì)流線主要影響區(qū)域在葉片展向位置較大的地方，且影響效果會(huì)沿周向方向傳播。展向方向越大即越靠近葉頂區(qū)域的流線偏轉(zhuǎn)程度越大，靠近葉根區(qū)域的流線最為均勻。

圖12 求解絕對(duì)坐標(biāo)系下流線程序框圖Fig.12 The diagram for solving streamline program in absolute coordinate system

圖13 進(jìn)出口流線軌跡Fig.13 Inlet and outlet streamline track

5 結(jié)論

本文通過(guò)全周非定常三維數(shù)值模擬計(jì)算，選取最高效率工況點(diǎn)，分析進(jìn)口畸變?cè)陔x心壓氣機(jī)中的傳播規(guī)律。由于離心葉輪后半部具有更強(qiáng)的壓縮能力，并且分流葉片參與做功，低壓區(qū)流體同時(shí)受到壓縮作用，以及流道的通道面積減小限制了進(jìn)口總壓畸變的發(fā)展，使得畸變區(qū)隨著流動(dòng)向下游發(fā)展逐漸減小。對(duì)比純凈進(jìn)口與畸變進(jìn)口來(lái)流條件下沿流向的流動(dòng)非均勻度，三種情況之間沒(méi)有明顯的差別，說(shuō)明離心壓氣機(jī)具有一定的抵抗小強(qiáng)度、小面積分散畸變和小強(qiáng)度、大面積畸變的能力。進(jìn)口畸變條件下，主葉片在一個(gè)流動(dòng)周期中經(jīng)歷的過(guò)程是“低速流體團(tuán)附著-沿伸-脫離”，分流葉片為“附著-擴(kuò)大-消散”，主葉片前緣對(duì)進(jìn)口總壓畸變引起的流場(chǎng)不均勻性更為敏感。通過(guò)求解絕對(duì)坐標(biāo)系下的時(shí)均流線，可得畸變對(duì)流線主要影響區(qū)域在葉片展向位置較大的地方，且影響效果會(huì)沿周向方向傳播。越靠近葉頂區(qū)域的流線彎曲程度越大，靠近葉根區(qū)域的流線最為均勻。