Numeca離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算規(guī)范

1、離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算規(guī)范P56頁北京理工大學(xué)渦輪增壓實(shí)驗(yàn)室2008年10月目錄1. 項(xiàng)目研究目標(biāo)12. 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容13項(xiàng)目研究成果13.1壓氣機(jī)三維流場(chǎng)數(shù)值仿真網(wǎng)格相關(guān)性研究13.1.1 J90壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格相關(guān)性分析23.1.1.1 J90壓氣機(jī)幾何及參數(shù)23.1.1.2 數(shù)值方法23.1.1.3 計(jì)算網(wǎng)格33.1.1.4 計(jì)算結(jié)果43.1.2 J60 壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格相關(guān)性分析123.1.2.1 J60壓氣機(jī)幾何及參數(shù)123.1.2.2 計(jì)算方法123.1.2.3 計(jì)算網(wǎng)格123.1.2.3 計(jì)算結(jié)果153.1.3 結(jié)論203.2壓氣機(jī)三維流場(chǎng)數(shù)值仿真網(wǎng)格劃分技術(shù)研究213.2.1 網(wǎng)格

2、分區(qū)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)壓氣機(jī)葉輪流道網(wǎng)格質(zhì)量的影響213.2.2 復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分293.2.2.1 封頭結(jié)構(gòu)293.2.2.2 子午結(jié)構(gòu)與尾緣平齊結(jié)構(gòu)323.2.3附面層網(wǎng)格剖分的要求353.2.4 葉輪網(wǎng)格質(zhì)量的控制及準(zhǔn)則363.2.4.1 葉輪網(wǎng)格質(zhì)量控制363.2.4.2 葉輪網(wǎng)格質(zhì)量判斷準(zhǔn)則433.2.5 結(jié)論453.4.2網(wǎng)格塊的劃分483.4.3蝶形網(wǎng)格的使用493.4.4蝶形網(wǎng)格的內(nèi)部加密503.4.5網(wǎng)格塊之間的連接513.5壓氣機(jī)三維流場(chǎng)仿真計(jì)算區(qū)域的選擇研究533.5.1 J90增壓器實(shí)驗(yàn)測(cè)試說明533.5.2 J90 壓氣機(jī)幾何說明543.5.3 J90壓氣機(jī)計(jì)算進(jìn)口邊界

3、條件的給定543.5.4 J90壓氣機(jī)單葉輪計(jì)算553.5.5 J90壓氣機(jī)級(jí)計(jì)算563.5.6 J90壓氣機(jī)級(jí)及出口管道計(jì)算573.5.7 結(jié)論593.6壓氣機(jī)三維流場(chǎng)仿真計(jì)算邊界條件的給定研究593.6.1 進(jìn)口條件593.6.2 出口條件623.6.3 結(jié)論643.7湍流模型的選擇研究653.7.1 計(jì)算收斂性683.7.2 計(jì)算時(shí)間703.7.3 計(jì)算精度713.7.4 結(jié)論723.8離心壓氣機(jī)發(fā)生數(shù)值失速的計(jì)算判定準(zhǔn)則研究733.8.1 壓氣機(jī)失速特性733.8.2數(shù)值失速時(shí)計(jì)算收斂特性753.8.3數(shù)值失速點(diǎn)的捕捉763.8.4 結(jié)論763.9壓氣機(jī)堵塞、喘振流量的模擬計(jì)算方法77

4、3.10壓氣機(jī)三維流場(chǎng)計(jì)算判別準(zhǔn)則研究78II1. 項(xiàng)目研究目標(biāo)開展渦輪增壓器壓氣機(jī)三維流場(chǎng)計(jì)算仿真技術(shù)的研究，形成壓氣機(jī)仿真設(shè)計(jì)體系；同時(shí)對(duì)渦輪增壓器壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)進(jìn)行研究，形成壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)規(guī)范。以下報(bào)告中的研究?jī)?nèi)容皆基于NUMECA FINE/Turbo軟件包進(jìn)行，網(wǎng)格生成器為IGG/AutoGrid，求解器為EURANUS。2. 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容通過以下內(nèi)容的研究，可以得到影響增壓器壓氣機(jī)內(nèi)部三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果精度的諸多因素，以形成流場(chǎng)計(jì)算規(guī)范，從而使得使用人員可以根據(jù)本報(bào)告中所提供的指導(dǎo)性意見進(jìn)行直接的網(wǎng)格建模和數(shù)值模擬，從而降低CFD的門檻，使其能夠更廣泛的應(yīng)用在渦輪增壓器的

5、氣動(dòng)設(shè)計(jì)中。Ø 壓氣機(jī)三維流場(chǎng)仿真計(jì)算網(wǎng)格相關(guān)性、網(wǎng)格劃分技術(shù)研究；Ø 高效壓氣機(jī)渦殼網(wǎng)格劃分技術(shù)研究；Ø 壓氣機(jī)三維流場(chǎng)仿真計(jì)算區(qū)域的選擇研究；Ø 壓氣機(jī)三維流場(chǎng)仿真計(jì)算邊界條件的給定研究；Ø 湍流模型的選擇研究；Ø 離心壓氣機(jī)發(fā)生數(shù)值失速的計(jì)算判定準(zhǔn)則研究；Ø 壓氣機(jī)堵塞、喘振流量的模擬計(jì)算方法；Ø 壓氣機(jī)三維流場(chǎng)計(jì)算判別準(zhǔn)則研究.3項(xiàng)目研究成果3.1壓氣機(jī)三維流場(chǎng)數(shù)值仿真網(wǎng)格相關(guān)性研究在影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果精度的諸多因素中，網(wǎng)格數(shù)目及分布對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度有非常顯著的影響。網(wǎng)格數(shù)目太少或者分布不合理，都可能導(dǎo)致計(jì)算

6、結(jié)果與實(shí)際參數(shù)的較大偏差并可能無法捕捉實(shí)際三維復(fù)雜流場(chǎng)中的一些詳細(xì)的流動(dòng)現(xiàn)象，例如小區(qū)域分離、附面層內(nèi)的準(zhǔn)確流動(dòng)情況等；但過多的的網(wǎng)格數(shù)目則需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，無法實(shí)現(xiàn)較快速預(yù)測(cè)性能的目的，因此應(yīng)當(dāng)在可以滿足數(shù)值計(jì)算精度的前提下，盡可能的減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目以減少計(jì)算所需時(shí)間。本部分工作以兩種不同尺寸的壓氣機(jī)葉輪為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格相關(guān)性工作，通過幾種具有不同計(jì)算數(shù)目及分布的網(wǎng)格設(shè)定，對(duì)比了其對(duì)壓氣機(jī)葉輪性能的影響。3.1.1 J90壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格相關(guān)性分析3.1.1.1 J90壓氣機(jī)幾何及參數(shù)圖3-1.a為J90增壓器壓氣機(jī)部分的三維渲染模型，包括葉輪、無葉擴(kuò)壓器和渦殼。葉輪

7、葉片數(shù)為14（7組長(zhǎng)葉片短葉片），葉頂間隙前緣處為0.5mm，尾緣處為1.0mm。圖3-1.b為該壓氣機(jī)葉輪局部圖，3-1.c 對(duì)應(yīng)其子午尺寸。 0.5mm1mm62mm90mma. 三維渲染模型 b. 葉輪模型 c. 子午尺寸圖3-1 J90增壓器壓氣機(jī)部件三維模型及葉輪尺寸3.1.1.2 數(shù)值方法計(jì)算采用FINE/Turbo軟件包，求解三維雷諾平均N-S方程組。應(yīng)用格子中心有限體積法，空間采用添加人工粘性項(xiàng)的二階中心差分格式；時(shí)間項(xiàng)采用4階Runge-Kutta法迭代求解。計(jì)算采用三層多重網(wǎng)格結(jié)合變時(shí)間步長(zhǎng)及殘差光順方法進(jìn)行收斂加速，葉輪進(jìn)口為全湍流，湍流模型使用Spalart-

8、Allmaras一方程模型。3.1.1.3 計(jì)算網(wǎng)格為了進(jìn)行葉輪計(jì)算結(jié)果網(wǎng)格相關(guān)性研究，共采用了三種不同數(shù)目、不同尺度分布的網(wǎng)格，分別為粗網(wǎng)格、中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目分別為36萬、91萬及166萬，表1給出了三種不同網(wǎng)格的詳細(xì)信息。表1 J90計(jì)算網(wǎng)格信息網(wǎng)格一網(wǎng)格二網(wǎng)格三長(zhǎng)葉片展向254565周向333333流向（葉片區(qū)域）81113157流向（前緣上游）294141流向（尾緣下游）294961短葉片展向254565周向333333流向（葉片區(qū)域）5385129流向（前緣上游）576969流向（尾緣下游）294961長(zhǎng)葉片間隙展向91317周向171717流向81113157短葉片間隙

9、展向91317周向171717流向5385129總計(jì)3594189072101663834在網(wǎng)格生成過程中，為了確保邊界層內(nèi)的計(jì)算精度具有可比性，三種不同的網(wǎng)格皆采用相同的第一層網(wǎng)格尺度（對(duì)應(yīng)相同的y+）以及相同的近葉片法線方向網(wǎng)格數(shù)目。另外，這三套網(wǎng)格具有完全相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以排除拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的不同對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響的因素。圖3-2分別給出了這三種網(wǎng)格的表面網(wǎng)格分布以及子午面上的網(wǎng)格分布，通過對(duì)比，可以直觀的看出三種網(wǎng)格在網(wǎng)格密度以及分布上的區(qū)別。 a. 稀疏網(wǎng)格（360K） b. 中等網(wǎng)格（906K） c. 精細(xì)網(wǎng)格（1664K）圖3-2 三種不同計(jì)算網(wǎng)格分布示意圖3.1.1.4 計(jì)算結(jié)果為

10、了使不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果具有可比性，針對(duì)J90壓氣機(jī)葉輪皆進(jìn)行了相同轉(zhuǎn)速、相同進(jìn)出口條件下的工況線計(jì)算。圖3-3為計(jì)算所得的不同網(wǎng)格數(shù)下壓氣機(jī)葉輪工況效率及壓比特性圖。數(shù)值失速a. 效率特性b. 壓比特性圖3-3 J90壓氣機(jī)葉輪效率及壓比特性由圖可以看出，根據(jù)三種不同數(shù)目的網(wǎng)格計(jì)算所得到的壓氣機(jī)葉輪特性存在著差異，尤其是稀疏網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)的效率特性與中等網(wǎng)格及精細(xì)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的結(jié)果存在著非常明顯的區(qū)別：效率特性線整體向下偏移，并比其它兩套網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的效率平均減小約2%；壓比特性也存在著一定程度的差別，但與效率特性不同，與中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果相比，稀疏網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與它們的差異

11、則相對(duì)不是那么明顯。相比較而言，中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)效率特性及壓比特性之間的差異非常小，其效率差別最大僅為0.2%，而壓比特性則基本重合，對(duì)于J90壓氣機(jī)葉輪而言，可以認(rèn)為采用中等網(wǎng)格（網(wǎng)格數(shù)目為90.7萬）已基本上達(dá)到計(jì)算的網(wǎng)格無關(guān)結(jié)果。通過上圖還可以看出，隨著計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目的增多，所對(duì)應(yīng)的葉輪效率及壓比特性皆成上升趨勢(shì)，造成這種現(xiàn)象的原因在于，采用較少的網(wǎng)格數(shù)目時(shí)，容易造成對(duì)損失區(qū)域范圍的夸大（例如邊界層內(nèi)沿流向的分離區(qū)、流道內(nèi)的分離渦尺度等），因而導(dǎo)致效率及壓比的下降。此外，采用稀疏網(wǎng)格進(jìn)行的計(jì)算所得的葉輪工況范圍偏寬，進(jìn)入數(shù)值失速較晚，而采用精細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算數(shù)值失速點(diǎn)明顯比其它

12、兩種網(wǎng)格提前，這是由于采用精細(xì)網(wǎng)格可以更細(xì)致的捕捉稀疏網(wǎng)格所無法捕捉到的流團(tuán)阻塞以及損失渦團(tuán)的干涉等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，這些流動(dòng)現(xiàn)象都將引起流動(dòng)的不穩(wěn)定而引發(fā)流動(dòng)失速。由圖3-4.a-c所示的子午平均總壓云圖分布可以看出，與其它兩種網(wǎng)格相比，采用稀疏網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果在長(zhǎng)葉片前緣附近總壓比略低，而在葉輪出口尾緣區(qū)域高總壓的區(qū)域略小，同時(shí)在無葉擴(kuò)壓器內(nèi)的總壓損失降低較為明顯，導(dǎo)致了總壓比及效率相對(duì)而言略有下降。在最高效率點(diǎn)，采用精細(xì)網(wǎng)格所捕捉的間隙流強(qiáng)度加大，在小葉片前緣頂部下游區(qū)域呈現(xiàn)了更強(qiáng)的間隙流特性，而間隙渦與頂部通道渦的干涉及低能流團(tuán)的聚積是導(dǎo)致壓氣機(jī)失速的一個(gè)重要原因，該現(xiàn)象也直接體現(xiàn)了隨著網(wǎng)格

13、的加密，數(shù)值失速提前的直接原因。a 稀疏網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）b. 中等網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）c. 精細(xì)網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）圖3-4 子午平均總壓云圖分布圖3-5.a-c分別給出了大流量工況及最高效率工況點(diǎn)下采用不同網(wǎng)格計(jì)算所得的子午平均靜壓云圖分布。由圖可以看出，三種不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的葉片對(duì)氣流加功的特性有所不同，隨著網(wǎng)格數(shù)目的增多，葉片根部至頂部的靜壓壓力梯度變化越為劇烈，這種差別在稀疏網(wǎng)格和另外兩種網(wǎng)格之間體現(xiàn)的非常明顯，而在中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格之間則基本保持著極為相似的的加功特性。類似的現(xiàn)象在大流量和最高效率點(diǎn)工況下50%葉高Blade-to-Blade

14、截面上的靜壓云圖分布特征上也有所體現(xiàn)（圖3-6）。a. 稀疏網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）b. 中等網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）c. 精細(xì)網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）圖3-5 子午平均靜壓云圖分布 a. 稀疏網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)） b. 中等網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)） c. 精細(xì)網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）圖3-6 50%葉高Blade-to-Blade靜壓云圖分布對(duì)于雷諾平均Navier-Stokes方程組（RANS）的求解，湍流粘性是反應(yīng)流場(chǎng)內(nèi)湍流流動(dòng)特性的重要表現(xiàn)特征。通過湍流粘性的分布可以反應(yīng)出流場(chǎng)內(nèi)的湍流流動(dòng)程度。圖3-7.a-c給出了大流量

15、工況和最高效率點(diǎn)工況下三種不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)50%葉高截面上湍流粘性的云圖分布，可以看出，盡管采用不同密度的網(wǎng)格都從一定程度上反應(yīng)了流場(chǎng)內(nèi)的湍流流動(dòng)特性，但采用稀疏網(wǎng)格時(shí)，兩種不同工況下葉片尾緣區(qū)域所反應(yīng)出來的湍流粘性要比采用中等網(wǎng)格及精細(xì)網(wǎng)格的情況要小一些，說明其稀疏網(wǎng)格未能準(zhǔn)確的捕捉湍流流動(dòng)的特征及湍流強(qiáng)度。網(wǎng)格的加密可以有效的改善對(duì)湍流流動(dòng)特征的模擬。 a. 稀疏網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)） b. 中等網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)） c. 精細(xì)網(wǎng)格（左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）圖3-7 50%葉高Blade-to-Blade渦粘性云圖分布圖3-8給出了在大流量及最高效率點(diǎn)兩種工況下三

16、種不同網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的葉輪出口子午平均相對(duì)氣流角沿展向的分布規(guī)律，對(duì)應(yīng)位置如圖3-8.a所示。中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格都較好的捕捉到了葉根及葉頂?shù)耐ǖ罍u所引起的氣流偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，并且所得到的氣流角分布基本重合，說明這兩種網(wǎng)格在對(duì)二次渦的捕捉精度上基本相同。但稀疏網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果并沒有很好的反映出葉輪的通道渦特征。從圖3-9所示的相同位置處相對(duì)馬赫數(shù)的分布也可以看出，采用稀疏網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果并沒有捕捉到葉根區(qū)域的氣流相對(duì)速度的準(zhǔn)確變化規(guī)律，并且沿展向的相對(duì)馬赫數(shù)分布整體而言較中等網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格向下偏移（所預(yù)測(cè)的氣流速度偏小）。氣流角及相對(duì)馬赫數(shù)分布的差別說明稀疏網(wǎng)格中所采用的展向網(wǎng)格的數(shù)目并沒有達(dá)到捕捉詳細(xì)流動(dòng)

17、信息的程度。a 繪圖位置示意 （左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）圖3-8 葉輪出口子午平均相對(duì)氣流角 （左：大流量 右：最高效率點(diǎn)）圖3-9葉輪出口子午平均相對(duì)馬赫數(shù)s基于以上的分析，對(duì)于J90壓氣機(jī)葉輪的性能預(yù)測(cè)及流場(chǎng)的模擬，采用本報(bào)告中所采用的稀疏網(wǎng)格并不能得到令人滿意的結(jié)果，而采用精細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算，雖然在結(jié)果上比中等網(wǎng)格仍然有所改善，但是改善的程度非常微弱，可以認(rèn)為，本報(bào)告中所采用的中等網(wǎng)格所得到的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)性的要求，對(duì)應(yīng)的各個(gè)網(wǎng)格方向上的網(wǎng)格數(shù)目及分布可以滿足壓氣機(jī)葉輪高精度計(jì)算的要求。3.1.2 J60 壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格相關(guān)性分析3.1.2.1 J60壓氣機(jī)幾何及參數(shù)J60壓氣

18、機(jī)葉輪為前傾后彎型葉輪，圖3-10給出了其三維模型圖及子午平均尺寸圖。該葉輪頂部進(jìn)口段葉頂直徑為40.8mm，葉輪出口直徑為56mm，前緣葉頂間隙0.4mm，尾緣葉頂間隙0.7mm。在本報(bào)告中，對(duì)該葉輪采用四種不同尺度的網(wǎng)格進(jìn)行了轉(zhuǎn)速為80000rpm時(shí)葉輪性能的分析并進(jìn)行了對(duì)比。R20.4mm0.4mm0.7mmR28mm圖3-10 葉輪三維模型及子午尺寸圖3.1.2.2 計(jì)算方法對(duì)該葉輪采用的網(wǎng)格生成及計(jì)算方法與J90壓氣機(jī)葉輪相同。3.1.2.3 計(jì)算網(wǎng)格共采用了四種不同數(shù)目、不同尺度分布的網(wǎng)格，分別為粗網(wǎng)格、中等網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格及精細(xì)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目分別為29.3萬、41.8萬、94萬及14

19、7萬，表2給出了這四種不同網(wǎng)格的詳細(xì)信息。表2 J60計(jì)算網(wǎng)格信息網(wǎng)格一網(wǎng)格二網(wǎng)格三網(wǎng)格四長(zhǎng)葉片展向25335365周向33333333流向（葉片區(qū)域）576593149流向（前緣上游）33457373流向（尾緣下游）17173333短葉片展向25335365周向33333333流向（葉片區(qū)域）414977113流向（前緣上游）49578585流向（尾緣下游）17173333長(zhǎng)葉片間隙展向9131317周向17171717流向576593149短葉片間隙展向9131317周向17171717流向495777113總計(jì)2928064181389402901472374以上四種網(wǎng)格在葉輪葉高方向、

20、流向方向以及間隙內(nèi)展向網(wǎng)格尺度上有較大差別，這幾個(gè)方向的網(wǎng)格分布也是對(duì)葉輪性能影響最明顯的因素，根據(jù)這些網(wǎng)格分布可以判斷出達(dá)到該葉輪性能網(wǎng)格無關(guān)解的確定信息。圖3-11給出了四套網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的三維表面網(wǎng)格及子午網(wǎng)格分布圖。 a 稀疏網(wǎng)格 b 中等網(wǎng)格 c 細(xì)網(wǎng)格 d 精細(xì)網(wǎng)格圖3-11 J60壓氣機(jī)葉輪四種不同網(wǎng)格葉片表面三維網(wǎng)格及子午網(wǎng)格分布3.1.2.3 計(jì)算結(jié)果圖3-12給出了采用以上四種不同網(wǎng)格時(shí)計(jì)算得到的J60壓氣機(jī)葉輪在80000rpm工作時(shí)的總-總效率及總壓比特性曲線。由圖可以看出，隨著網(wǎng)格的加密，在大流量區(qū)域葉輪計(jì)算效率及總壓比逐漸提高，且遞增的幅度逐漸減小，說明計(jì)算性能對(duì)網(wǎng)格的依

21、賴性逐漸減弱；在小流量工況，葉輪性能差別不大，尤其在流量為0.07kg/s及0.08kg/s時(shí)，四種網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的葉輪計(jì)算性能基本重合，說明計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格的依賴程度同樣受工況條件的影響。a 效率特性曲線b 總壓比特性曲線圖3-12 采用不同網(wǎng)格時(shí)J60壓氣機(jī)葉輪特性曲線效率：總-總，壓比：總-總對(duì)于效率特性，四種不同網(wǎng)格所預(yù)測(cè)的葉輪最高效率點(diǎn)位置相同，皆處于流量為0.1kg/s處，說明本報(bào)告中所采用的不同疏密程度的網(wǎng)格皆可以較客觀的定性反映葉輪特性的變化趨勢(shì)，差別僅僅在于特性的定量數(shù)值上。稀疏網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格在各自所對(duì)應(yīng)的最高效率點(diǎn)處的葉輪效率相差約1.2個(gè)百分點(diǎn) ,而對(duì)應(yīng)的相同流量下的總壓比最大差

22、別約為0.4%，相對(duì)差別較為微小?？傮w而言，采用細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與精細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果在效率上最大差別為0.2%，總壓比差別僅為0.18%，可以認(rèn)為在細(xì)網(wǎng)格上的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)解。值得注意的是，與J90壓氣機(jī)相同，在對(duì)J60壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，使用稀疏網(wǎng)格和中等網(wǎng)格時(shí)，在0.07kg/s流量工況，計(jì)算具有非常好的收斂性，而在使用細(xì)網(wǎng)格及精細(xì)網(wǎng)格時(shí)，計(jì)算殘差出現(xiàn)規(guī)律性振蕩，且精細(xì)網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的收斂殘差振蕩幅度比細(xì)網(wǎng)格的大，這說明采用精細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算時(shí)，捕捉到了較粗網(wǎng)格所不能捕捉到的流場(chǎng)內(nèi)的復(fù)雜不穩(wěn)定流動(dòng)區(qū)流動(dòng)現(xiàn)象（或流場(chǎng)參數(shù)的脈動(dòng)），這使得其對(duì)應(yīng)的數(shù)值失速點(diǎn)也將有所提前。 a 稀疏網(wǎng)格

23、 b 中等網(wǎng)格 c 細(xì)網(wǎng)格 d 精細(xì)網(wǎng)格圖3-13大流量工況四種不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果子午平均總壓云圖分布圖3-13給出了相同流量工況（大流量工況）下四種不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果子午平均總壓分布云圖。從總體上看，四種不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的結(jié)果在子午平均總壓分布上基本相同，區(qū)別僅在分流葉片前緣區(qū)域及葉頂區(qū)域。網(wǎng)格較為稀疏時(shí)，葉頂區(qū)域的低總壓區(qū)域略微偏大，這種差別通過稀疏網(wǎng)格和精細(xì)網(wǎng)格之間的對(duì)比可以看出，這也是圖3-12中所示稀疏網(wǎng)格計(jì)算所得的總壓比略微偏低的原因。 a 稀疏網(wǎng)格 b 中等網(wǎng)格 c 細(xì)網(wǎng)格 d 精細(xì)網(wǎng)格圖3-14大流量工況四種不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果子午平均靜壓云圖分布圖3-14給出了相同流量工況

24、（大流量工況）下四種不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果子午平均靜壓分布云圖。稀疏網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果在分流葉片前緣葉頂區(qū)域的低靜壓區(qū)域沿展向偏大，而在流向則偏小，這與其所采用的間隙內(nèi)展向網(wǎng)格及流向網(wǎng)格的數(shù)目有關(guān)。中等網(wǎng)格在該區(qū)域的靜壓分布有所改善并與細(xì)網(wǎng)格及精細(xì)網(wǎng)格的所對(duì)應(yīng)的計(jì)算靜壓分布基本一致。從總體上上看，中等網(wǎng)格已經(jīng)可以比較準(zhǔn)確的反映葉輪內(nèi)的加功特性，并得到比較可信的靜壓分布規(guī)律。在葉輪通道的其它區(qū)域，四種網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的靜壓分布則基本相同，這一點(diǎn)同樣可以從圖3-15所示的葉輪中葉展截面葉片表面靜壓分布圖看出（圖中Coarse：稀疏網(wǎng)格，Medium：中等網(wǎng)格，F(xiàn)ine：細(xì)網(wǎng)格，F(xiàn)ine+：精細(xì)網(wǎng)格，M代

25、表主葉片，S代表分流葉片），在主葉片前緣至其下游2/3區(qū)域，四種不同網(wǎng)格所計(jì)算得到的葉輪表面靜壓分布基本重合，說明在這些區(qū)域的網(wǎng)格分布已經(jīng)可以滿足葉輪加功特性的預(yù)測(cè)，在接近葉輪出口區(qū)域（主葉片的后1/3），葉輪表面靜壓分布呈現(xiàn)一定的差別，其中稀疏網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果偏離其它結(jié)果而另外三種計(jì)算網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果則仍然基本保持一致。對(duì)于分流葉片，在其前1/2區(qū)域，四種網(wǎng)格對(duì)應(yīng)結(jié)果基本重合，而在其后1/2區(qū)域，稀疏網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的壓力面及吸力面靜壓差偏小，并偏離其它網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，中等網(wǎng)格與另外兩種網(wǎng)格的計(jì)算靜壓分布也有輕微的差別，但幅度非常之小，而細(xì)網(wǎng)格及精細(xì)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的結(jié)果則仍然基本重合，說明對(duì)于分流葉片，中

26、等網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)目分布基本可以較準(zhǔn)確的捕捉葉輪的靜壓壓升特性，盡管結(jié)果仍然與更細(xì)密的網(wǎng)格有輕微的差別，但該差別對(duì)于預(yù)測(cè)葉輪的加壓特性基本可以忽略。對(duì)于該葉輪，細(xì)網(wǎng)格已達(dá)到網(wǎng)格的無關(guān)解。圖3-15小流量工況四種不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果子午平均總壓云圖分布圖3-16給出了四種不同網(wǎng)格葉輪出口相對(duì)氣流角分布。稀疏網(wǎng)格對(duì)應(yīng)結(jié)果在葉頂區(qū)域氣流角分布與其它三種網(wǎng)格出現(xiàn)了較明顯的差別，且變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象。由于間隙流是壓氣機(jī)葉輪內(nèi)造成流動(dòng)損失及形成復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素，因此間隙流的捕捉精度將直接影響這葉輪的性能及其內(nèi)部的參數(shù)分布。對(duì)于J60壓氣機(jī)葉輪，稀疏網(wǎng)格采用的葉頂間隙內(nèi)布置的網(wǎng)格數(shù)目（9個(gè)

27、）相對(duì)而言較少，根據(jù)其它三種網(wǎng)格在間隙內(nèi)所布置的網(wǎng)格數(shù)目，建議對(duì)于同等間隙尺寸的壓氣機(jī)葉輪頂部間隙內(nèi)布置至少13個(gè)網(wǎng)格以上。該數(shù)目同時(shí)應(yīng)當(dāng)隨著間隙尺寸的增加而線性增加方可保證間隙流的準(zhǔn)確捕捉。在中葉高區(qū)域，氣流角分布也與其它三種網(wǎng)格呈現(xiàn)明顯差別，這與其展向網(wǎng)格的數(shù)目及分布直接相關(guān)。根據(jù)相對(duì)氣流角的分布趨勢(shì)，可以看出，對(duì)于J60壓氣機(jī)葉輪，稀疏網(wǎng)格所采用的葉片25個(gè)展向網(wǎng)格數(shù)目不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，要達(dá)到參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算，需要在葉片展向布置至少53個(gè)網(wǎng)格以上。對(duì)于不同尺寸的壓氣機(jī)葉輪，則網(wǎng)格數(shù)目應(yīng)當(dāng)根據(jù)相對(duì)于J60壓氣機(jī)葉輪的尺寸比例來確定網(wǎng)格數(shù)目。 圖3-16小流量工況四種不同網(wǎng)格對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果子午平

28、均相對(duì)氣流角分布3.1.3 結(jié)論以上對(duì)J90及 J60兩種壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行了網(wǎng)格相關(guān)性研究，分別采用了三種及四種不同數(shù)目及分布的計(jì)算網(wǎng)格分別進(jìn)行了基于雷諾平均的全三維流動(dòng)數(shù)值模擬，對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)的分布以及壓氣機(jī)的特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)和對(duì)比。通過以上分析，對(duì)于網(wǎng)格相關(guān)性問題，可以得出以下結(jié)論：1. 網(wǎng)格數(shù)目對(duì)壓氣機(jī)葉輪計(jì)算性能有著非常明顯的影響，同時(shí)對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)及損失結(jié)構(gòu)的捕捉精度有著重要影響；2. 在進(jìn)行壓氣機(jī)葉輪性能及內(nèi)部流動(dòng)、損失結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)及分析時(shí)，應(yīng)盡可能的對(duì)網(wǎng)格實(shí)施加密以保證計(jì)算精度。對(duì)于本報(bào)告中所研究的兩種壓氣機(jī)葉輪，網(wǎng)格的增多都使得葉輪的計(jì)算效率及總壓比特性整體向上平移；

29、3. 對(duì)于本報(bào)告所研究的J90及J60壓氣機(jī)葉輪（長(zhǎng)短葉片結(jié)構(gòu)），為了使計(jì)算達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)或者達(dá)到與網(wǎng)格無關(guān)解的差別可以忽略的精度，所需使用的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目應(yīng)保持在90萬左右；4. 較稀疏計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目（30萬左右）可以比較客觀的反映壓氣機(jī)葉輪特性的定性規(guī)律，并可以預(yù)測(cè)出準(zhǔn)確的最高效率點(diǎn)工況位置，但在定量上無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其具體數(shù)值。根據(jù)以上分析，較稀疏的網(wǎng)格可以用于快速氣動(dòng)性能推測(cè)和比較；5. 計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)目對(duì)于壓氣機(jī)效率特性的影響程度遠(yuǎn)大于對(duì)壓比特性的影響，即使較稀疏的網(wǎng)格（30萬左右）仍然可以得到與網(wǎng)格無關(guān)解誤差范圍在1%以下的精度，用于工程上預(yù)測(cè)壓氣機(jī)壓比特性仍然具有相當(dāng)?shù)目尚哦龋?. 葉頂間隙

30、是影響壓氣機(jī)性能及內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要幾何因素。應(yīng)當(dāng)在葉頂間隙內(nèi)布置一定程度的網(wǎng)格數(shù)目以捕捉準(zhǔn)確的間隙流流動(dòng)特征及損失結(jié)構(gòu)。對(duì)于0.5mm左右的間隙尺寸，應(yīng)當(dāng)布置13以上的網(wǎng)格數(shù)目；7. 展向網(wǎng)格的數(shù)目對(duì)于壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部的氣流角等重要流動(dòng)參數(shù)的分布具有較大的影響，在保證計(jì)算結(jié)果達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)所需要的網(wǎng)格數(shù)目前提下，應(yīng)當(dāng)在葉輪展向布置至少45以上的網(wǎng)格數(shù)目以保證二次流流動(dòng)特征及損失結(jié)構(gòu)的較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；8. 對(duì)壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部流動(dòng)及特性的預(yù)測(cè)和分析所需布置的網(wǎng)格數(shù)目應(yīng)當(dāng)與壓氣機(jī)葉輪的實(shí)際尺寸有關(guān)。對(duì)于6090mm系列的壓氣機(jī)葉輪，采用以上所要求的網(wǎng)格數(shù)目可以基本達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)解的要求，但隨著葉輪尺寸的增

31、加，應(yīng)當(dāng)在葉輪的葉展方向、流向以及周向增加適當(dāng)比例的網(wǎng)格數(shù)目以滿足足夠小的網(wǎng)格單元的要求。3.2壓氣機(jī)三維流場(chǎng)數(shù)值仿真網(wǎng)格劃分技術(shù)研究網(wǎng)格劃分是實(shí)施數(shù)值模擬非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，占用一個(gè)完整CFD模擬過程的大部分人工時(shí)間。網(wǎng)格劃分的結(jié)果不僅直接影響到對(duì)應(yīng)CFD模擬是否可以得到收斂的解，還直接影響著計(jì)算結(jié)果的精度。較差的網(wǎng)格劃分方法及網(wǎng)格質(zhì)量不僅大幅度降低計(jì)算的效率，還可能引起不可信的計(jì)算結(jié)果，誤導(dǎo)CFD工程師，其結(jié)果也可能是災(zāi)難性的。因此，選擇合理的網(wǎng)格劃分方法，最大限度的提高網(wǎng)格的質(zhì)量，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)值模擬及性能預(yù)測(cè)而言顯得非常重要，因此開展相關(guān)的研究也是非常有必要的。以下將對(duì)如何進(jìn)行壓氣

32、機(jī)葉輪內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行分區(qū)以及選擇合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、提高網(wǎng)格質(zhì)量以及劃分復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。3.2.1 網(wǎng)格分區(qū)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)壓氣機(jī)葉輪流道網(wǎng)格質(zhì)量的影響由于壓氣機(jī)葉輪三維幾何形狀相對(duì)較為復(fù)雜，應(yīng)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為了保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量并便于控制網(wǎng)格的分布，一般采用分塊劃分的方式，并以一定的方式將幾個(gè)塊進(jìn)行連接并可進(jìn)行數(shù)據(jù)上的傳遞。計(jì)算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格塊的劃分方法及其連接方式構(gòu)成了網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形式對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量有直接的影響，合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅可以提高網(wǎng)格的質(zhì)量，還可使網(wǎng)格生成的過程簡(jiǎn)化。在本節(jié)中，將對(duì)帶分流葉片的離心壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行對(duì)比，以選定進(jìn)行同

33、類壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格生成的推薦方法。對(duì)于J60壓氣機(jī)葉輪通道，有主葉片及分流葉片將流道拆分為兩個(gè)大的子區(qū)域，如圖3-17所示。區(qū)一區(qū)二圖3-17 帶分流葉片離心壓氣機(jī)流道示意圖由于主葉片與分流葉片沿流向長(zhǎng)度不同，因此需要對(duì)流道區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)的拆分以保證網(wǎng)格的質(zhì)量。對(duì)于此種類型的葉輪通道，一般可采用以下兩類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：1)帶有Skin Mesh單獨(dú)分區(qū)的結(jié)構(gòu)；2)不帶有Skin Mesh分區(qū)的結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)葉輪流道內(nèi)的網(wǎng)格劃分。所謂Skin Mesh結(jié)構(gòu)是指為了保證繞葉片區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量及分布以滿足附面層內(nèi)流動(dòng)特征捕捉的需求，將近葉片區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格包絡(luò)式網(wǎng)格劃分的結(jié)構(gòu)。圖3-18給出了這兩類

34、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中三種常用的拓?fù)湫问?，其中a、b兩種皆帶有Skin Mesh結(jié)構(gòu)。 a 拓?fù)湟?b 拓?fù)涠 拓?fù)淙龍D3-18 三種常用網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 對(duì)于圖中所示的第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，葉輪流道共有10個(gè)網(wǎng)格塊分區(qū)（不考慮葉頂間隙內(nèi)的網(wǎng)格塊）。其中主葉片和分流葉片流道各有五個(gè)網(wǎng)格分區(qū)，且這五個(gè)分區(qū)中四個(gè)網(wǎng)格塊為H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)為C型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包絡(luò)近葉片區(qū)域，又稱Skin Mesh。主葉片和分流葉片流道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同：葉片前緣上游及尾緣下游各有一個(gè)H型網(wǎng)格塊，主流葉片和分流葉片之間各有一個(gè)H型塊，葉片區(qū)域的包絡(luò)C型網(wǎng)格塊。對(duì)于第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似，但所不同的是主葉片和分流葉片之間共用一個(gè)H型網(wǎng)

35、格塊，因此其網(wǎng)格分塊數(shù)目比第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少2個(gè)，共有8個(gè)網(wǎng)格塊（未考慮葉頂間隙網(wǎng)格塊）。第三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則明顯不同，缺少了近葉片區(qū)域的包絡(luò)C型網(wǎng)格塊以及葉片前緣上游的網(wǎng)格塊，因此總網(wǎng)格塊數(shù)目減少為4個(gè)。需要指出的是，由于本節(jié)所研究的葉輪為鈍尾緣結(jié)構(gòu)，因此其Skin Mesh的結(jié)構(gòu)為C型，對(duì)于非鈍尾緣結(jié)構(gòu)（圓形、橢圓形、尖形等），則對(duì)應(yīng)的Skin Mesh為O形結(jié)構(gòu)，完全包絡(luò)整個(gè)葉片，但對(duì)總的網(wǎng)格塊數(shù)目沒有影響。采用以上這三種網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都可以對(duì)壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行正常的網(wǎng)格分區(qū)和網(wǎng)格劃分，并形成最終的三維計(jì)算網(wǎng)格，但由于其結(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)格數(shù)目的連接及調(diào)整方法有所不同，因此最終所生成網(wǎng)格的質(zhì)量也會(huì)有所

36、不同。以下將主要針對(duì)采用這三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所生成的Blade-to-Blade截面網(wǎng)格正交性進(jìn)行對(duì)比分析，以闡述這三種網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異及特點(diǎn)。圖3-1921給出了三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的葉輪0%、50%及100%葉高截面網(wǎng)格單元及網(wǎng)格質(zhì)量分布圖。左列為對(duì)應(yīng)截面的網(wǎng)格單元及其正交性分布云圖，右列柱圖為其網(wǎng)格正交性從0-90度對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元數(shù)及占整個(gè)截面的網(wǎng)格總數(shù)百分比分布。對(duì)于正交性，網(wǎng)格單元的角度越接近90度則說明網(wǎng)格質(zhì)量越好，越接近0度則說明網(wǎng)格質(zhì)量越差。a 拓?fù)湟?b 拓?fù)涠?c 拓?fù)淙龍D3-19 三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)0%葉高截面網(wǎng)格及其正交性分布從0%葉高截面上三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單

37、元質(zhì)量分布情況來看，網(wǎng)格單元正交性角度處于54度以上的網(wǎng)格占據(jù)其截面網(wǎng)格總數(shù)的百分比分別約為90%、89%和88%，比例基本相當(dāng)，說明在此截面上，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所能保證的較好的網(wǎng)格質(zhì)量數(shù)目基本相當(dāng)。但在正交性較差的區(qū)域（小于36度），拓?fù)湟缓屯負(fù)涠?duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元比例分別為0.9%和0.6%，而拓?fù)淙龑?duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元比例則為2.3%，相對(duì)而言較大，這說明拓?fù)淙茨芎芎玫目刂普恍暂^差的網(wǎng)格單元數(shù)目。另外，從三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的截面上的正交性分布來看，拓?fù)湟缓屯負(fù)涠?duì)應(yīng)的網(wǎng)格正交性分布較均勻，沒有出現(xiàn)較大的梯度，而對(duì)于拓?fù)淙?，這種不均勻性明顯加劇，這將對(duì)后期的計(jì)算過程中的差分格式精度造成一定的影響。

38、 a 拓?fù)湟籦 拓?fù)涠 拓?fù)淙龍D3-20 三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)50%葉高截面網(wǎng)格及其正交性分布通過三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的50%葉高截面上的網(wǎng)格單元正交性分布可以看出，相對(duì)于0%葉高，由于葉片的進(jìn)口幾何角增加，導(dǎo)致截面上網(wǎng)格單元的總體質(zhì)量有所下降，拓?fù)湟蝗龑?duì)應(yīng)的網(wǎng)格正交性角度大于54度的網(wǎng)格單元比例分別為約73%、73、79，比0%截面有所下降。在三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間，拓?fù)淙?4度以上的網(wǎng)格單元比例高于其它兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，說明，但質(zhì)量較差（正交性角度小于36度）的網(wǎng)格單元數(shù)目比例則為9%，且質(zhì)量非常差（正交性角度小于18度）的網(wǎng)格單元數(shù)目比例有2.5%，相對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一和二都有所增加，說明其在控制較差網(wǎng)

39、格質(zhì)量方面有所欠缺。另外，同樣可以發(fā)現(xiàn)與0%葉高截面相同的問題，即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元質(zhì)量分布較為不均勻，存在較大的變化梯度，這也將對(duì)后期的計(jì)算精度造成一定的影響。 a 拓?fù)湟籦 拓?fù)涠?c 拓?fù)淙龍D3-21 三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)100%葉高截面網(wǎng)格及其正交性分布在100%葉高截面網(wǎng)格單元正交性分布圖上可以看出，拓?fù)湟蝗龑?duì)應(yīng)的網(wǎng)格正交性角度大于54度的網(wǎng)格單元比例分別為約67%、73、80，質(zhì)量較差（正交性角度小于36度）的網(wǎng)格單元數(shù)目比例則分別為13.5%、12.4%及9.5%。從比例上看，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三似乎優(yōu)于其它兩種結(jié)構(gòu)，但從網(wǎng)格質(zhì)量分布而言，其不均勻性非常嚴(yán)重，最小正交性角度僅為0.15度

40、（圖中所示深藍(lán)色區(qū)域），而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一及二仍然保持著較好的光滑變化特性。從以上分析可以看出，采用Skin Mesh形式的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本可以達(dá)到相當(dāng)?shù)木W(wǎng)格質(zhì)量及網(wǎng)格光順性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三盡管在較高網(wǎng)格質(zhì)量的數(shù)目比例上占有一定優(yōu)勢(shì)，但是其網(wǎng)格分布非常不均勻，不建議采用。此外，拓?fù)湟坏慕Y(jié)構(gòu)可以進(jìn)行變化，采用改變網(wǎng)格塊之間的連接方式可以大幅度提升網(wǎng)格質(zhì)量，而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)二及三由于其只能采用單一的網(wǎng)格塊之間的連接方式而無法對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量實(shí)施大幅度提升，因此對(duì)于某些大安裝角的葉輪葉片通道則無法保證網(wǎng)格的高質(zhì)量要求。對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一改變網(wǎng)格塊之間連接的方法將在第3.2.4一節(jié)中做詳細(xì)說明?；谝陨嫌懻?，考慮到網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

41、對(duì)于不同葉輪形式的普適性要求，本報(bào)告建議在對(duì)葉輪網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，即所謂的HHCHH（鈍尾緣或/與鈍前緣結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)或者HHOHH結(jié)構(gòu)（非鈍尾緣及前緣結(jié)構(gòu)）。3.2.2 復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分在對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)或者校核時(shí)，除了考慮葉輪葉片流道之間的區(qū)域之外，往往還需要考慮附加的非主流區(qū)域的二次結(jié)構(gòu)，以使得計(jì)算域與實(shí)際情況更加接近，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際性能更加符合。對(duì)于壓氣機(jī)葉輪，二次結(jié)構(gòu)通常包括封頭結(jié)構(gòu)、子午結(jié)構(gòu)以及尾緣特殊處理等。以下將對(duì)這幾個(gè)方面進(jìn)行逐一闡述。3.2.2.1 封頭結(jié)構(gòu)增壓器壓氣機(jī)葉輪一般采用套裝結(jié)構(gòu)，將葉輪安裝在軸上并在其葉輪前端用六角螺母緊固，

42、因此在前端形成以平切結(jié)構(gòu)。圖3-22給出了其簡(jiǎn)化后的葉輪三維及子午面示意圖。由于氣流由吸入室沿軸線方向流入葉輪，在封頭處由于存在較大的幾何曲率變化，因此氣流在對(duì)應(yīng)區(qū)域存在較明顯的氣流折轉(zhuǎn)，并可導(dǎo)致局部分離，這將對(duì)壓氣機(jī)葉輪內(nèi)的流動(dòng)造成一定程度的影響。在進(jìn)行壓氣機(jī)性能及內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬時(shí)，為了考慮這部分流動(dòng)特征，需要對(duì)封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行特別的處理，并計(jì)入計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格生成。 封頭結(jié)構(gòu)圖3-22 封頭結(jié)構(gòu)示意圖考慮壓氣機(jī)葉輪的封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同樣需要就整個(gè)流動(dòng)區(qū)域拆分為多個(gè)子區(qū)域進(jìn)行。圖3-23給出了分區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中S1下游為葉輪流道區(qū)域，成為Zone 3，該區(qū)域的網(wǎng)格拓?fù)浞謪^(qū)方法可采用3.2

43、.1中所列出的樣式。葉輪上游的部分則需要進(jìn)行特別處理，同時(shí)需要對(duì)該區(qū)域的幾個(gè)重要特征點(diǎn)進(jìn)行捕捉和特別處理： C1及C2兩點(diǎn)。其中C1為封頭結(jié)構(gòu)的幾何曲率突變點(diǎn)，由于輪轂線在該處曲率項(xiàng)發(fā)生突然變化，為了保證所生成的網(wǎng)格的質(zhì)量，需要以該點(diǎn)作為基點(diǎn)將流動(dòng)區(qū)域拆分；C2點(diǎn)則為半徑為0的點(diǎn)，該點(diǎn)也是一個(gè)幾何曲率發(fā)生突變的點(diǎn)，并且以該點(diǎn)為頂點(diǎn)的線段S6上半徑皆為0。對(duì)于半徑為0的線段，在進(jìn)行網(wǎng)格拆分時(shí)，該線段可以作為一個(gè)網(wǎng)格面上的一條網(wǎng)格線，也可以作為一個(gè)完整的、退化形式的網(wǎng)格面。如果采用網(wǎng)格面的形式，則該面定義為奇線，對(duì)應(yīng)的C2點(diǎn)則為奇點(diǎn)。在奇線邊上的網(wǎng)格單元長(zhǎng)寬比為無窮大，盡管在計(jì)算時(shí)可以采用特殊的數(shù)

44、據(jù)處理方式進(jìn)行處理，但仍將引起額外的數(shù)值誤差，應(yīng)當(dāng)予以避免，因此推薦將S6線段處理為一個(gè)網(wǎng)格面上的一條內(nèi)部網(wǎng)格線。在對(duì)C1和C2兩個(gè)特殊點(diǎn)進(jìn)行捕捉之后，則可將葉輪吸入室區(qū)域拆分為兩個(gè)子區(qū)：Zone 1和Zone 2，其中Zone 1由S1、S2、S3和S4構(gòu)成，Zone 2 由R1、S2、S5和S6構(gòu)成。R1L1Zone 1Zone 2Zone 3S1S2S3S4S5S6C2C1S7圖3-23 封頭結(jié)構(gòu)子午視圖拓?fù)浞謪^(qū)示意圖中S7線段沒有特別的意義，該線的存在僅用來進(jìn)行C2點(diǎn)的捕捉。對(duì)于Zone 2區(qū)域的軸向尺寸，為了盡可能的減小R1區(qū)域的幾何曲率突變?cè)斐傻牧鲃?dòng)參數(shù)的變化對(duì)上游區(qū)域的影響，在進(jìn)

45、行幾何準(zhǔn)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證圖中的L1和R1滿足以下關(guān)系：L15R1在進(jìn)行圖3-23中所示的Zone 2區(qū)域的拓?fù)鋭澐謺r(shí)，應(yīng)需要注意以下幾點(diǎn)：1) 在奇點(diǎn)C1區(qū)域用包絡(luò)C形網(wǎng)格，這樣將在該區(qū)域內(nèi)單獨(dú)拆分出圖3-24所示的Zone 24區(qū)，用于進(jìn)行奇點(diǎn)C1附近的網(wǎng)格調(diào)整及控制；這樣，在Zone 24上游需要添加獨(dú)立的網(wǎng)格劃分區(qū)域Zone 21；2) 在進(jìn)行S6所在的區(qū)域網(wǎng)格剖分時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免使用S6作為奇線邊界（Singular）的劃分方法，為了達(dá)到這一目的，則需要在S6區(qū)域劃分一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立網(wǎng)格控制（圖3-24中所示Zone 23）；3) 為了實(shí)現(xiàn)Zone 24和Zone 23這兩個(gè)特殊網(wǎng)

46、格區(qū)域之間的合理連接及更方便的控制網(wǎng)格分布，在Zone 21和Zone 23之間需布置單獨(dú)的網(wǎng)格區(qū)Zone 22（S8和S9之間的區(qū)域）。圖3-24 Zone 2子分區(qū)內(nèi)部圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（子午視圖）遵循以上要求，在封頭切面上的網(wǎng)格拓?fù)浞謪^(qū)可以由圖3-25看出。其中的Zone 21與Zone 22具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格控制頂點(diǎn)分別為：(V1,V2,V3,V4)和(V3,V4,V5,V6)，兩個(gè)網(wǎng)格區(qū)域之間公用控制頂點(diǎn)V3、V4，構(gòu)成公用網(wǎng)格面；而Zone 23對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格控制頂點(diǎn)為(V5,V6,V7,V8)，其中的控制頂點(diǎn)位于公用頂點(diǎn)V5和V6之間，這樣可以使得S6線上獨(dú)有一個(gè)網(wǎng)格控制點(diǎn)，消除

47、了網(wǎng)格面退化為網(wǎng)格線的現(xiàn)象，從而避免了奇線邊界的出現(xiàn)。V1V4V3V5V6V7V8V2圖3-25 Zone 2子分區(qū)內(nèi)部圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（封頭切面視圖）圖3-26 考慮封頭結(jié)構(gòu)三維葉輪表面網(wǎng)格示意圖3-26為完整的封頭結(jié)構(gòu)區(qū)域網(wǎng)格分布形式，采用以上方法，可以較好的進(jìn)行封頭區(qū)域網(wǎng)格的劃分并獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量。3.2.2.2 子午結(jié)構(gòu)與尾緣平齊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子部件和靜子部件是壓氣機(jī)葉輪的兩大組成部分，由于壓氣機(jī)葉輪是高速旋轉(zhuǎn)的部件，為了保證其正常工作運(yùn)行，在葉輪轉(zhuǎn)子和靜子部件之間必須存在一定的間隙。葉輪背盤間隙便是其中一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)。背盤間隙的存在造成一定的鼓風(fēng)摩擦損失，將對(duì)壓氣機(jī)性能造成一定的影響，在數(shù)值計(jì)算

48、中，考慮這部分間隙內(nèi)的流動(dòng)，對(duì)于更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)壓氣機(jī)的特性顯得較為重要。另外，葉輪葉片出口一般為鈍尾緣結(jié)構(gòu)，并且和輪轂平齊（等半徑），需要采用一定的方法來進(jìn)行尾緣區(qū)域的特殊處理。圖3-27給出了背盤間隙及鈍尾緣平齊結(jié)構(gòu)三維及子午示意圖。背盤間隙結(jié)構(gòu)在子午面上投影后的形狀較為簡(jiǎn)單，通過子午面上所示的網(wǎng)格分布和分區(qū)進(jìn)行一定角度（周期性角度）的回轉(zhuǎn)便可生成三維空間的網(wǎng)格。在三維圖中所示的青色固體壁面區(qū)域?yàn)槿~輪的輪背，隨同葉輪一起高速旋轉(zhuǎn)，灰色區(qū)域固壁面為壓氣機(jī)的靜子部件。子午圖中所示的紅色線所包絡(luò)的固體壁面共同構(gòu)成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)部分，而黑色線所包絡(luò)的固體壁面則構(gòu)成靜子部分。圖3-27 背盤間隙及鈍尾緣結(jié)構(gòu)三

49、維及子午視圖L7圖3-28 背盤間隙及鈍尾緣結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)造示意對(duì)于類似結(jié)構(gòu)，在遵循3.1及3.2.1中所給出的網(wǎng)格數(shù)目及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的要求的基礎(chǔ)上，還需要額外進(jìn)行以下七個(gè)步驟和設(shè)定，以完成網(wǎng)格生成：1. 在已有的葉輪網(wǎng)格生成Project中，添加“ZR Effect”；2. 在AutoGrid中采用LINK CAD的模式將背盤間隙輪廓線L2L6通過“Import Merdional”的方式鏈接至ZR Effect；3. 進(jìn)入ZR Effect編輯模式，進(jìn)行子午面網(wǎng)格劃分和加密方式控制，返回三維網(wǎng)格生成模式；4. 激活B2B Mesh Topology Control頁面，勾選“Mesh”選項(xiàng)下的“Z

50、Cst line at Trailing Edge”；并將對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)“Cell Width at Trailing Edge”中的數(shù)值設(shè)定為與3中所設(shè)定的“Cell Width”相同；5. 通過“Add Z Constant Line”方法在L4的左頂點(diǎn)處添加等Z線，將其屬性設(shè)定為“Linear”，并將其左側(cè)頂點(diǎn)的半徑值調(diào)整為與L4左頂點(diǎn)半徑相同的值；同時(shí)將對(duì)應(yīng)的“Cell Width”值設(shè)定為與3、4中“Cell Width”相同的數(shù)值；6. 執(zhí)行“(Re)set Default Topology”功能；7. 調(diào)整流道內(nèi)網(wǎng)格分布并進(jìn)行三維網(wǎng)格生成。圖3-29給出了采用以上方法所得到的壓氣機(jī)葉

51、輪背盤間隙及鈍尾緣結(jié)構(gòu)的三維表面網(wǎng)格及子午網(wǎng)格示意圖。 圖3-29 背盤間隙及鈍尾緣結(jié)構(gòu)三維表面網(wǎng)格及子午網(wǎng)格示意圖3.2.3附面層網(wǎng)格剖分的要求對(duì)于壓氣機(jī)內(nèi)部的三維粘性流動(dòng)數(shù)值模擬，在保證計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目的前提下，所得到的計(jì)算結(jié)果可信度主要決定于邊界層內(nèi)的流動(dòng)模擬及損失預(yù)測(cè)。而決定邊界層內(nèi)流動(dòng)特征模擬精度的最主要因素便是壁面網(wǎng)格的y+及邊界層內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)目。y+為無量綱網(wǎng)格尺度，其定義為：式中y為實(shí)際的網(wǎng)格尺度，mt為湍流粘性系數(shù)，n為動(dòng)力粘性系數(shù)，m為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，r為工質(zhì)密度。圖3-30給出了靠近固體壁面區(qū)域的邊界層內(nèi)速度形分布與y+的關(guān)系。由圖可以看出，邊界層分為三個(gè)子層：粘性底層、過渡層及

52、對(duì)數(shù)率層。由于求解控制方程為雷諾平均Navier-Stokes問題，因此方程組的封閉需要借助于湍流模型。常用的湍流模型分為低雷諾數(shù)模型和高雷諾數(shù)模型兩類，這兩類湍流模型對(duì)于邊界層內(nèi)參數(shù)的模擬采用不同的方法。高雷諾數(shù)模型直接應(yīng)用對(duì)數(shù)關(guān)系式來求解邊界層內(nèi)的參數(shù)，沒有對(duì)粘性底層進(jìn)行特別處理，因此對(duì)y+的要求比較寬，允許其值在20-50之間，但通過圖可以看出，邊界層內(nèi)的分離流動(dòng)不滿足對(duì)數(shù)律關(guān)系，因此高雷諾數(shù)湍流模型在邊界層內(nèi)分離流動(dòng)的捕捉方面存在著缺陷；而低雷諾數(shù)模型求解粘性底層內(nèi)的流動(dòng)參數(shù)，可以較準(zhǔn)確的捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)信息，因此在進(jìn)行全三維粘性流動(dòng)數(shù)值模擬中推薦使用低雷諾數(shù)模型。由于直接對(duì)粘性底層

53、進(jìn)行求解，因此要求其y+比較小，應(yīng)控制在10以下。而為了達(dá)到更準(zhǔn)確的粘性底層流動(dòng)信息的捕捉，應(yīng)當(dāng)在粘性底層內(nèi)布置至少3-5個(gè)網(wǎng)格，這就要求近壁面的y+應(yīng)該控制在5以下，推薦值為2-3。根據(jù)此推薦的y+值，可以根據(jù)下述公式來預(yù)測(cè)近壁面第一層網(wǎng)格的法向尺寸：式中ywall為近壁面第一層網(wǎng)格尺度（即AutoGrid中所要求輸入的First Cell Width），Vref為參考速度，可取為葉輪尾緣處線速度，n為工質(zhì)動(dòng)力粘性系數(shù)，Lref為參考長(zhǎng)度，可取為葉輪進(jìn)口葉尖直徑。圖3-30 邊界層內(nèi)速度形分布需要注意的是，上述公式僅僅為用于預(yù)測(cè)，實(shí)際的壁面y+應(yīng)當(dāng)根據(jù)最終的三維計(jì)算結(jié)果輸出值為準(zhǔn)。如果三維計(jì)

54、算結(jié)果輸出的y+實(shí)際值與推薦的2-3存在較大差別，則可根據(jù)差別的比例返回重新修改網(wǎng)格生成過程中的第一層網(wǎng)格尺度，并重新生成網(wǎng)格完成計(jì)算。一般情況下，第一層網(wǎng)格尺度的修正僅需要一次便可以達(dá)到滿足要求的網(wǎng)格。3.2.4 葉輪網(wǎng)格質(zhì)量的控制及準(zhǔn)則3.2.4.1 葉輪網(wǎng)格質(zhì)量控制以上幾節(jié)對(duì)葉輪網(wǎng)格生成中的一些重要問題進(jìn)行了闡述。在遵循以上所要求的諸多網(wǎng)格生成要求的基礎(chǔ)上，如何最大幅度的提高三維網(wǎng)格質(zhì)量，并使所生成的網(wǎng)格達(dá)到葉輪性能及內(nèi)部流場(chǎng)的高精度數(shù)值模擬的要求則是網(wǎng)格生成工作最后也是最重要的工作。以下將介紹如何對(duì)葉輪內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行特殊控制以及最終生成網(wǎng)格所需要滿足的準(zhǔn)則。本部分研究同樣以J60增壓器壓

55、氣機(jī)葉輪為例，主要介紹如何使用等Z線及非匹配連接的方式來提高三維網(wǎng)格質(zhì)量。圖3-31給出了四種網(wǎng)格拓?fù)漕愋陀糜谘芯科鋵?duì)網(wǎng)格質(zhì)量的影響。圖中所示a為采用3.2.2.1中推薦的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但內(nèi)部網(wǎng)格采用匹配連接方式，即相鄰兩個(gè)網(wǎng)格塊之間交接網(wǎng)格面上的網(wǎng)格點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，其連接方式如圖中所示的紅色虛線形式。b所示的類型則與a基本相同，但在葉片前緣上游及尾緣下游分別布置一條等Z線，將葉片上游及下游分別分割出一個(gè)完全正交的獨(dú)立網(wǎng)格區(qū)域。c所示的結(jié)構(gòu)與a相同，但是內(nèi)部網(wǎng)格連接采用非匹配連接方式，即兩個(gè)相鄰網(wǎng)格塊之間的網(wǎng)格點(diǎn)非一一對(duì)應(yīng)，d所示結(jié)構(gòu)是在c的基礎(chǔ)上，在葉片上游添加了等Z線，將通道區(qū)域分割出一單獨(dú)的完全正交的區(qū)域。圖3-323-34給出了四種不同網(wǎng)格0%、50%及100%葉高截面網(wǎng)格分布及對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格質(zhì)量分布。由圖可以看出，對(duì)于采用匹配網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)(a,b)，在葉輪流道內(nèi)的葉片上游或下游添加等Z線，分割出獨(dú)立的網(wǎng)格區(qū)域，可以使得該區(qū)域的網(wǎng)格成水平走向，在此部分區(qū)域中，可以