Eckardt叶轮数值计算.docx
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Eckardt叶轮数值计算
Eckardt叶轮数值计算
一、引言
二、研究方法
本文研究的叶轮为入口轴向进气，工质为理想气体，总温总压入口条件为Pt=1atm,Tt=288K，叶轮设计转速为14000rpm，设计流量为5.31Kg/s，设计压比为2.0。
叶顶间隙为前缘0.5mm，尾缘0.7mm，出口直径为400mm，叶片数为20。
数值计算选择cfx软件，指定网格数为60万，设置壁面y+为4，最终生成网格数为721160，最终网格如下图所示。
选择k-e湍流模型，设置总温总压入口，流量出口。
三、总体性能对比
3.1三个工况点性能对比
由下表可看出，在转速14000RPM下，三个流量点的压比和效率偏差均较大，且对比几何结构，
工况点
流量
总体性能
实验值
计算值
偏差
4.53
总压比
2.086
1.977
-5.22%
绝热效率
86.5
92.6
7.05%
5.31
总压比
2.094
1.949
-6.9%
绝热效率
88
92.7
5.36%
6.09
总压比
2.061
1.916
-7.03%
绝热效率
86.8
92.1
6.1%
3.2总压特性
在转速14000RPM的情况下，出口流量超过7.31kg/s后计算不能收敛，改用压力出口计算，出口静压从5000pa降低至-20000pa,出口流量只能到7.31174kg/s,即cfx计算的阻塞流量偏小，但同一流量点处流量出口和静压出口计算结果偏差较大，故只用流量出口的计算值绘制性能曲线。
四、流场细节对比
叶轮的子午流道，相关尺寸及测量面位置如下图和表格所示。
测量面
Ⅰ
0.08
Ⅱ
0.43
Ⅲ
0.59
Ⅳ
0.87
Ⅴ
1.01
4.1压力场分析
4.1.1叶轮流道内静压分布
下图为流道内压力场分布，cfx的静压为相对压力值，本文设置的参考压力为大气压，对比文献中的压力图，可知压力的范围及分布基本一致，在0.4～0.7倍叶片弦长方向，靠近轮盖和吸力面侧出现低压区。
4.1.2叶轮出口总压
下图为在M2工况点下，叶轮出口附近截面
绝对总压分布，对比M1工况下的实验数据，可知在吸力面和轮毂侧（A），压力面靠近轮盖侧（B）处存在高压区，在轮盖侧绝对总压均较低，从压力面到吸力面变化不是非常明显，使高压区B位置比实验数据稍微远离轮盖侧。
A
B
C
u
SS
PS
Hub
shroud
4.1.3机匣上静压分布
下图为设计点轮盖静压分布，对比实验数据，可以看出在轮盖上静压分布和幅值均与实验数据吻合，在吸力面入口区域存在低压区，由于此区域内发生流动分离。
u
SS
PS
4.1.4叶表静压分布
下图为设计点叶表静压分布曲线，可以看出叶轮前部负荷较小，后部负荷较大，在叶轮前部压力面上，沿叶片展向静压分布比实验叶轮略有变化，越接近轮盖静压越大，在吸力面的低压区域静压没有实验值小，计算叶轮载荷更均匀，由于模拟叶轮尾缘后掠，减小了叶片应力，在叶片尾缘负荷略低于实验数据。
4.2速度场分析
4.2.1流道内周向速度分布
下图为流道内周向速度分布，从图中可以看出，由于叶片表面流体同叶片无滑移同速转动，而有较高的周向速度；在叶轮后部压力面及轮盖侧存在高周向速度区；叶轮后部叶顶区域速度等值线较密集，即该区域叶轮周向速度梯度较大。
4.2.2流道内子午速度分布
由下图可以看出在叶轮后部轮盖侧子午速度明显减小，且速度等值线较为密集，此区域即为叶轮的尾迹区。
4.2.3各测量面子午速度分布
4.3二次流分析
下图为叶轮流道内的二次流分布，由于叶顶间隙的存在，在压差的驱动下使得气流从压力面向吸力面流动，形成叶顶泄漏二次流。
在叶片表面，由叶轮流道内静压分布图可以看出，叶片表面沿径向压力梯度较小，而通道内径向压力梯度明显大于叶片表面值，在离心力和径向压差作用下，在叶轮折转区流体出现径向流动趋势，形成叶表二次流。
叶顶泄漏二次流
吸力面叶表二次流
压力面叶表二次流
4.4尾迹区
下图为bladetoblade表面速度矢量图，可以明显的看出尾迹区开始位置及由于射流尾迹而造成能量损失，使得速度减小。
5熵分布
下图为叶轮流线方向各截面的熵分布，可以看出在叶轮后部由于尾迹区的存在而出现高熵区。
五、
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