三元流動(dòng)設(shè)計(jì)

三元流動(dòng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)單的說，就是給出設(shè)計(jì)要求參數(shù)，由初始設(shè)計(jì)值開始，運(yùn)用三元流動(dòng)方程組對(duì)流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算得到三元流動(dòng)的數(shù)值解，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。對(duì)于設(shè)計(jì)問題，完全的數(shù)值模擬方法不僅耗時(shí)太多，而且大量的自由度使得其難于工程應(yīng)用。目前國(guó)外較普遍而又行之有效的方法是將低元和高元結(jié)合實(shí)用，即初始設(shè)計(jì)階段用低元流動(dòng)理論，詳細(xì)計(jì)算時(shí)用準(zhǔn)三元或全三元理論方法。即在初始設(shè)計(jì)之后，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可預(yù)測(cè)其各工況下的性能以及其內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律，由此對(duì)其流動(dòng)進(jìn)行分析，對(duì)葉片設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)之后，再次進(jìn)行模擬，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求?；纠碚撍^三元流動(dòng)，其含義是指在實(shí)際流場(chǎng)中，所有流體參數(shù)都是空間坐標(biāo)系上三個(gè)方向的變量的函數(shù)。首先，根據(jù)能量方程與連續(xù)方程，流體參數(shù)沿軸向必有變化。其次，由于有機(jī)械功的輸入，流體在工作葉片通道內(nèi)的壓力面與吸力面之間必須形成壓力差，從而使流體參數(shù)沿周向呈周期性變化。最后，由于轉(zhuǎn)子的圓周速度沿葉高的變化和流體沿徑向平衡，流體參數(shù)沿半徑也必有變化。由連續(xù)方程，運(yùn)動(dòng)方程，能量方程以及邊界條件和初始條件，可以得到三元流動(dòng)基本方程組。然而，由于實(shí)際流體的三元流動(dòng)十分復(fù)雜，而描述這種流動(dòng)過程的方程組又無法直接求解。因此，目前應(yīng)用于工程上的三元流動(dòng)計(jì)算，通常采用一些簡(jiǎn)化條件，將空間粘性流體分成無粘性主流區(qū)和有粘性附面層區(qū)。對(duì)于無粘性主流區(qū)，采用兩類相對(duì)流面的三元流動(dòng)理論。對(duì)于此問題的解法，主要有三種方法：流線曲率法，通流矩陣法，有限元法。在設(shè)計(jì)過程中，流線曲率法主要是將流線的曲率和斜率作為參變量，將沿流線的法向或準(zhǔn)法向速度梯度方程沿氣體通流截面積分，可以根據(jù)流量方程得到新的流線形狀。如此反復(fù)迭代，直到獲得收斂解。通流矩陣法，基于通流基本方程一流函數(shù)方程。然后用適當(dāng)?shù)牟罘指袷綄⒎匠屉x散化，用矩陣法求出方程的通流解。有限元法是把微分方程的定解問題化為一個(gè)等價(jià)的變分問題一泛函極值問題，并希望得到求解區(qū)域內(nèi)有限點(diǎn)上的函數(shù)值。它把區(qū)域內(nèi)使泛函達(dá)到極小值的極值函數(shù)離散化，最終得到區(qū)域內(nèi)元素節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值。設(shè)計(jì)與制造

鑒于離心式葉輪內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性與特殊性，除了對(duì)主流區(qū)采用三元設(shè)計(jì)方法以外，還考慮到由于附面層內(nèi)粘性氣體的影響所必須進(jìn)行的修正。整個(gè)設(shè)計(jì)過程是反問題-正問題-反問題。反問題計(jì)算中，力求滿足為減少粘性流體流動(dòng)損失所必須遵循的基本約束條件，以設(shè)計(jì)出符合計(jì)算要求的空間流面形狀。為了工程上應(yīng)用方便，這種空間流面被簡(jiǎn)化了的葉道中間流面在子午面和徑向面上的投影所代替。正問題計(jì)算是對(duì)反問題計(jì)算所提供的葉片形狀進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算和鑒別。為了設(shè)計(jì)出高效的三元葉輪，正問題和反問題的計(jì)算將有一個(gè)交替的過程，即反-正-反的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)和歸宿是反問題計(jì)算。正問題是對(duì)反問題計(jì)算結(jié)果的一個(gè)核算過程，并將作為改進(jìn)葉輪參數(shù)的依據(jù)。與此同時(shí)，計(jì)算中假設(shè)了一個(gè)兩層模型，即將無粘性主流區(qū)的解與曲面附面層及分離區(qū)的計(jì)算互相結(jié)合，以滿足最佳翼型設(shè)計(jì)的主要約束條件。離心式三元葉輪正問題的求解，就是根據(jù)已知的葉輪盤與蓋形狀、葉片幾何形狀，以及流量、轉(zhuǎn)速與進(jìn)口流動(dòng)參數(shù)等，計(jì)算出葉輪內(nèi)部的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。為了求得內(nèi)部流場(chǎng)，目前可運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)與方法來獲得。通過對(duì)葉輪流場(chǎng)進(jìn)行的三維建模，并用商業(yè)軟件對(duì)其劃分網(wǎng)格，再用CFD計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，從而可以得到葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。以此為依據(jù)來評(píng)價(jià)葉輪性能，并進(jìn)一步優(yōu)化葉輪。反問題計(jì)算，通用的方法是按徑向動(dòng)量矩方程導(dǎo)出的葉片彎曲角公式和翼型的主要約束條件來設(shè)計(jì)翼型。中間流面的反問題計(jì)算，就是在已知流動(dòng)的參數(shù)和流線形狀下求葉片形狀。翼型最佳設(shè)計(jì)的約束條件，是在已知葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪進(jìn)出口幾何條件、葉片數(shù)及其性能參數(shù)下，求出相應(yīng)于葉輪最高效率的最佳流速分布問題。主要約束條件，一是控制葉片負(fù)荷規(guī)律，二是葉道內(nèi)附面層不發(fā)生分離。在目前的設(shè)計(jì)條件下，可結(jié)合一元和二元的設(shè)計(jì)方法來對(duì)葉片進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，再對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而達(dá)到縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期的目的。葉片形狀設(shè)計(jì)完成后，即可按正問題對(duì)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行迭代求解，通常是求出葉片壓力面、吸力面和中心流線上相對(duì)速度分布。如得出的速度分布不佳，并經(jīng)檢驗(yàn)不符合最佳設(shè)計(jì)的約束的條件，則可對(duì)葉片形狀進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。修改可以從兩方面進(jìn)行：一是修改盤、蓋形狀，以調(diào)整子午流線形狀及流道的寬窄，改善氣流沿子午流線切向與法向速度分布；二是修改葉片彎曲角的設(shè)計(jì)規(guī)律，主要是調(diào)整盤、蓋處的