多級(jí)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化（3）

多級(jí)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

第一章  緒論
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用于航天、冶金、化工、能源等部門。金融危機(jī)前，我國(guó)的風(fēng)機(jī)事業(yè)一直處于穩(wěn)定增長(zhǎng)階段。我國(guó)風(fēng)機(jī)制造企業(yè)，近年來(lái)逐步推出了系列化、高效率的新型風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，這些風(fēng)機(jī)產(chǎn)品是我國(guó)風(fēng)機(jī)企業(yè)在消化、吸收外國(guó)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上自主研制的。盡管如此，我國(guó)生產(chǎn)的一些風(fēng)機(jī)目前也還存在著一些問(wèn)題，在離心風(fēng)機(jī)上主要表現(xiàn)在以下幾方面：1、效率低，容量不夠大；2、噪聲大；3、能耗大；4、型式老舊，更新?lián)Q代慢；5、風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)不夠完善。
多年以來(lái)，為了提高離心風(fēng)機(jī)的效率，優(yōu)化其綜合性能，我國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，對(duì)離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行過(guò)很多的分析，并對(duì)其各個(gè)部分的形狀都進(jìn)行了改進(jìn)，取得了一定的成果。
清華大學(xué)袁新教授及其研究生將基于有限元方法的高效率、高精度、高分辨率的LU-SGS-GE 隱式格式和四階 MUSCL TVD 格式求解全三維 Navier-Stokes 方程和低雷諾數(shù) q-ω雙方程湍流模型的計(jì)算程序推廣到離心葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值求解，并以 VKI跨音速透平葉柵和 Krain 高速離心葉輪為例對(duì)離心式葉輪機(jī)械內(nèi)部的氣動(dòng)性能進(jìn)行了全三維的粘性數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該方法的有效性，同時(shí)對(duì) NASA 低速大尺度離心葉輪進(jìn)行了全工況的數(shù)值模擬，給出了該葉輪全工況流量/壓比特性曲線。天津大學(xué)劉正先副教授及其研究生對(duì)離心壓縮機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。詳細(xì)分析了離心壓縮機(jī)各部件如葉輪，擴(kuò)壓器，回流器內(nèi)的速度。壓力和溫度的分布規(guī)律，并分析了影響離心壓縮機(jī)效率的原因。并通過(guò)改變擴(kuò)壓器葉片的安裝角，有效地改善了其內(nèi)部的流動(dòng)情況。中國(guó)科學(xué)院徐建中和杜建一研究員和博士研究生初雷哲對(duì)高轉(zhuǎn)速高壓比離心壓氣機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬，研究了葉輪中不同形狀葉片前緣對(duì)離心壓氣機(jī)性能和流場(chǎng)的影響，并對(duì)離心壓氣機(jī)中葉輪和有葉擴(kuò)壓器之間的相互作用進(jìn)行了非定常的數(shù)值研究。 下面將針對(duì)兩個(gè)方面具體分析近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究離心風(fēng)機(jī)所取得的進(jìn)展。
（一）離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)研究現(xiàn)狀 
根據(jù)研究離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)所用的工具的不同，可以把研究離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的方法分為三種，即：理論分析法、試驗(yàn)分析法和數(shù)值分析法。
1、理論分析法
     理論分析法是以數(shù)值分析，應(yīng)用數(shù)學(xué)，流體力學(xué)等為理論工具，對(duì)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行純理論的研究和分析的一種方法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了大量的研究，得到了諸如理想氣體非定常有摩擦、有傳熱一維流動(dòng)的顯式波動(dòng)解析解；對(duì)理想氣.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 離心風(fēng)機(jī)作為廣泛應(yīng)用的通用機(jī)械，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，廣泛應(yīng)體在有摩擦、有傳熱時(shí)的非定常一維流動(dòng)給出了一些代數(shù)顯式解析解，對(duì)完全氣體不定常解析解地研究、渦動(dòng)力學(xué)離散渦方法的研究、擬流函數(shù)流場(chǎng)解析法的研究、可壓縮非定常三元流動(dòng)變分原理的研究以及三維管道內(nèi)有旋流動(dòng)的渦勢(shì)函數(shù)擬變分原理，對(duì)渦勢(shì)函數(shù)原函數(shù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)改造，提出對(duì)渦勢(shì)函數(shù)邊界條件的處理方法等理論成。
2、試驗(yàn)分析法
實(shí)驗(yàn)分析法是通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試分析，綜合考慮影響流動(dòng)的各種因素來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種方法。李凱、曹淑珍等利用激光多普勒(LDV)測(cè)速儀測(cè)量離心風(fēng)機(jī)葉片擴(kuò)壓器的內(nèi)部流場(chǎng)，結(jié)果表明，在擴(kuò)壓器喉部附近靠近擴(kuò)壓器凹面的局部區(qū)域，速度的方向會(huì)向葉片凸面發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)，隨著流量的增大，該區(qū)域?qū)?huì)向葉片擴(kuò)壓器的下游及流道寬度方向發(fā)展。姜華、宮武旗、張煒等，使用 X 熱膜傳感器測(cè)量了帶有分流葉片離心壓縮機(jī)葉輪出口和擴(kuò)壓器進(jìn)口不同葉片高處的非定常流動(dòng)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)推測(cè)出應(yīng)對(duì)擴(kuò)壓器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以減少能量損失。朱宏磊、李益民等從流場(chǎng)的角度出發(fā)，通過(guò)試驗(yàn)得出葉輪葉片的磨損情況，對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉輪的后蓋板中心處傾角進(jìn)行了研究，得出傾角對(duì)流場(chǎng)、葉片的磨損和內(nèi)部粒子碰撞有很大影響。另外 Aungier 給出了無(wú)葉擴(kuò)壓器、彎道和回流器的設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Flathers 和 Bache 等進(jìn)行了模化后(模化比 0.5)的工業(yè)管線壓縮機(jī)的進(jìn)口流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究，包括進(jìn)口導(dǎo)葉的有無(wú)和角度大小對(duì)流場(chǎng)的影響。Hagelstein 和 Braembussche 等研究了不同工況下蝸殼內(nèi)壓力的恢復(fù)和損失，并給出了壓力損失的計(jì)算方法分別研究了低壓壓縮過(guò)程、多段離心壓縮機(jī)和無(wú)葉擴(kuò)壓器內(nèi)的喘振和旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。
等測(cè)量了半開式葉輪的葉頂間隙運(yùn)轉(zhuǎn)值并給出了間隙值的控制方法和泄漏對(duì)性能的影響。相對(duì)來(lái)說(shuō)，中外學(xué)者更注意對(duì)擴(kuò)壓器的研究。

分別得到了無(wú)葉和葉片擴(kuò)壓器內(nèi)的速度分布，前者還將不同轉(zhuǎn)速時(shí)的測(cè)量結(jié)果與采用κ-ε湍流模型和SIMPLEC 算法得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。Engeda分別研究了無(wú)
葉擴(kuò)壓器寬度、前者還研究了葉片擴(kuò)壓器的葉片數(shù)、不同擴(kuò)壓器型式對(duì)級(jí)性能的影響。

等分別研究了無(wú)葉擴(kuò)壓器伴隨非定常和旋轉(zhuǎn)失速的回流現(xiàn)象以及不同幾何形狀的葉片擴(kuò)壓器與葉輪的相互作用。但是葉輪機(jī)械的內(nèi)部流場(chǎng)非常復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的成本高，周期長(zhǎng)，測(cè)量技術(shù)不夠完善，就目前而言，還沒辦法精確測(cè)量邊界層內(nèi)的流動(dòng)和全部意義上的非定常流動(dòng).