CFD軟件在對旋式軸流風機數(shù)值模擬中的應用

1、CFD軟件在對旋式軸流風機數(shù)值模擬中的應用摘要：綜合分析介紹了CFD軟件在葉輪機械數(shù)值模擬中的兩個關鍵問題，即數(shù)值算法和湍流模型及其最近的一些研究進展，并以對旋式軸流風機的數(shù)值模擬為例對其應用進行了說明，最后對CFD在葉輪機械數(shù)值模擬中的應用及發(fā)展趨勢進行了展望。關鍵詞：計算流體動力學（CFD）；葉輪機械；數(shù)值模擬；數(shù)值算法；湍流模型引言隨著科學技術(shù)的進步和社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們節(jié)能意識逐步增強，許多領域?qū)θ~輪機械性能的要求越來越高。傳統(tǒng)的設計方法需要進行試制和測量大量試驗參數(shù)等工作，在對葉輪機械、噴管及管道等內(nèi)部流動進行試驗測量時，要求試驗裝置復雜龐大，從而消耗大量的人力和財力，成本較高，對試

2、驗的依賴性較強，研制周期較長。而數(shù)值模擬的方法將理論分析與試驗研究聯(lián)系在一起，以其獨特的優(yōu)勢逐漸成為研究流體流動的重要手段。隨著計算機內(nèi)存和并行技術(shù)的發(fā)展，計算流體動力學（CFD）已經(jīng)廣泛應用于葉輪機械的研發(fā)過程中，并成為一門獨特的學科。它能夠描述復雜幾何體內(nèi)部的三維流動現(xiàn)象，可以在設計的初期快速地評價設計并做出修改，而不需要費原型生產(chǎn)和反復測試；在設計的中期，用來研究設計變化對流動的影響，減少未預料到的負面影響；設計完成后，CFD提供各種數(shù)據(jù)和圖像，證實設計目的。近年來，CFD越來越多地應用于葉輪機械的設計和流場的分析中，大大減少了研發(fā)費用、時間及新設計帶來的風險，成為一種重要的設計和計算方

3、法1。按照流體動力學解決問題的思路，一次成功完整的數(shù)值計算必須包括建立計算模型、生成網(wǎng)格、確定控制方程、選擇湍流模型、確定初始和邊界條件、確定數(shù)值算法、離散方法及求解方程等步驟，而CFD應用中的關鍵問題就是數(shù)值算法的應用及湍流模型的選取。1數(shù)值算法20世紀90年代之前，受到計算機技術(shù)的限制，葉輪機械內(nèi)部流動的數(shù)值模擬從無粘勢流和線性化處理階段逐步向綜合考慮內(nèi)流粘性和回流方向的準粘性模擬階段發(fā)展2。早期葉輪機械內(nèi)流計算通常簡化為二維不可壓勢流或三維勢流，以勢函數(shù)、流函數(shù)或Euler方程為控制方程進行求解。50年代將三維Euler方程簡化為兩個相互關聯(lián)的二維方程求解，在當時技術(shù)條件下為葉輪機械內(nèi)部

4、流場數(shù)值計算建立了理論基礎。從1952年吳仲華教授提出S1、S2流面理論以來，人們普遍采用S1、S2流面相互迭代的方法來計算葉輪內(nèi)部流動，并由此產(chǎn)生了流線曲率法和準正交面法等一些數(shù)值方法。由于非粘性假設在一定程度上可以反映實際流動情況，與物理過程接近而且從認識上易被接受，因此目前仍有不少學者采用兩類流面理論研究葉輪機械內(nèi)部流動，尤其在葉輪機械水力設計反問題中應用很廣泛。之后隨著計算機技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了更為復雜的計算方法，使得葉輪機械的數(shù)值模擬不再停留在無粘階段，開始綜合考慮粘性、回流以及漩渦對內(nèi)流的影響，出現(xiàn)了勢流邊界層迭代解法、射流尾流模型及渦量流函數(shù)法等。其中勢流邊界層迭代解法將葉輪機械內(nèi)

5、的流場分為無粘性的勢流區(qū)和有粘性的湍流邊界層區(qū)，分別進行計算并迭代。該方法對于葉輪機械內(nèi)部存在的漩渦、二次流、脫流及葉尖間隙損失等復雜流動來講是一種較好的解決方法。對于該方法在葉輪機械內(nèi)流計算中的應用仍是當今的研究熱點。20世紀90年代以后，CFD技術(shù)隨著大容量、高速度計算機的出現(xiàn)得到迅速發(fā)展，進入了一個全三維粘性數(shù)值模擬時期，即粘性、時間平均化處理階段2。通過直接求解雷諾時均方程，結(jié)合湍流模型來計算葉輪機械內(nèi)部的三維粘性流動成為葉輪機械數(shù)值模擬的主要方法。在離散方法上出現(xiàn)了有限差分法、有限體積法、有限元法、有限分析法、邊界元法和譜方法等；在參數(shù)解耦方式上出現(xiàn)了壓力修正法、時間相關法、擬可壓縮

6、法（人工壓縮性法）和松弛迭代法等一系列研究成果。1972年問世的SIMPLE算法是壓力修正法的典型代表，之后又出現(xiàn)了SIMPLER（Patankar,1979）、SIMPLEST（Spalding,1981）、SIMPLEC（Doormal&Raithby,1983）等一系列改進方案3。SIMPLE算法及其改進算法仍是目前求解葉輪機械內(nèi)部不可壓流動的重要算法。許多學者采用壓力修正法來求解葉輪機械內(nèi)部流場?，F(xiàn)今對相關算法的改進算法仍是許多學者的研究課題。時間相關法（時間推進法）也是同一時期出現(xiàn)的數(shù)值模擬方法，除了適用于低亞聲速、亞聲速、跨聲速和超聲速流動外，還可同時用于內(nèi)流和外流、定常和

7、非定常流場的計算。該方法可分為顯示和隱式兩類。葉輪機械內(nèi)計算方面應用較廣的顯示格式有：Lax-Wendroff（L-W）格式、MacCormack預估修正格式及Runge-Kutta格式。對隱式方法的求解有近似因式分解法（AF法）和迎風格式。2湍流模型所謂湍流模型，就是建立湍流脈動附加項與時均量之間的關系，從而使控制流動的方程組能夠封閉。一個良好的湍流模型應有較好的普遍性，同時在復雜性上較適度。因此湍流模型的選擇直接影響到葉輪機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬的效果。到目前為止，出現(xiàn)的湍流模型有很多種，但是還沒有普遍適用的湍流模型。2.1零方程模型及一方程模型零方程模型是基于Boussinesq湍流渦粘性假

8、設，用代數(shù)關系建立渦粘性系數(shù)與平均速度之間的關系。經(jīng)過長期經(jīng)驗的積累發(fā)現(xiàn)，該模型直觀、簡單，但是只對二維簡單剪切流動有效，并不適用于旋轉(zhuǎn)、曲率和分離流動以及壓力或湍流驅(qū)動的二次流。因此，該模型只能用于射流、管流、噴管流動及邊界層流動等簡單流動，不適用于葉輪機械內(nèi)的湍流計算。一方程模型考慮到湍動的對流輸運和擴散輸運，因此比零方程模型更加合理。但是，一方程模型必須事先給定湍流尺度，而如何確定湍流尺度（依據(jù)經(jīng)驗公式或試驗）仍是難題，對于復雜流動的湍流尺度很難確定，雖可使用復雜的計算公式但卻無通用性，因此很難得到推廣使用，該模型目前主要用于邊界層計算。2.2兩方程模型兩方程模型用兩個微分方程建立渦粘性

9、系數(shù)與平均速度之間的關系，典型的是模型。該模型是目前工程上應用比較廣泛的，在計算帶有壓力梯度的二維流動和三維邊界層流動時，可以取得較好的效果，但由于其主要是基于湍流動能及其耗散率，忽略了分子之間的粘性，采用各向同性的渦粘性假設，因而在計算旋轉(zhuǎn)、曲率和分離流動等三維流場時并不理想，只對完全為湍流的流場有效。為了克服標準模型的不足，在其基礎上提出了許多改進的方案，如重整化群（RenormalizationGroup,RNG）模型、Realizable模型、高階各向異性（MAKE）模型等。改進后的模型雖然需要占用更多的計算機內(nèi)存，計算速度下降，但其模擬精度有所提高，因此這些改進后的模型在葉輪機械內(nèi)部

10、湍流的計算上已經(jīng)有了很多應用。重整化群（RNG）模型在近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理，精度較高，在流線曲率大、有漩渦和旋轉(zhuǎn)的葉輪機械內(nèi)部流場中更加適用。而Realizable模型則對旋轉(zhuǎn)流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流的模擬比較適用。采用各種模型對葉輪機械內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬的報道相對較多。另外，模型也屬于兩方程模型，該模型采用渦量脈動值平方的平均值的方程來代替方程。標準模型由于考慮了低雷諾數(shù)、可壓縮性、剪切流傳播等因素，因此其更適用于壁面束縛流動和自由剪切流動。模型也出現(xiàn)了剪切應力輸運（SST）模型等改進方案4。2.3代數(shù)雷諾應力模型（ARSM）與純代數(shù)應力模型（零方程模型）相比，代

11、數(shù)雷諾應力模型沒有完全忽略對流項和擴散項，而是部分加以保留。在計算時，采用和的輸運方程解出和，然后用代數(shù)關系計算雷諾應力。由于其計算量比雷諾應力模型小得多，也常被采用。另外，代數(shù)雷諾應力模型，由于解決了流動中的旋轉(zhuǎn)和曲率的影響，使其在計算量相對較小的情況下，無需改進即可捕捉旋轉(zhuǎn)和曲率流動的效果，也適用于葉輪機械內(nèi)部流動，包括對葉輪尾跡和葉頂間隙的數(shù)值模擬。當把ARSM模型與標準模型結(jié)合使用時，對于計算效率影響不大，使用這兩種模型耦合的方法，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。2.4雷諾應力模型（RSM）雷諾應力模型是一種比較先進卻更為復雜的湍流模型，它拋棄了Boussinesq假設中各向同性湍流動力粘

12、度及湍流應力與時均速度梯度呈線性關系的假設，直接對6個雷諾應力分量建立輸運方程并進行求解，因而能夠更好地反映湍流的物理特性。由于考慮了雷諾應力，同時又考慮了旋轉(zhuǎn)運動及流動方向表面曲率變化的影響，使得該模型占用更多的計算機內(nèi)存，但是它對于葉輪機械內(nèi)部復雜流動的模擬卻是非常理想的模型。計算實踐證明，RSM模型雖能考慮一些各向異性效應，但并不一定比其他模型效果好。在計算突擴流動分離和計算湍流輸運各向異性較強的流動時，RSM優(yōu)于兩方程模型，但對于一般的回流流動，RSM的結(jié)果并不一定比模型好。另一方面，就三維問題而言，采用RSM意味著要多求解6個關于雷諾應力的微分方程，計算量大，對計算機的要求較高，而且

13、其計算存在不穩(wěn)定性。由于RSM模型的計算工作量大，全三維工程計算的實例很少。2.5大渦模擬（LES）大渦模擬技術(shù)最早由氣象學家Smagorinsky于1963年最早提出，自1970年由Deardorff首次運用于湍流研究后，大量應用于湍流計算。大渦模擬模型采用非穩(wěn)態(tài)的N-S方程，直接模擬湍流中的大渦，并非直接計算小渦，小渦對大渦的影響可通過近似的模型來考慮。因而大渦模擬主要包含兩個環(huán)節(jié)：首先，建立數(shù)學濾波函數(shù)，從湍流N-S方程中將尺度比濾波函數(shù)尺度小的渦過濾掉，從而分解出大渦運動方程。常用的濾波函數(shù)有盒式濾波函數(shù)、高斯濾波函數(shù)及傅立葉截斷濾波函數(shù)。其次，建立亞格子模型，封閉小尺度渦脈動作用的亞

14、格子應力。建立合理的亞格子模型是大渦模擬的關鍵，目前主要有Smargorinsky渦粘模型、Bardina尺度相似模型、混合模型、譜空間模型、動力渦粘模型及結(jié)構(gòu)函數(shù)模型等。大渦模擬對計算機內(nèi)存和速度的要求遠低于直接模擬方法對計算機資源的要求，是介于直接數(shù)值模擬和雷諾平均法之間的一種湍流模型。隨著計算機硬件條件的快速提高，對大渦模擬方法的研究與應用呈明顯上升趨勢，成為目前CFD領域的熱點之一，而且近年來在工程上的應用也日趨廣泛。大渦模擬由于比一般統(tǒng)計湍流模型包含更少的經(jīng)驗常數(shù)和假設，使得大渦模擬備受關注，而且對于復雜葉輪機械內(nèi)部流場的數(shù)值模擬更具吸引力。可以預計在不久的將來，LES方法將可以用于

15、葉輪機械過流部件的流場計算中，成為數(shù)值模擬研究葉輪機械的新的熱點方向。2.6直接數(shù)值模擬（DNS）直接數(shù)值模擬是一種依據(jù)非穩(wěn)態(tài)的N-S方程對湍流直接計算的方法，最初由Orszag及其合作者于70年代初提出。湍流是多尺度不規(guī)則運動，直接數(shù)值模擬計算要求有很高的時間和空間分辨率。在空間尺度上，為了模擬湍流，一方面要求計算區(qū)域的尺寸L應大到足以計算湍流大尺度運動；另一方面要求計算網(wǎng)格尺度應小到足以分辯小尺度脈動(小于Kolmogorov耗能尺度)。由此對于三維計算模型，其網(wǎng)格數(shù)將是非常巨大的，對計算機內(nèi)存要求很高。因此，目前DNS僅對簡單湍流進行模擬。在時間尺度上湍流脈動也是多尺度的，要求最小時間步

16、長應小于最小渦的時間尺度，時間推進積分長度應數(shù)倍于大渦的特征時間。DNS方法可以獲得湍流場的全部信息，不存在封閉性問題，原則上可以求解所有湍流問題。目前，DNS方法由于受到計算機硬件條件的限制，在短期內(nèi)主要用于湍流探索性的基礎研究，還難以應用到尺寸龐大、結(jié)構(gòu)復雜、雷諾數(shù)高的葉輪機械過流部件流場的計算中。3CFD應用實例下面以一臺煤礦用對旋式軸流風機為例5，用全流道數(shù)值模擬方法得到的風機內(nèi)部壓力場、速度場以及渦量場的分布情況。圖1為風機全流場的網(wǎng)格劃分。圖2風機芯部表面的靜壓在經(jīng)過兩級葉輪后瞬間升至最高又降低，而后經(jīng)過擴散器擴壓后進入大氣。從圖3和圖4所示兩級葉輪的速度矢量圖可以明顯看出葉輪表面

17、速度分布的細部特征，葉輪表面，特別是葉頂、前緣和后緣這些特殊位置速度場的細部特征更為明顯，這充分體現(xiàn)了數(shù)值模擬方法相對于試驗研究的優(yōu)勢所在。通過這些速度矢量圖，我們可以形象地了解各個通流部件的流場分布特性。從葉片表面的速度矢量圖中還可以看到，葉頂徑向間隙存在泄漏流動，以及葉片后緣明顯的尾流脫落等氣流流動的細部特征。從圖5和圖6前后兩級葉輪截面的渦量分布可以更加明顯地的看出，葉片壓力面和吸力面之間以及葉頂和葉根截面之間都存在較大的速度梯度，而且后級葉輪截面正速度梯度較高的區(qū)域要多于前級葉輪截面，這些計算結(jié)果與之前對葉輪區(qū)域靜壓和速度分布規(guī)律的模擬結(jié)果都相吻合。4展望綜上所述，目前，對葉輪機械內(nèi)部

18、流動的數(shù)值模擬已經(jīng)發(fā)展到了比較成熟的階段，測試技術(shù)、計算方法和計算機技術(shù)的發(fā)展，必將進一步推動葉輪機械內(nèi)部流動的研究，如今對葉輪機械內(nèi)部流動的研究仍是當前國內(nèi)外最活躍的研究領域之一。雖然目前對葉輪機械內(nèi)部流動的數(shù)值模擬已經(jīng)比較成熟，但還有一些問題需要進一步研究和解決，歸納起來主要有以下6個方面：4.1湍流模型的研究及應用盡管針對某一類問題的湍流模型已經(jīng)較多，但是目前還沒有普遍適用于各類葉輪機械內(nèi)部流動的湍流模型。當前工程中廣泛使用的仍是RANS模型，今后必須探索其所使用方程的改進方法，提高模型的精度。而LES模型的理論還處于研究和發(fā)展階段，至今主要應用在氣象和環(huán)境科學領域。由于計算機資源不足及

19、亞格子應力模型的不完善，其在工程問題中的應用還較少。當前LES模型需要解決的課題是亞格子模式的改進和復雜幾何邊界近壁模型的建立。直接數(shù)值模擬只能做些探索性工作。目前，從基礎理論出發(fā),有可能探索出新的高精度的湍流計算途徑，形成適用于湍流各種復雜流場的方法。4.2自動化網(wǎng)格生成技術(shù)回顧CFD的發(fā)展歷史，其計算方法有了飛躍的發(fā)展，但是網(wǎng)格生成技術(shù)并沒有與之同步。對于復雜幾何邊界的葉輪機械內(nèi)部流場的計算，選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是必然的趨勢。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格忽略了對網(wǎng)格節(jié)點的結(jié)構(gòu)性限制，易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀及網(wǎng)格節(jié)點的位置，因此具有更大的靈活性，對復雜計算域的適應能力也更強。因此，更加便利、快捷的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生

20、成技術(shù)應成為以后研究的重點。另外，對于葉輪機械復雜的邊界條件，能否方便地生成網(wǎng)格以及在設計中方便地修改，成為CFD在設計中能否得到廣泛應用的一個關鍵。因此，計算網(wǎng)格自動或半自動的生成方法也是今后研究的重點。4.3高精度、高分辨率數(shù)值算法的研究數(shù)值模擬求解的精度取決于方程的離散，而求解的效率取決于離散方程的求解方法。對于方程的離散格式和數(shù)值算法中，有限體積法應用最為廣泛，也相對較為成熟。目前差分格式的研究主要集中在高精度（三階以上）格式，它不僅可以抑制在處理間斷解時的數(shù)值振蕩，而且具有較高精度。近年來，新的差分格式也層出不窮，如高階TVD格式、ENO格式、NND格式及WEND格式等。因此，探索更

21、有效的算法來進一步提高精度并降低計算費用仍是近期研究的重點之一，目前已出現(xiàn)了一批各具特色的方法，如多重網(wǎng)格法和平均修正法。4.4優(yōu)化設計方法的研究及應用為了優(yōu)化葉輪機械的設計，氣動設計（反問題）與數(shù)值模擬（正問題）需要有一個反復交替過程。將葉輪機械的設計與流場的數(shù)值模擬有機地結(jié)合起來，可以得到優(yōu)化的設計結(jié)果。因此，正問題的計算是葉輪機械優(yōu)化設計中非常重要的一步，CFD技術(shù)的應用為葉輪機械的精確設計提供了基礎。隨著優(yōu)化算法、三維數(shù)值計算、葉片造型技術(shù)及并行技術(shù)的發(fā)展，葉輪機械優(yōu)化設計方法的精度、計算量、自動化和集成化必將進一步發(fā)展，并應用于工程設計之中。4.5矢量化和并行技術(shù)的推廣并行算法在求解高度復雜的葉輪機械內(nèi)部流場時，通過把流動區(qū)域分成若干個子區(qū)域，子區(qū)域通過公共邊界上節(jié)點信息