Numeca离心压气机内部流场计算规范

离心压气机内部流场计算规范P56页北京理工大学涡轮增压实验室2008年10月I目录1.项目研究目标..............................................................12.项目研究内容..............................................................13．项目研究成果..............................................................13.1压气机三维流场数值仿真网格相关性研究...................................13.1.1J90压气机叶轮网格相关性分析.......................................23.1.1.1J90压气机几何及参数.............................................23.1.1.2数值方法.........................................................23.1.1.3计算网格.........................................................33.1.1.4计算结果.........................................................43.1.2J60压气机叶轮网格相关性分析......................................123.1.2.1J60压气机几何及参数............................................123.1.2.2计算方法........................................................123.1.2.3计算网格........................................................123.1.2.3计算结果........................................................153.1.3结论..............................................................203.2压气机三维流场数值仿真网格划分技术研究................................213.2.1网格分区及拓扑结构对压气机叶轮流道网格质量的影响..................213.2.2复杂几何结构网格剖分..............................................293.2.2.1封头结构........................................................293.2.2.2子午结构与尾缘平齐结构..........................................323.2.3附面层网格剖分的要求..............................................353.2.4叶轮网格质量的控制及准则..........................................363.2.4.1叶轮网格质量控制................................................363.2.4.2叶轮网格质量判断准则............................................433.2.5结论..............................................................453.4.2网格块的划分......................................................483.4.3蝶形网格的使用....................................................493.4.4蝶形网格的内部加密................................................503.4.5网格块之间的连接..................................................513.5压气机三维流场仿真计算区域的选择研究..................................533.5.1J90增压器实验测试说明............................................533.5.2J90压气机几何说明................................................543.5.3J90压气机计算进口边界条件的给定..................................543.5.4J90压气机单叶轮计算..............................................553.5.5J90压气机级计算..................................................563.5.6J90压气机级及出口管道计算........................................573.5.7结论..............................................................593.6压气机三维流场仿真计算边界条件的给定研究..............................59II3.6.1进口条件..........................................................593.6.2出口条件..........................................................623.6.3结论..............................................................643.7湍流模型的选择研究....................................................653.7.1计算收敛性........................................................683.7.2计算时间..........................................................703.7.3计算精度..........................................................713.7.4结论..............................................................723.8离心压气机发生数值失速的计算判定准则研究..............................733.8.1压气机失速特性....................................................733.8.2数值失速时计算收敛特性............................................753.8.3数值失速点的捕捉..................................................763.8.4结论..............................................................763.9压气机堵塞、喘振流量的模拟计算方法....................................773.10压气机三维流场计算判别准则研究.......................................7811.项目研究目标开展涡轮增压器压气机三维流场计算仿真技术的研究，形成压气机仿真设计体系；同时对涡轮增压器压气机气动性能试验进行研究，形成压气机气动性能试验规范。以下报告中的研究内容皆基于NUMECAFINE/Turbo软件包进行，网格生成器为IGG/AutoGrid，求解器为EURANUS。2.项目研究内容通过以下内容的研究，可以得到影响增压器压气机内部三维流场数值计算结果精度的诸多因素，以形成流场计算规范，从而使得使用人员可以根据本报告中所提供的指导性意见进行直接的网格建模和数值模拟，从而降低CFD的门槛，使其能够更广泛的应用在涡轮增压器的气动设计中。压气机三维流场仿真计算网格相关性、网格划分技术研究；高效压气机涡壳网格划分技术研究；压气机三维流场仿真计算区域的选择研究；压气机三维流场仿真计算边界条件的给定研究；湍流模型的选择研究；离心压气机发生数值失速的计算判定准则研究；压气机堵塞、喘振流量的模拟计算方法；压气机三维流场计算判别准则研究.3．项目研究成果3.1压气机三维流场数值仿真网格相关性研究在影响数值计算结果精度的诸多因素中，网格数目及分布对计算结果的精度有非常显著的影响。网格数目太少或者分布不合理，都可能导致计算结果与实际2参数的较大偏差并可能无法捕捉实际三维复杂流场中的一些详细的流动现象，例如小区域分离、附面层内的准确流动情况等；但过多的的网格数目则需要耗费较长的计算时间，无法实现较快速预测性能的目的，因此应当在可以满足数值计算精度的前提下，尽可能的减少计算网格数目以减少计算所需时间。本部分工作以两种不同尺寸的压气机叶轮为研究对象，分别进行了计算结果的网格相关性工作，通过几种具有不同计算数目及分布的网格设定，对比了其对压气机叶轮性能的影响。3.1.1J90压气机叶轮网格相关性分析3.1.1.1J90压气机几何及参数图3-1.a为J90增压器压气机部分的三维渲染模型，包括叶轮、无叶扩压器和涡壳。叶轮叶片数为14（7组长叶片＋短叶片），叶顶间隙前缘处为0.5mm，尾缘处为1.0mm。图3-1.b为该压气机叶轮局部图，3-1.c对应其子午尺寸。a.三维渲染模型b.叶轮模型c.子午尺寸图3-1J90增压器压气机部件三维模型及叶轮尺寸3.1.1.2数值方法计算采用FINE/Turbo软件包，求解三维雷诺平均N-S方程组。应用格子中心有限体积法，空间采用添加人工粘性项的二阶中心差分格式；时间项采用4阶Runge-Kutta法迭代求解。计算采用三层多重网格结合变时间步长及残差光顺方法进行收敛加速，叶轮进口为全湍流，湍流模型使用Spalart-Allmaras一方程0.5mm1mm62mm90mm3模型。3.1.1.3计算网格为了进行叶轮计算结果网格相关性研究，共采用了三种不同数目、不同尺度分布的网格，分别为粗网格、中等网格和精细网格，网格数目分别为36万、91万及166万，表1给出了三种不同网格的详细信息。表1J90计算网格信息网格一网格二网格三长叶片展向254565周向333333流向（叶片区域）81113157流向（前缘上游）294141流向（尾缘下游）294961短叶片展向254565周向333333流向（叶片区域）5385129流向（前缘上游）576969流向（尾缘下游）294961长叶片间隙展向91317周向171717流向81113157短叶片间隙展向91317周向171717流向5385129总计3594189072101663834在网格生成过程中，为了确保边界层内的计算精度具有可比性，三种不同的网格皆采用相同的第一层网格尺度（对应相同的y+）以及相同的近