[发明专利]基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法

摘要

本发明公开了基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法。合理的弯道设计能提升离心压缩机的整体运行效率。本发明的步骤模拟离心压缩机模型级内的流动物理参数；根据弯道各位置能量梯度函数值的大小，找到弯道内流动最不稳定的位置，将弯道的后半段圆弧形子午型线改进成直角导角形子午型线，直角导角形子午型线包括圆弧段及分别与圆弧段两端连接的两条直线段；重新计算弯道流动最不稳定位置的能量梯度函数值，优化出弯道的直角导角子午线的圆弧段最佳半径。本发明通过对比弯道直角导角子午型线的圆弧段在不同半径下弯道内部能量梯度函数值确定最优的子午型线；改进后的弯道可减小弯道内的不稳定流动，也会改善回流器内的流动不稳定性。

主权项

基于能量梯度理论的离心压缩机弯道改进方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤1、模拟离心压缩机模型级内的流动物理参数；步骤2、计算离心压缩机模型级的弯道内部流场的能量梯度函数值K，具体计算过程如下：根据能量梯度理论，离心压缩机模型级内的能量梯度函数值K的计算公式为：K=∂E/∂n∂H/∂s---(1)]]>式(1)中，为流体总压，p为流体静压；k为空气的比热容，通常取1.4；Ma为气流的马赫数；n为流体流动的法线方向，s为流体流动的流线方向；H为流体的能量损失；流体在离心压缩机模型级弯道内的流动属于压力驱动流动，其和的计算如下：∂E∂n=∂E∂ycosα-∂E∂xsinα]]>∂H∂s=μ(∂2U∂n2+1ρU2∂P∂n∂U∂n-1ρ2U3(∂P∂n)2)+∂μ∂n(∂U∂n-1ρU∂P∂n)]]>其中：α表示弯道内流体在x方向的速度与流体速度矢量之间的夹角；∂2U∂n2=∂2U∂nycosα-∂U∂y∂α∂nsinα-∂2U∂nxsinα-∂α∂n∂U∂xcosα]]>∂2U∂nx=∂2U∂xycosα-∂U∂y∂α∂xsinα-∂2U∂x2sinα-∂α∂x∂U∂xcosα]]>∂2U∂ny=∂2U∂y2cosα-∂U∂y∂α∂ysinα-∂2U∂xysinα-∂α∂y∂U∂xcosα]]>∂P∂n=∂P∂ycosα-∂P∂xsinα]]>∂U∂n=∂U∂ycosα-∂U∂xsinα]]>∂μ∂n=∂μ∂ycosα-∂μ∂xsinα]]>∂α∂n=∂α∂ycosα-∂α∂xsinα]]>表示P在x方向的一阶偏导，表示P在y方向的一阶偏导，表示U在x方向的一阶偏导，表示U在y方向的一阶偏导，表示μ在x方向的一阶偏导，表示μ在y方向的一阶偏导，表示α在x方向的一阶偏导，表示α在y方向的一阶偏导，表示U在x方向的二阶偏导，表示U在y方向的二阶偏导，表示U关于x、y的混合偏导；x、y为直角坐标系的两个坐标轴；步骤3、根据弯道各位置能量梯度函数值K的大小，找到弯道内流动最不稳定的位置，将弯道对称设置的后半段圆弧形子午型线改进成直角导角形子午型线，直角导角形子午型线包括圆弧段及分别与圆弧段两端连接的两条直线段；重新计算弯道流动最不稳定位置的能量梯度函数值K，优化出弯道的直角导角子午线的圆弧段最佳半径；步骤1所述的离心压缩机模型级内的流动物理参数的具体模拟过程如下：采用计算流体动力学对离心压缩机模型级内的流动进行数值模拟，模拟过程中控制方程采用定常三维可压缩的雷诺平均纳维‑斯托克斯方程和连续性方程，同时使用Spalart‑Allmaras湍流模型计算离心压缩机模型级内的流动；网格采用结构化的网格，并利用有限体积法对结构化网格下的控制方程在空间上进行离散；然后，在计算域上施加边界条件，进行模拟计算，得到离心压缩机模型级内整个流场的物理参数，包括气流速度、总温、压强和湍流粘度；所述计算域上施加的边界条件为：入口边界条件设定的是总温、总压入口，出口边界条件设定的是质量流量出口；步骤3所述的优化出弯道直角导角子午型线的圆弧段最佳半径，确定最佳半径的标准如下：在该半径下的弯道直角导角子午型线，使得弯道内流动最不稳定位置的能量梯度函数值K最小，稳定性能最优，则该半径为最佳半径。