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

PAGE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PAGEI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 13.1.1J90壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格相關(guān)性分析 23.1.1.1J90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 43.1.2J60壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格相關(guān)性分析 123.1.2.1J60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 533.5.1J90增壓器實(shí)驗(yàn)測(cè)試說明 533.5.2J90壓氣機(jī)幾何說明 543.5.3J90壓氣機(jī)計(jì)算進(jìn)口邊界條件的給定 543.5.4J90壓氣機(jī)單葉輪計(jì)算 553.5.5J90壓氣機(jī)級(jí)計(jì)算 563.5.6J90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 773.10壓氣機(jī)三維流場(chǎng)計(jì)算判別準(zhǔn)則研究 78PAGE671.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NUMECAFINE/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)用在渦輪增壓器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)中。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；高效壓氣機(jī)渦殼網(wǎng)格劃分技術(shù)研究；壓氣機(jī)三維流場(chǎng)仿真計(jì)算區(qū)域的選擇研究；壓氣機(jī)三維流場(chǎng)仿真計(jì)算邊界條件的給定研究；湍流模型的選擇研究；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；壓氣機(jī)堵塞、喘振流量的模擬計(jì)算方法；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。3.1.1J90壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格相關(guān)性分析3.1.1.1J90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。0.5mm1mm62m0.5mm1mm62m90mma.三維渲染模型b.葉輪模型c.子午尺寸圖3-1J90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-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1J90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)值失速數(shù)值失速a.效率特性b.壓比特性圖3-3J90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3-650%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3-750%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?。?。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)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。3.1.2J60壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格相關(guān)性分析3.1.2.1J60壓氣機(jī)幾何及參數(shù)J60壓氣機(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。R20.4mmR20.4mm0.4mm0.7mmR28mm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147萬，表2給出了這四種不同網(wǎng)格的詳細(xì)信息。表2J60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、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3-11J60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別約為0.4%，相對(duì)差別較為微小。總體而言，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（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)）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；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60~90mm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)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SkinMesh單獨(dú)分區(qū)的結(jié)構(gòu)；2)不帶有SkinMesh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SkinMesh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SkinMesh結(jié)構(gòu)。a拓?fù)湟籦拓?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SkinMesh。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)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SkinMesh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SkinMesh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3-19~21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)湟籦拓?fù)涠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裕@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。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)湟粇三對(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)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)湟粇三對(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（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SkinMesh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?；谝陨嫌懻摚紤]到網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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，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)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Zone3，該區(qū)域的網(wǎng)格拓?fù)浞謪^(qū)方法可采用3.2.1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)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)：Zone1和Zone2，其中Zone1由S1、S2、S3和S4構(gòu)成，Zone2由R1、S2、S5和S6構(gòu)成。RR1L1Zone1Zone2Zone3S1S2S3S4S5S6C2C1S7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Zone2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)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：L1≥5R1在進(jìn)行圖3-23中所示的Zone2區(qū)域的拓?fù)鋭澐謺r(shí)，應(yīng)需要注意以下幾點(diǎn)：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Zone24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Zone24上游需要添加獨(dú)立的網(wǎng)格劃分區(qū)域Zone21；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Zone23）；為了實(shí)現(xiàn)Zone24和Zone23這兩個(gè)特殊網(wǎng)格區(qū)域之間的合理連接及更方便的控制網(wǎng)格分布，在Zone21和Zone23之間需布置單獨(dú)的網(wǎng)格區(qū)Zone22（S8和S9之間的區(qū)域）。圖3-24Zone2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Zone21與Zone22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Zone23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)。V1V1V4V3V5V6V7V8V2圖3-25Zone2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)三維及子午視圖L7L7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“ZREffect”；2.在AutoGrid中采用LINKCAD的模式將背盤間隙輪廓線L2~L6通過“ImportMerdional”的方式鏈接至ZREffect；3.進(jìn)入ZREffect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B2BMeshTopologyControl頁面，勾選“Mesh”選項(xiàng)下的“ZCstlineatTrailingEdge”；并將對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)“CellWidthatTrailingEdge”中的數(shù)值設(shè)定為與3中所設(shè)定的“CellWidth”相同；5.通過“AddZConstantLine”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“CellWidth”值設(shè)定為與3、4中“CellWidth”相同的數(shù)值；6.執(zhí)行“(Re)setDefaultTopology”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，為湍流粘性系數(shù)，為動(dòng)力粘性系數(shù)，為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，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FirstCellWidth），Vref為參考速度，可取為葉輪尾緣處線速度，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)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3-32~3-34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，可以使得網(wǎng)格完全正交，從而提高高質(zhì)量網(wǎng)格的比例。對(duì)于非匹配連接的結(jié)構(gòu)(c,d)，使用等Z線也可以達(dá)到同樣的效果，但是由于采用非匹配網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之后，在葉輪葉片上游及下游區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量已經(jīng)獲得明顯改善，該區(qū)域絕大部分網(wǎng)格的正交性角度都可以保持在60度以上，因此采用等Z線所獲得的網(wǎng)格質(zhì)量的改善效果并不是非常明顯，另外，由于等Z線的使用，使得葉片區(qū)域的網(wǎng)格域減小，網(wǎng)格光順的程度受到一定程度的限制，從而使得在葉片區(qū)域內(nèi)的部分網(wǎng)格正交性反而略有下降。a匹配連接b匹配連接+等Z線c非匹配連接d非匹配連接+等Z線圖3-31四種類型網(wǎng)格B2B示意圖a匹配連接方式b匹配連接方式+等Z線c非匹配連接方式d非匹配連接方式+等Z線圖3-32四種網(wǎng)格0%葉高截面網(wǎng)格及質(zhì)量分布a匹配連接方式b匹配連接方式+等Z線c非匹配連接方式d非匹配連接方式+等Z線圖3-33四種網(wǎng)格50%葉高截面網(wǎng)格及質(zhì)量分布a匹配連接方式b匹配連接方式+等Z線c非匹配連接方式d非匹配連接方式+等Z線圖3-34四種網(wǎng)格100%葉高截面網(wǎng)格及質(zhì)量分布對(duì)于上面幾個(gè)圖中所示的匹配結(jié)構(gòu)和非匹配結(jié)構(gòu)網(wǎng)格質(zhì)量之間的對(duì)比，可以明確，對(duì)于葉片進(jìn)口幾何角較大的葉輪，采用非匹配連接的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以顯著改善葉輪流道內(nèi)的網(wǎng)格質(zhì)量，因此，對(duì)于采用匹配網(wǎng)格無法獲得高質(zhì)量網(wǎng)格的情況，推薦使用非匹配連接方式。需要注意的是，是否在葉輪流道內(nèi)添加等Z線以及是否采用非匹配連接方式要取決于具體的葉輪形狀。等Z線的添加在提高局部網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)也會(huì)降低其它部分區(qū)域的網(wǎng)格正交性，而非匹配網(wǎng)格的采用將使得計(jì)算網(wǎng)格在流場(chǎng)計(jì)算求解過程中采用網(wǎng)格邊界上的數(shù)據(jù)插值處理來進(jìn)行相鄰網(wǎng)格塊之間的參數(shù)信息傳遞，這將引起一定的截?cái)嗪筒逯嫡`差。因此建議，對(duì)于進(jìn)口計(jì)算域較長(zhǎng)（大于主葉片1/2中弧線長(zhǎng)度）的情況，可以在葉片前緣布置等Z線；對(duì)于尾緣出口計(jì)算域長(zhǎng)度較長(zhǎng)（大于主葉片1/5中弧線長(zhǎng)度）的情況，可以在葉片尾緣下游布置等Z線；對(duì)于葉片幾何角（與周向夾角）小于40度的情況可使用非匹配連接方式，并且需保證使用非匹配連接的兩個(gè)相鄰網(wǎng)格面上的網(wǎng)格點(diǎn)分布密度不能出現(xiàn)過大懸殊，應(yīng)保證公用網(wǎng)格面上相鄰的網(wǎng)格尺度比例不大于3。3.2.4.2葉輪網(wǎng)格質(zhì)量判斷準(zhǔn)則評(píng)價(jià)網(wǎng)格質(zhì)量的因素主要包括網(wǎng)格的正交性、延展比、長(zhǎng)寬比，其具體幾何含義如下所示：4132正交性：如右圖所示，圖中對(duì)應(yīng)的實(shí)線所構(gòu)成的區(qū)域?yàn)橐痪W(wǎng)格單元，該網(wǎng)格單元相鄰兩條網(wǎng)格邊的的夾角表示網(wǎng)格單元的正交性角度，該角度范圍為0-90度，如該角度為鈍角，這對(duì)應(yīng)的正交性角度為其余角。該網(wǎng)格單元的最小正交性角度則為1、2、3、44132長(zhǎng)寬比：如右圖所示，圖中a、b、c、d四條邊構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)格單元。取任意相鄰的兩條網(wǎng)格邊的均值及另兩條相鄰邊的均值之間的最大值與最小值之比值即為網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比。長(zhǎng)寬比的大小影響著網(wǎng)格單元的形狀，其值越接近1，則網(wǎng)格單元的形狀越接近正方形，網(wǎng)格質(zhì)量越高，對(duì)應(yīng)的計(jì)算精度也就越高。因此，應(yīng)當(dāng)盡可能的降低全局網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比。但對(duì)于全三維粘性湍流計(jì)算，為了捕捉邊界層內(nèi)部的流動(dòng)信息，需要對(duì)固體壁面區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密以滿足邊界層內(nèi)網(wǎng)格數(shù)目及分布的要求，因此在限定網(wǎng)格數(shù)目的情況下，無法大幅度降低網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比。基于此原因，對(duì)于粘性網(wǎng)格，應(yīng)使得全局最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比不大于1000，并應(yīng)使長(zhǎng)寬比大于100的網(wǎng)格單元數(shù)目比例不高于10%?？勺鳛榇笳撐牡膮⒖佳诱贡龋河覉D給出了兩個(gè)相鄰的網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格單元由6條網(wǎng)格邊構(gòu)成。在同一網(wǎng)格方向上，取兩相鄰網(wǎng)格單元各自的四條網(wǎng)格邊的均值中的最大值與最小值的比值即為網(wǎng)格延展比。由于數(shù)值計(jì)算過程中，網(wǎng)格單元的參數(shù)信息存儲(chǔ)在格子中心，兩相鄰網(wǎng)格的的尺度變化過大會(huì)引起網(wǎng)格之間參數(shù)信息傳遞的較大數(shù)值誤差，因此應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制全局網(wǎng)格延展比。對(duì)于一三維粘性網(wǎng)格，圖3-35給出了J90壓氣機(jī)葉輪對(duì)應(yīng)的較高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為86萬。根據(jù)以上所給定的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)并采用以上研究所給出的網(wǎng)格劃分建議，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格質(zhì)量滿足正交性、長(zhǎng)寬比及延展比的要求。由圖中的分項(xiàng)指標(biāo)可以看出，網(wǎng)格正交性最小值為29，且全局網(wǎng)格正交性角度小于30度的僅有4個(gè)，且正交性角度大于45度的網(wǎng)格數(shù)目占全部網(wǎng)格的98.3%以上；網(wǎng)格長(zhǎng)寬比最大值621，其值小于200的網(wǎng)格數(shù)目占據(jù)全部網(wǎng)格的99.6%以上；網(wǎng)格延展比最大值3.4，其中延展比小于2的網(wǎng)格數(shù)目占全部網(wǎng)格的比例為93.6%，完全滿足以上所述的計(jì)算網(wǎng)格質(zhì)量要求。可作為大論文的參考a三維葉片表面網(wǎng)格b網(wǎng)格正交性c網(wǎng)格長(zhǎng)寬比d網(wǎng)格延展比圖3-35滿足計(jì)算要求的網(wǎng)格及質(zhì)量檢測(cè)3.2.5結(jié)論以上對(duì)葉輪內(nèi)部網(wǎng)格區(qū)域劃分、復(fù)雜二次結(jié)構(gòu)幾何形狀內(nèi)的網(wǎng)格劃分、邊界層內(nèi)網(wǎng)格控制以及網(wǎng)格質(zhì)量的調(diào)整、控制和評(píng)判方法進(jìn)行了研究，通過本部分工作，對(duì)壓氣機(jī)葉輪網(wǎng)格生成有以下結(jié)論及建議：應(yīng)使用SkinMesh結(jié)構(gòu)，進(jìn)行葉片區(qū)域的包絡(luò)，并用于提高固壁區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量；對(duì)于壓氣機(jī)葉輪的封頭結(jié)構(gòu)，為了考慮其對(duì)壓氣機(jī)計(jì)算性能的影響，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行特殊網(wǎng)格剖分。在網(wǎng)格剖分過程中，應(yīng)當(dāng)避免奇線邊界的出現(xiàn)，并使用C型包絡(luò)網(wǎng)格來進(jìn)行封頭幾何拐點(diǎn)處的網(wǎng)格包絡(luò)以保證網(wǎng)格質(zhì)量；使用ZREffect可以進(jìn)行背盤間隙內(nèi)的網(wǎng)格自動(dòng)劃分，在劃分過程中，應(yīng)結(jié)合合理的等Z線將流道區(qū)域拆分為幾個(gè)子區(qū)域以便于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)造及網(wǎng)格塊之間的連接；在進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的幾何及工況條件來初步確定近壁面第一層網(wǎng)格的法向尺度來保證湍流模型對(duì)y+的要求，并應(yīng)當(dāng)根據(jù)三維計(jì)算得到的實(shí)際y+對(duì)第一層網(wǎng)格尺度進(jìn)行調(diào)整并重新完成網(wǎng)格生成和流場(chǎng)計(jì)算；可以采用非匹配連接方式及添加等Z線的方式來提高葉輪流道內(nèi)的網(wǎng)格質(zhì)量，但在使用非匹配連接方式時(shí)，應(yīng)保證相鄰網(wǎng)格塊之間的公用網(wǎng)格邊上的網(wǎng)格分布不要出現(xiàn)較大的差別，在同一網(wǎng)格線幾何尺寸中，應(yīng)當(dāng)保證網(wǎng)格線兩側(cè)網(wǎng)格數(shù)目比例不大于3；對(duì)于所生成的三維網(wǎng)格，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制網(wǎng)格的正交性、長(zhǎng)寬比及延展比指標(biāo)。對(duì)于網(wǎng)格正交性，應(yīng)當(dāng)保證全局網(wǎng)格的最小正交性角度不小于20度，且盡可能提高正交性角度大于50度的網(wǎng)格數(shù)目占總網(wǎng)格數(shù)目的比例；對(duì)于長(zhǎng)寬比，應(yīng)當(dāng)保證全局網(wǎng)格最大長(zhǎng)寬比小于1000，且應(yīng)使90%以上的網(wǎng)格單元長(zhǎng)寬比小于100；全局網(wǎng)格的最大延展比應(yīng)控制在5以下，且應(yīng)保證90%以上的網(wǎng)格單元延展比小于3。3.4壓氣機(jī)蝸殼網(wǎng)格劃分技術(shù)3.4.1網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于壓氣機(jī)葉輪出口氣流的高度不均勻性，壓氣機(jī)蝸殼內(nèi)部流動(dòng)相對(duì)較為復(fù)雜，二次流現(xiàn)象顯著，氣流具有較高的旋度，使得對(duì)于蝸殼內(nèi)部流動(dòng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提出了較高的要求。由于網(wǎng)格質(zhì)量是影響計(jì)算精度的重要因素之一，而蝸殼網(wǎng)格幾何形狀相對(duì)較為復(fù)雜，這就使得劃分蝸殼網(wǎng)格較為困難，如何采用合理的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)格分布以最大限度的保證蝸殼內(nèi)的網(wǎng)格質(zhì)量便成為壓氣機(jī)性能預(yù)測(cè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。圖3-36J60壓氣機(jī)蝸殼三維形狀由于車用增壓器的壓氣機(jī)蝸殼形狀基本相同，因此，本節(jié)以J60壓氣機(jī)蝸殼為對(duì)象，介紹其內(nèi)部網(wǎng)格的劃分方法。圖3-36給出了J60壓氣機(jī)蝸殼三維渲染圖。該蝸殼所對(duì)應(yīng)的計(jì)算域包括無葉擴(kuò)壓器和蝸殼流道兩部分，圖3-37給出了蝸殼截面及網(wǎng)格分布示意圖。由于采用多塊、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行蝸殼內(nèi)部區(qū)域的網(wǎng)格劃分，因此，對(duì)于圖中所示的截面形狀，在盡可能提高網(wǎng)格質(zhì)量及控制網(wǎng)格塊數(shù)目的前提下，應(yīng)當(dāng)將計(jì)算區(qū)域拆分為兩個(gè)分區(qū)，以對(duì)無葉擴(kuò)壓器和蝸殼內(nèi)的流通區(qū)域進(jìn)行分別剖分。如圖3-37a所示，在紅線A處將無葉擴(kuò)壓器與蝸殼流道拆分為兩部分，并分別進(jìn)行網(wǎng)格剖分。在該圖中，同樣可以沿藍(lán)線B的方向?qū)⒘鞯绤^(qū)域拆分，但在最終網(wǎng)格劃分并選定網(wǎng)格塊的分界線時(shí)，應(yīng)根據(jù)兩側(cè)流道的形狀來選擇合適的分界線，以盡可能使兩側(cè)網(wǎng)格塊的網(wǎng)格劃分及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)且可保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量。圖3-37b給出了進(jìn)行網(wǎng)格拆分時(shí)網(wǎng)格塊頂點(diǎn)的布置，圖中頂點(diǎn)1-2-3-4給出了蝸殼流道內(nèi)的網(wǎng)格塊頂點(diǎn)布置，其中1、4頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)無葉擴(kuò)壓器出口；頂點(diǎn)1-4-5-6分別對(duì)應(yīng)無葉擴(kuò)壓器流道內(nèi)的網(wǎng)格控制頂點(diǎn)。對(duì)于1-4-5-6所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，直接采用網(wǎng)格塊捕捉即可，對(duì)于1-2-3-4所區(qū)域，由于其形狀接近于圓或橢圓，尤其在頂點(diǎn)2及3兩側(cè)，由于幾何線光滑，導(dǎo)致該處網(wǎng)格角度接近180度（或最小夾角接近0度），則將給流動(dòng)計(jì)算收斂性帶來問題，并且會(huì)大幅度降低計(jì)算精度。因此，對(duì)于此種封閉、光滑型區(qū)域，應(yīng)當(dāng)采用特殊的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格拆分。ABAB234156a截面形狀b網(wǎng)格拓?fù)鋱D3-37蝸殼截面形狀及網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3-38蝶形網(wǎng)格示意圖DABCE圖3-38給出了一圓形（光滑封閉區(qū)域）形狀及其內(nèi)部網(wǎng)格剖分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由該圖可以看出，通過該區(qū)域內(nèi)的八條紅色線，可以將該圖3-38蝶形網(wǎng)格示意圖DABCE3.4.2網(wǎng)格塊的劃分在確定了蝸殼內(nèi)部流道內(nèi)的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，便可以對(duì)蝸殼及無葉擴(kuò)壓器進(jìn)行網(wǎng)格塊的建立和網(wǎng)格塊之間的連接。對(duì)于蝸殼的剖分，為了減小網(wǎng)格劃分難度，通常沿周向方向?qū)⑽仛げ鸱殖啥鄠€(gè)子區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)單獨(dú)的網(wǎng)格塊。AABCDEGF圖3-39蝸殼流道網(wǎng)格塊劃分示意圖圖3-39給出了蝸殼流道區(qū)域的網(wǎng)格塊劃分：蝸殼出口段，幾何變化相對(duì)均勻，采用一個(gè)網(wǎng)格塊（A）即可進(jìn)行流道的填充；對(duì)于蝸殼出口段及0截面之間的區(qū)域，同樣采用一個(gè)網(wǎng)格塊進(jìn)行填充，以進(jìn)行獨(dú)立控制；從0截面開始至蝸舌部分，由于流道相對(duì)較長(zhǎng)，為了便于網(wǎng)格塊的的劃分以及網(wǎng)格分布的調(diào)整，將該區(qū)域拆分為5個(gè)子區(qū)域（C、D、E、F、G）。根據(jù)蝸殼流道的網(wǎng)格塊劃分，決定無葉擴(kuò)壓器流通區(qū)域的網(wǎng)格塊劃分方式。一般情況而言，為了保證較高的計(jì)算精度，通常將無葉擴(kuò)壓器沿周向拆分為與蝸殼流道具有相同數(shù)目的網(wǎng)格塊，并建立與相鄰蝸殼流道網(wǎng)格塊之間的對(duì)等連接。3.4.3蝶形網(wǎng)格的使用對(duì)于蝸殼流道內(nèi)的網(wǎng)格，由于其截面形狀為自封閉光滑幾何區(qū)域，如前面章節(jié)所描述的方法，應(yīng)當(dāng)在網(wǎng)格劃分時(shí)采用蝶形網(wǎng)格方式。以下將主要討論如何進(jìn)行蝶形網(wǎng)格內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置以及網(wǎng)格分布控制。BBA圖3-40蝸殼網(wǎng)格塊示意圖BBA圖3-41蝸殼內(nèi)網(wǎng)格塊網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3-41給出了蝸殼內(nèi)網(wǎng)格塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從截面A、B圖上可以看出，其內(nèi)部區(qū)域被六條內(nèi)部網(wǎng)格線拆分為5個(gè)區(qū)域，合理控制這幾條網(wǎng)格線的形狀可以較好的實(shí)現(xiàn)蝸殼內(nèi)網(wǎng)格質(zhì)量的控制。在進(jìn)行內(nèi)部網(wǎng)格線控制時(shí)，應(yīng)保證與截面邊界線相交的四條網(wǎng)格線（綠色線）為直線，并盡可能垂直于截面邊界，以最大限度的保證網(wǎng)格的質(zhì)量。3.4.4蝶形網(wǎng)格的內(nèi)部加密對(duì)于圖3-41中所示的網(wǎng)格截面A及B，除紅線之外的三條截面線皆對(duì)應(yīng)著蝸殼固壁，因此，根據(jù)粘性流動(dòng)數(shù)值模擬對(duì)網(wǎng)格的要求，需要在固體壁面附近進(jìn)行網(wǎng)格的堆積以進(jìn)行粘性邊界層內(nèi)流動(dòng)的較準(zhǔn)確模擬，而此種網(wǎng)格堆積僅需要對(duì)截面上所示的綠色線進(jìn)行網(wǎng)格加密控制即可實(shí)現(xiàn)。將綠色線上的網(wǎng)格沿從內(nèi)向外方向（假設(shè)蝸殼截面中心為零點(diǎn)，則可看作為徑向方向）按照一定的加密形式進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)截面區(qū)域內(nèi)靠近蝸殼固體壁面附近的網(wǎng)格堆積。而對(duì)于紅色線，由于該線是蝸殼我也與無葉擴(kuò)壓器的連通面，因此原則上該面不需要沿徑向進(jìn)行網(wǎng)格加密。但考慮到紅線相鄰的兩個(gè)網(wǎng)格線為蝸殼壁面及蝸殼擴(kuò)壓器壁面，因此，需要對(duì)紅線進(jìn)行端點(diǎn)堆積，以確保無葉擴(kuò)壓器壁面附近同樣具有足夠細(xì)密的網(wǎng)格以保證粘性邊界層模擬精度。3.4.5網(wǎng)格塊之間的連接網(wǎng)格塊之間的連接可以有多種方式：公用網(wǎng)格面幾何相同、對(duì)應(yīng)網(wǎng)格線上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目及分布相同時(shí)，可以使用完全匹配連接；而網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目或者分布不相同時(shí)則可以使用非匹配連接或者完全非匹配連接；如果兩個(gè)網(wǎng)格塊之間的公用幾何面不相同，則網(wǎng)格分布也必定無法相同，此時(shí)則只能使用完全非匹配連接的形式。對(duì)于完全匹配連接，兩個(gè)網(wǎng)格塊在公用網(wǎng)格面上的流場(chǎng)信息進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通量傳遞，此過程不造成額外誤差，因此計(jì)算精度最高；而對(duì)于非匹配連接及完全非匹配連接，則需要按照坐標(biāo)點(diǎn)及流場(chǎng)信息進(jìn)行通量插值，此插值過程將造成一定的插值誤差，尤其當(dāng)連接面兩側(cè)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)目以及網(wǎng)格分布形式存在較大差異時(shí)，此插值誤差就更為明顯。因此，在進(jìn)行網(wǎng)格塊之間的連接時(shí)，在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能使用完全匹配連接。對(duì)于相鄰網(wǎng)格塊皆采用蝶形網(wǎng)格的情況，盡管網(wǎng)格塊內(nèi)部的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但是通過一定的控制方式仍然可以實(shí)現(xiàn)它們之間的完全匹配連接。圖3-42蝶形網(wǎng)格塊之間的完全匹配連接如圖3-42中所示，如果兩相鄰網(wǎng)格塊中的其中一個(gè)已經(jīng)使用了蝶形網(wǎng)格的剖分形式，在對(duì)于另一個(gè)網(wǎng)格塊可以采用以下步驟使其與相鄰塊之間建立完全匹配連接：1)激活蝶形網(wǎng)格控制窗口；2)使用”Copyfromselection”功能，將相鄰蝶形網(wǎng)格塊的端面上的內(nèi)部網(wǎng)格線形式和控制點(diǎn)位置拷貝至目標(biāo)網(wǎng)格塊端面；3)將徑向網(wǎng)格數(shù)目(Numberofradialpoint)設(shè)定為與相鄰蝶形網(wǎng)格塊相同的數(shù)目；4)選擇相同的徑向網(wǎng)格加密規(guī)律和加密方式。通過這種方式可以比較方便的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相鄰蝶形網(wǎng)格塊之間的完全匹配連接。在某些情況下，由于受具體的幾何因素及網(wǎng)格數(shù)目限制的影響，兩個(gè)相鄰的網(wǎng)格塊之間難以建立完全匹配的連接，在這種情況下，可以使用完全非匹配連接方式實(shí)現(xiàn)兩網(wǎng)格塊之間的連接。3.5壓氣機(jī)三維流場(chǎng)仿真計(jì)算區(qū)域的選擇研究在進(jìn)行增壓器壓氣機(jī)三維流場(chǎng)數(shù)值模擬時(shí)，CFD工程師可以自由對(duì)計(jì)算域進(jìn)行選擇并可進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，但是由于計(jì)算域的選擇對(duì)壓氣機(jī)性能及內(nèi)部流場(chǎng)存在一定程度的影響，因此在設(shè)定計(jì)算域時(shí)，需要對(duì)所做的簡(jiǎn)化所可能帶來的影響有客觀的認(rèn)識(shí)。以下針對(duì)J90增壓器壓氣機(jī)，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法進(jìn)行對(duì)比分析，以分析計(jì)算域的選擇方法對(duì)壓氣機(jī)性能的影響。3.5.1J90增壓器實(shí)驗(yàn)測(cè)試說明壓氣機(jī)放氣閥壓氣機(jī)放氣閥燃燒室增壓器TC圖3-43增壓器性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)J90增壓器的性能測(cè)試在北京理工大學(xué)渦輪增壓實(shí)驗(yàn)室增壓器性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成，圖3-43給出了實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖，圖3-44則給出了壓氣機(jī)性能測(cè)試的示意圖。圖3-44壓氣機(jī)性能測(cè)試示意圖由圖3-44可以看出，在進(jìn)行壓氣機(jī)性能測(cè)試時(shí)，壓氣機(jī)前探針的位置位于壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口上游450mm處，而壓氣機(jī)后探針的位置則位于蝸殼出口下游300mm處。由于本項(xiàng)目中評(píng)定CFD結(jié)果可信度的標(biāo)準(zhǔn)是基于性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的，因此在進(jìn)行CFD分析過程中，應(yīng)盡可能的保證CFD的結(jié)果提取與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果提取相統(tǒng)一。3.5.2J90壓氣機(jī)幾何說明J90壓氣機(jī)幾何參數(shù)在3.1.1中已經(jīng)闡述。主葉片及分流葉片數(shù)目各為7，實(shí)驗(yàn)折合轉(zhuǎn)速為80000rpm。3.5.3J90壓氣機(jī)計(jì)算進(jìn)口邊界條件的給定實(shí)驗(yàn)過程中，壓氣機(jī)進(jìn)口采用自然吸氣的方式，但由于壓氣機(jī)進(jìn)口上游存在較長(zhǎng)的管道，必然存在著一定程度邊界層損失（管損），另外，由于壓氣機(jī)進(jìn)口參數(shù)的測(cè)量點(diǎn)在壓氣機(jī)進(jìn)口上游450mm處，因此，應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)際來流來到達(dá)壓氣機(jī)進(jìn)口處時(shí)的實(shí)際參數(shù)特性。據(jù)此，要正確的來捕捉壓氣機(jī)進(jìn)口處的參數(shù)，可以通過預(yù)測(cè)管道內(nèi)的邊界層厚度的方法來得到，也可以在進(jìn)行計(jì)算時(shí)直接將管道置入計(jì)算域內(nèi)進(jìn)行計(jì)算從而捕獲準(zhǔn)確的管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)?？紤]到實(shí)際的計(jì)算工作量，本項(xiàng)目在實(shí)行時(shí)選擇了第一種方式，即采用CFD方法對(duì)管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行模擬，得到壓氣機(jī)進(jìn)口處的實(shí)際流動(dòng)參數(shù)，再作為壓氣機(jī)計(jì)算的進(jìn)口條件來實(shí)施數(shù)值模擬。圖3-45壓氣機(jī)進(jìn)口處總壓分布圖3-45給出了采用CFD方法得到的壓氣機(jī)進(jìn)口處的實(shí)際總壓分布，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一定長(zhǎng)度的管流流動(dòng)，氣流在到達(dá)壓氣機(jī)進(jìn)口處時(shí)，邊界層厚度發(fā)展約為主流的10%，可以明顯看出管道兩壁面處的總壓虧損。計(jì)算結(jié)果同時(shí)顯示，管內(nèi)總溫未發(fā)生變化（絕熱流動(dòng)）。在以下的數(shù)值分析中，此壓力分布將作為壓氣機(jī)進(jìn)口的總壓邊界條件。3.5.4J90壓氣機(jī)單葉輪計(jì)算單葉輪計(jì)算是壓氣機(jī)性能預(yù)測(cè)最簡(jiǎn)單的方法，可以從一定程度上反映壓氣機(jī)部件的總體性能曲線形式，采用壓氣機(jī)單葉輪性能曲線預(yù)測(cè)和靜止部件（無葉擴(kuò)壓器、蝸殼）的損失經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停部梢员容^客觀的的反映壓氣機(jī)部件的整體性能。但即使在進(jìn)行單葉輪計(jì)算時(shí)，也需要考慮計(jì)算區(qū)域的問題，因?yàn)檫€有諸多幾何因素影響單葉輪計(jì)算本身的精度。封頭后腔封頭后腔圖3-46壓氣機(jī)單葉輪計(jì)算域的選取圖3-46給出了本項(xiàng)目在進(jìn)行單葉輪計(jì)算時(shí)所選取的計(jì)算域。與常規(guī)單葉輪計(jì)算相比，額外考慮了葉輪封頭以及后腔室。封頭的存在可能引起葉輪根部前緣上游出現(xiàn)小范圍的分離從而導(dǎo)致有效通流面積的減少，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉根區(qū)域氣流角，因此對(duì)葉輪的性能可能會(huì)存在一定程度的影響；后腔室的存在將使葉輪存在額外的鼓風(fēng)摩擦損失，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，此部分摩擦損失還將處于相當(dāng)可觀的水平。圖3-47單葉輪計(jì)算壓氣機(jī)葉輪特性曲線圖3-47給出了單葉輪計(jì)算所得的壓氣機(jī)葉輪流量-效率及流量-總壓比特性曲線與實(shí)驗(yàn)值的比較。由圖可以看出，與實(shí)驗(yàn)值相比，單葉輪計(jì)算的性能曲線在趨勢(shì)上整體向右上方偏移。從流量-效率特性看，最高效率點(diǎn)向右上方偏移，隨著壓氣機(jī)流量增加，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差也越大。3.5.5J90壓氣機(jī)級(jí)計(jì)算為進(jìn)一步研究靜葉流通部件對(duì)壓氣機(jī)級(jí)性能的影響，在單葉輪計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了壓氣機(jī)級(jí)性能的數(shù)值預(yù)測(cè)，計(jì)算域?yàn)槿~輪+無葉擴(kuò)壓器+蝸殼。圖3-48給出了級(jí)計(jì)算域三維渲染圖以及計(jì)算所得的蝸殼內(nèi)流動(dòng)情況示意圖。由圖可以看出，蝸殼內(nèi)的流動(dòng)為強(qiáng)三維渦旋運(yùn)動(dòng)，具有較大的沿程損失及二次流損失。隨著流量的增加，此部分損失則越大，這也是說明圖3-47中所示的單葉輪計(jì)算在大流量工況與實(shí)驗(yàn)值偏差更大的原因。圖3-49給出了壓氣機(jī)級(jí)計(jì)算所得的性能與實(shí)驗(yàn)值比較結(jié)果。從圖可以看出，與單葉輪計(jì)算相比，壓氣機(jī)級(jí)計(jì)算的性能曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好的吻合。流量-效率特性線表明，與單葉輪相比，最高效率點(diǎn)位置向左下方偏移，更接近實(shí)驗(yàn)值，但與實(shí)驗(yàn)值相比，仍然存在一定偏差，即：仍然位于實(shí)驗(yàn)最高效率點(diǎn)的右上方。圖3-48所示的蝸殼出口處的總壓云圖顯示，在蝸殼出口處，由于氣流渦旋運(yùn)動(dòng)的存在，導(dǎo)致氣流參數(shù)分布極度不均勻，這也同時(shí)揭示如果采用圖3-44中所示的參數(shù)測(cè)量方法將導(dǎo)致額外的偏差。圖3-48壓氣機(jī)級(jí)計(jì)算三維渲染圖及蝸殼內(nèi)三維流線圖圖3-49壓氣機(jī)級(jí)計(jì)算性能與實(shí)驗(yàn)值比較3.5.6J90壓氣機(jī)級(jí)及出口管道計(jì)算圖3-48所揭示的蝸殼出口的氣流不均勻性說明在數(shù)值計(jì)算過程中，如果采用蝸殼出口的氣流參數(shù)來進(jìn)行壓氣機(jī)性能的計(jì)算，將導(dǎo)致與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的較大偏差。為了驗(yàn)證此部分偏差的數(shù)值，在壓氣機(jī)級(jí)計(jì)算的基礎(chǔ)之上，對(duì)蝸殼出口流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行了延長(zhǎng)，并取與實(shí)驗(yàn)測(cè)量段相同的管道尺寸，進(jìn)一步進(jìn)行了壓氣機(jī)級(jí)性能的預(yù)測(cè)。圖3-50壓氣機(jī)級(jí)＋出口管道計(jì)算域示意圖圖3-50給出了壓氣機(jī)級(jí)+出口管道計(jì)算域的三維渲染圖。蝸殼出口管道長(zhǎng)度取300mm，與實(shí)驗(yàn)段相同。圖3-51壓氣機(jī)級(jí)+出口管道計(jì)算所得的性能與實(shí)驗(yàn)值比較圖3-51給出了壓氣機(jī)級(jí)＋出口管道計(jì)算所得的性能曲線與實(shí)驗(yàn)值比較圖。由于采用了與實(shí)驗(yàn)測(cè)試中相同的流通區(qū)域，計(jì)算所得的性能曲線與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)一步吻合，流量-效率特性顯示計(jì)算所得的最高效率點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)值相同，并且整體區(qū)域良好吻合。3.5.7結(jié)論以上通過不同計(jì)算域的計(jì)算可以看出，計(jì)算域的選擇對(duì)于壓氣機(jī)性能的預(yù)測(cè)具有非常重要的影響。合理的選擇計(jì)算區(qū)域，并采用合理的評(píng)估方法，將是驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果可信性的極為重要的因素，也是CFD工程師在進(jìn)行壓氣機(jī)性能預(yù)估時(shí)所首先應(yīng)該考慮的問題。3.6壓氣機(jī)三維流場(chǎng)仿真計(jì)算邊界條件的給定研究在給定計(jì)算域的條件下，邊界條件的給定方法對(duì)于計(jì)算結(jié)果存在著一定程度的影響，合理的賦予計(jì)算域的邊界條件，對(duì)于保證計(jì)算結(jié)果的精度非常重要。對(duì)于壓氣機(jī)三維流場(chǎng)分析而言，常見的邊界條件主要包括：進(jìn)口條件、出口條件、固壁。對(duì)于固壁條件，在不考慮流體與固體之間的共軛換熱情況下，一般確定為絕熱壁，并按照實(shí)際的壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況設(shè)定對(duì)應(yīng)固體壁面的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，因此設(shè)定較為簡(jiǎn)單。以下部分將僅對(duì)進(jìn)、出口邊界條件的給定方法進(jìn)行探討。3.6.1進(jìn)口條件對(duì)于給定計(jì)算域，進(jìn)口條件可以有以下給定方式：1)給定進(jìn)口的總參數(shù)及氣流方向2)給定進(jìn)口的靜參數(shù)及氣流方向3)給定進(jìn)口的流量及氣流方向?qū)τ谝陨先N給定方法，都需要給定氣流方向，但方式比較靈活，可以以總速度方向作為基準(zhǔn)，也可以以軸向方向作為基準(zhǔn)，同樣也可以以流向方向作為基準(zhǔn)，但是各種給法對(duì)于計(jì)算并沒有影響，可以按照個(gè)人習(xí)慣或者最快捷的給法給定即可。對(duì)于渦輪增壓器壓氣機(jī)部件而言，進(jìn)口最常用也是最簡(jiǎn)單的給定方法是給定進(jìn)口的總參數(shù)及氣流方向。由于渦輪增壓器進(jìn)口為大氣條件，因此其進(jìn)口總參數(shù)即為當(dāng)?shù)氐拇髿鈼l件，而氣流方向則為無預(yù)旋形式的軸向進(jìn)氣方向。但在給定進(jìn)口總參數(shù)條件時(shí)，仍需要對(duì)所給定的進(jìn)口總參數(shù)條件加以注意。在增壓器性能測(cè)試或者裝車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣在進(jìn)入壓氣機(jī)之前，流經(jīng)濾芯或者管道，會(huì)帶來一定程度的流動(dòng)損失，以壓氣機(jī)性能試驗(yàn)為例，在進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，往往在壓氣機(jī)進(jìn)口上游安裝雙扭線流量計(jì)以進(jìn)行流量測(cè)試，這樣導(dǎo)致空氣在進(jìn)入壓氣機(jī)吸入室之前變存在較明顯的邊界層損失，使得壓氣機(jī)的進(jìn)口參數(shù)與測(cè)試環(huán)境的參數(shù)有所差異，而在進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證時(shí)，往往將計(jì)算域選取在壓氣機(jī)葉輪上游較近的位置，如圖3-52所示。這將導(dǎo)致試驗(yàn)與計(jì)算之間客觀上存在一定的差異，在最終進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證時(shí)需要考慮到此部分誤差。計(jì)算域進(jìn)口位置計(jì)算域進(jìn)口位置圖3-52J90壓氣機(jī)單葉輪計(jì)算域子午視圖圖3-52采用兩種不同進(jìn)口總壓給定方法時(shí)所采用的計(jì)算域。進(jìn)口位置處于前緣上游約20mm處。對(duì)于計(jì)算域進(jìn)口處，空氣入流方向?yàn)檩S向進(jìn)氣，總溫可認(rèn)為與大氣環(huán)境相同。而總壓則采用兩種給定方法：a)在進(jìn)口面上按照恒定的值給定b)按照邊界層損失結(jié)構(gòu)來給定進(jìn)口面上的分布。對(duì)于a，只需指定進(jìn)口面上的總壓為當(dāng)?shù)卮髿鈮海ㄔ诖思俣?03kPa），而對(duì)于b，則按照?qǐng)D3-53所示的分布來給定進(jìn)口面沿半徑方向的壓力型。兩種不同形式進(jìn)口總壓給定方法時(shí)采用的計(jì)算網(wǎng)格完全相同，網(wǎng)格總數(shù)39萬，轉(zhuǎn)速80000rpm。圖3-53壓氣機(jī)進(jìn)口壓力型分布圖3-54不同類型進(jìn)口總壓給定方法時(shí)壓氣機(jī)效率特性圖3-55不同類型進(jìn)口總壓給定方法時(shí)壓氣機(jī)總壓比特性圖3-54及3-55分別給出了兩種不同進(jìn)口總壓給定方式時(shí)計(jì)算所得的壓氣機(jī)效率特性與總壓比特性，其中實(shí)線為總壓為常值給法的計(jì)算結(jié)果，散點(diǎn)為總壓采用徑向分布形式給法的計(jì)算結(jié)果。由圖可以看出，由于壓氣機(jī)進(jìn)口采用徑向分布形式的總壓分布，相當(dāng)于引入了進(jìn)口附面層效應(yīng)，因此對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)效率與進(jìn)口采用常值時(shí)存在一定程度的差異，差異的大小決定于進(jìn)口附面層的厚度。但對(duì)于總壓比而言，可以認(rèn)為，這兩種方法結(jié)果相同。3.6.2出口條件對(duì)于壓氣機(jī)出口，可以采用給定壓力或者流量的方法。一般而言，采用壓力出口條件具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理背景，而采用流量出口條件則是一種非封閉形式的邊界條件，一般不建議采用。但是同樣對(duì)壓氣機(jī)而言，在特定的工況下，采用流量出口條件會(huì)獲得比壓力出口條件更好的計(jì)算收斂性，因此也是常用的方法之一。以下對(duì)兩種出口邊界條件給法計(jì)算所得的壓氣機(jī)特性進(jìn)行對(duì)比，以明確二者的差異。圖3-56及3-57分別給出了出口給定壓力及流量條件時(shí)計(jì)算所得的壓氣機(jī)效率特性及壓比特性。兩種條件下網(wǎng)格相同，計(jì)算方式為首先采用靜壓出口條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到壓氣機(jī)出口的流量，并依據(jù)此流量，在僅改變出口條件類型的前提下進(jìn)行再次計(jì)算以校驗(yàn)二者的區(qū)別。圖中實(shí)線對(duì)應(yīng)出口給定靜壓力條件，散點(diǎn)對(duì)應(yīng)出口給定流量條件。由結(jié)果對(duì)比可以看出，采用流量出口條件的計(jì)算效率與壓比都明顯低于出口給定壓力條件的情況，其中效率差異達(dá)到2個(gè)百分點(diǎn)?？倝罕韧瑯右渤霈F(xiàn)了近2%的差別。由此可以看出，采用流量和壓力條件盡管都可作為壓氣機(jī)內(nèi)流動(dòng)數(shù)值模擬的出口邊界條件，但二者的對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)性能卻是不同的，即計(jì)算所得的壓氣機(jī)工況線并不重合。但對(duì)于壓氣機(jī)尤其是跨音速壓氣機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)數(shù)值模擬，在某些工況點(diǎn)下，采用出口給定壓力邊界的方法無法使計(jì)算獲得收斂解，例如在當(dāng)工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)向失速點(diǎn)工況變化時(shí)，采用壓力出口條件很容易引