Numeca离心压气机内部流场计算规范
Numeca涡轮级及叶轮流场计算规范要点
涡轮级及叶轮流场计算规范北京理工大学涡轮增压实验室2008年10月目录1.概述 (1)2.涡轮级网格划分技术 (1)2.1涡壳网格划分技术 (1)2.2喷嘴环和叶轮的网格划分技术 (3)2.3涡轮级网格的生成 (5)2.4 网格分区及拓扑结构对涡轮叶轮流道网格质量的影响 (6)2.5附面层网格剖分的要求 (10)2.6 叶轮网格质量判断准则 (11)3.边界条件的给定 (14)4计算区域的选择 (17)5湍流模型研究 (22)6 涡轮三维流动计算判别准则 (22)6.1熵的分布 (22)6.2静压分布 (23)6.3马赫数分布 (25)6.4叶轮进口攻角 (25)1.概述车用涡轮增压器使用的小型径流涡轮内的流动具有强烈的三维特征，气流将在几何尺寸很小的通道内从径向转为轴向，加上旋转和各种曲率的影响，造成涡轮内流动非常复杂，因此采用三维CFD方法对涡轮性能和内部流动进行数值模拟也比较复杂，影响计算准确程度的因素主要包括：网格的划分、计算区域的选择、计算边界条件、湍流模型等。
本课题采用叶轮机械CFD软件NUMECA的Fine/turbo软件包，对典型的车用增压器涡轮进行数值计算研究，分析上述因素对涡轮性能的影响，并确定涡轮内部流场的判别准则。
2.涡轮级网格划分技术一个完整的径流涡轮级包含涡壳、喷嘴环和叶轮，涡轮级的网格划分研究选择JK90S增压器作为研究对象，它是径流有叶涡轮增压器，涡轮的主要几何参数和性能参数如表1所示。
涡轮级的网格划分是对涡壳、喷嘴环叶片和叶轮分别划分网格，然后进行整个级的网格生成。
2.1涡壳网格划分技术JK90S增压器涡轮壳采用双通道梨形360度全周进气，其截面形状如图1所示，截面参数表如表2所示。
图1 JK90S涡轮壳流道截面形状(如图2所示)。
图2 JK90S涡轮涡壳三维模型涡壳三维模型建立以后，将模型的iges文件输入到Numeca的Fine/turbo 软件包中的网格生成模块IGG中划分网格。
离心压气机流场的数值分析研究
离心压气机流场的数值分析研究作者：颜青钦隋玉堂来源：《科技资讯》 2012年第17期颜青钦1 隋玉堂2(1.海军航空工程学院; 2.海军航空工程学院飞行器工程系山东烟台 264001)摘要:以某离心压气机叶轮为基础,通过反设计形成的几何模型,采用湍流模型计算流场的湍流效应,对微型的离心压气机流场进行了数值模拟。
结果表明:采用大小叶片技术的叶轮在较宽的工作范围内有很好的性能,入口攻角增大以及叶尖间隙二次流与压气机叶轮流场的失速有直接的关系。
关键词:离心压气机流场失速数值模拟中图分类号:TK402 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(b)-0080-02由于级增压比高,造价低,小尺寸的离心叶轮在汽车、电子等行业有了越来越多的应用。
对于微型叶轮机械,各种间隙、表面粗糙等和尺度相关的效应在整个流场中占有的比例较大,是否满足要求、如何改进,是关心的问题。
由于流场参数测量困难、实验耗费高,高速叶轮机械流场的数值仿真一直是实验的有效补充。
进行模拟研究具有重要的工程意义。
某型离心压气机为大小叶片高转速压气机,为了控制成本、简化生产工艺采用了较小的叶片进口角变化率和相对直的叶形,如图1所示。
对叶轮进行测绘和反设计形成的三维几何模型。
本文以测绘形成的几何文件为基础,生成用于叶轮气动计算的三维网格,对该叶轮的气动性能进行计算,分析叶轮的特性参数及其流场并为下一步的改型提供参考。
1 计算模型利用多坐标系技术处理旋转叶轮中流场的计算,即将计算坐标系置于旋转的叶轮上。
以此技术处理动区域中流场的计算需要在进行速度矢量的转化并动量方程中考虑旋转速度旋转分量的影响,但可以避免采用动网格带来的计算量较大的问题。
在高速叶轮流场中湍流效应明显,同时叶顶间隙还存在明显的二次流。
综合考虑计算量和对旋转叶轮流场计算精度等问题,采用K-ω湍流模型描述叶轮中的流场,即除求解旋转坐标系中N-S方程外,还需K-ω计算方程:湍流粘性:其中:。
离心压缩机进口导叶流场的数值模拟
文章编号: 1005—0329(2008)08—0012—04设计计算离心压缩机进口导叶流场的数值模拟温选锋,袁民建,谭佳健(西安交通大学,陕西西安 710049)摘 要: 使用NUMEC A计算软件,针对一个带有径向进气吸气室及可调进口导叶的离心压缩机级,在几个不同的进口导叶开度下,对压缩机级内部的三维粘性可压缩定常流动进行了非轴对称条件下的全通道数值模拟,并将计算所得到的在导叶全开状态下的级性能与该压缩机已有的级性能实验结果相比较,证实了数值模拟结果满足工程分析的精度要求。
然后给该压缩机级更换了一种新的可调进口导叶,在完全相同的条件下对该压缩机级再次进行数值模拟,并分析了导叶更换对压缩机级性能产生的影响。
最后,在进口导叶与叶轮之间选择了5种不同的轴向距离,在轴向进气及流动轴对称的简化条件下对该压缩机级分别进行了单通道数值模拟,对进口导叶与叶轮之间的最佳距离进行了初步探讨。
数值模拟结果表明,用新导叶取代原导叶对级性能影响不大,主要原因是更换导叶并没有改变导叶产生预旋的作用,增大导叶的预旋作用可能是离心压缩机在变工况调节运行中实现节能的更有效途径。
另外,原导叶与叶轮之间只有0.2倍导叶弦长的距离,从安全可靠性和气动性能等方面综合考虑,建议该距离加大到1.5倍导叶弦长更为合适。
关键词: 离心压缩机;进口导叶;数值模拟中图分类号: TK471.82 文献标识码: ANu m er i ca l S i m ul a ti on of the Flow F i eld for I n let Gu i de Vane i n Cen tr i fuga l Com pressorW E N Xuan2feng,Y UAN M in2jian,T AN J ia2jian(Xi′an J iaot ong University,Xi′an710049,China)Abstract: By using the NUMEC A commercial s oft w are,the32D steady comp ressible viscous fl ow in a whole inlet stage with ra2 dial inlet volute and I G V s is nu merically si m ulated at the nonaxisy mmetric conditi paris on of the stage perf or mance be2 t w een the p resent calculati on and the p revi ous one when I G V s is in full2open positi on confir m s that the p resent si m ulati on result is fit f or the engineering app licati on.Additi onally,nu merical si m ulati on is carried out for other I G V s at the sa me conditi on t o study the influence of I G VS on the stage perfor mance.Moreover,in order t o find out the app r op riate axial distance bet w een the I G V s and i m peller,five different cases are chosen and the single channel nu merical si m ulati on f or the comp ress or stage is res pectively conducted under the axial sucti on and axisy mmetric conditi on.These nu merical results indicate that changing I G V s has little effects on the regulati on perf or mance,since it has little effects on the functi on of the vane’p rer otati on.Enhancing the effect of vane’p rer otati on is likely t o be one of the effective ways t o save energy at off2design conditi on.The result als o suggests that the op ti m al distance bet w een the I G V s and i m peller should be1.5ti m es vane chord2length,rather than the original0.2ti m es,is a comp r om ise bet w een safety,reliability and aer odynam ic perf or mance.Key words: centrifugal comp ress or;inlet guide vane;nu merical si m ulati on1 前言大多数离心压缩机都是在一定工况范围内工作。
高马赫数离心压缩机模型级叶轮叶型优化
高马赫数离心压缩机模型级叶轮叶型优化冀春俊;那淼;孙玉莹;李秀刚【摘要】应用NUMECA软件对Mu2=1.21的高马赫数离心压缩机模型级在设计工况下进行三维流动数值模拟.分析叶轮内部流场时发现,叶轮叶片出口吸力面处流动发生分离并伴随有较大的旋涡,且在叶顶处尤其明显.这一现象增加了流动损失,导致模型级效率以及工作范围达不到要求.针对这一问题,提出了改进措施.应用NUMECA流体分析软件中的AUTOBLADE和DESIGN3D模块,对叶轮叶片中弧线型线进行调节改进.改进后叶轮流动中的分离与旋涡现象消失,且叶轮等熵效率在设计工况下增加了4.58％,模型级变流量工作范围也扩大了5.83％,从而满足了设计性能的要求结果表明,控制叶轮叶片型线角度分布,可以有效地改善叶轮流场,消除近壁面分离和旋涡现象,从而提高整级的性能.【期刊名称】《风机技术》【年(卷),期】2015(057)002【总页数】6页(P37-41,47)【关键词】离心压缩机;高马赫数;叶型优化【作者】冀春俊;那淼;孙玉莹;李秀刚【作者单位】大连理工大学能源与动力学院辽宁大连 116024;大连理工大学能源与动力学院辽宁大连 116024;沈阳鼓风机集团股份有限公司;沈阳鼓风机集团股份有限公司【正文语种】中文【中图分类】TH452;TK05如今，离心压缩机级在工业中的应用越来越广泛。
而高马赫数离心压缩机级想要达到高的效率以及更宽的工作范围仍然是需要解决的难题。
当马赫数较大时，压缩机通流部分某局部区域的气流速度可能已达到声速，形成了激波并产生激波损失，进而增大流动损失，使效率或工作范围达不到设计要求。
在压缩机级中，叶轮无疑是最重要的组成部分，叶轮的性能对整级产生了非常大的影响[1-2]。
本文从对模型级的数值分析入手，分析初始设计的叶轮流场存在的问题，提出改进措施，对叶轮叶片型线进行了两次调整优化，并着重分析对比了修改后叶轮叶型与初始叶型对级性能的影响，为今后叶轮叶片改进提供了参考，对提高离心压缩机效率以及工作范围有重要的指导意义。
离心压气机转子数值模拟培训教程学习教案
准备工作
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第十一页，编辑于星期二：十点 五十五分。
第一部分 网格生成
带分流叶片离心压气机网格生成
操作及示例
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第十二页，编辑于星期二：十点 五十五分。
网格生成步骤
STEP 1
准备几何数据
STEP 2
定义/导入几何参数，定义叶片参数
STEP 3
生成默认的拓扑结构 –自动生成
•
一个网格面内可以插入若干个内部网格线
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第十八页，编辑于星期二：十点 五十五分。
Step1：准备几何数据
•
将网格面的顶点拖至长叶片压力面的 四个定 点上。 点一下 网格面 ，线会 变粗， 顶点会 显示为 方块。 点一下 顶点， 松开左 键，顶 点就会 随着鼠 标移动 ，拖至 合适的 地方， 点一下 即可。 此时不 满意时 怎样取 消该面 ？随时保存
离心压气机转子数值模拟培训教程
会计学
1
第一页，编辑于星期二：十点 五十五分。
目录
基础知识
离心压气机简介 CFD技术简介 FINE/Turbo软件简介
增压器离心压气机转子数值模 拟
网格生成
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边界设定及求解
第二页，编辑于星期二：十点 五十五分。
离心压气机简介
增压器中压气机的任务是吸收涡轮的机械功,以提高空气的压力,然后经发动机进 气管将空气导入发动机,以达到增压目的.
GeomTurbo文件，另外一种方法是通过IGG从三维模型中提取所需的几何型线及面。一般工
程中都是从图纸开始准备，因此这里着重介绍第二种方法。
在CAD作出的图形中，叶片型面可能是由很多个小面组成，组成面的弧线通常也会由若干段弧线拼成。而用在AutoGrid中的几何，希望叶片不同截面(根部、顶部)的型线控制 点数尽 可能相 同或相 似，这 样可以 减小或 消除几 何上的 误差。 因此， 通常需 要对已 有的型 线进行 重新描 述。常 用的方 法是贴 网格面 ，通过 控制网 格点数 及分布 来控制 几何线 的控制 点数及 分布。
离心压气机转子内近端壁区三维紊流流场
离心压气机转子内近端壁区三维紊流流场
离心压气机转子内近端壁区三维紊流流场
用三维激光多普勒测速系统测量研究了一个离心压气机转子近端壁区三维紊流流场.结果表明,整个叶片通道内叶背角区存在角涡及其伴随涡,叶盆角区存在前缘马蹄涡的叶盆分支,它们的发展、演化较大地影响着附近区域的流动,是造成了所在区域流动阻塞和气流脉动的主要因素.前缘马蹄涡叶背分支沿下游逐渐向叶盆方向发展,与端壁附面层和主流的进一步掺混,并在约1/2叶片通道处的叶盆角区与前缘马蹄涡的叶盆分支发生交混,在下游造成一定强度的流动阻塞和紊流脉动带.测量区域内,轴向、切向紊流强度分布规律相近,3个方向的紊流强度,切向水平最高,径向水平最低.
作者：马宏伟蒋浩康徐月亭杨健薛琳MA Hong-wei JIANG Hao-kang XU Yue-ting YANG Jian XUE Lin 作者单位：马宏伟,蒋浩康,MA Hong-wei,JIANG Hao-kang(北京航空航天大学,404教研室,北京,100083)
徐月亭,XU Yue-ting(北京大学,力学系,北京,100871)
杨健,薛琳,YANG Jian,XUE Lin(北方交通大学,力学所,北京,100081)
刊名：航空动力学报ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF AEROSPACE POWER 年，卷(期)：2000 15(4) 分类号：V231.3 关键词：离心压气机转子端壁区测量三维紊流流场。
小流量下离心压气机无叶扩压器数值模拟及流动分析
Ｋｅ ｏ ｄ Ｃｅ ｔｉｕ ａ ｎ ｅ ｓ ｒ ｙ Ｗ ｒ ｓ： ｎ ｒｆ ｇ ｌＣｏ ｐｒ ｓ ｏ ；Ｖａ ｅｅ ｓＤｉ ｕｓ ｒ ｎ ｌ ｓ ｆ ｅ ；Ｎｕ ｒｃ ｌＳ ｍｕ ａｉ ｎ；Ｆ ｏ Ａｎ ｌｓｓ ｆ ｍｅ ａ ｉ ｌｔｏ ｉ ｌｗ ａ ｙ ｉ
引 言
扩压 器 是离 心 式 压气 机 的 重要 元 件 ， 主要 分 为 有 叶扩 压 器 和 无 叶扩 压 器 两 种 。与 有 叶 扩压 器 相
比 ， 叶扩压 器变 工 况 性 能较 好 ， 工 简 单 ， 现 代 无 加 在 车用涡 轮增 压器 离心压 气机 中有 着广泛 的应 用 。对 无 叶扩 压器 内部 流 动情 况 给 与 充分 的研 究 ， 于 改 对 善无 叶扩压 器 内气 流 的流 动 情 况 ， 一 步提 高 压 气 进 机 的效 率具 有重要 意义 。国 内外 有诸 多学者 对 于离 心压气 机扩 压器 的流动 状况进 行 了大量 的研 究 。文 献 ［ ］ 大宽度 无 叶扩压 器 旋 转失 速 进 行 了机 理 分 １对
（ ． 东大学 能源与 动力 工程 学院 ， 东 济 南 ２ ０ ６ ；． １山 山 ５ ０ １２ 寿光康跃 增 压器有 限公 司 ， 东 寿 光 山
摘要： 无叶扩 压 器是 离心压 气机 重要 部件 ， 是 涡轮 增 压 器上 应 用 最 多的扩 压 器 类型 ， 也 详
细研 究其 内部 流场 ， 掌握 流动 损 失产 生 的机理 ， 于提 升 扩压 器性 能及抑 制其 失速 的发 生具 有 对
离心式压气机的原理与设计(2)
叶轮效率与流体效率
---叶轮效率(1) ---叶轮效率(1) 叶轮效率
* H2 η2 = We
k H = R T2* − T1* k −1
* 2
(
)
叶轮效率η2的定 义：叶轮内气体 的总焓升H2*与叶 轮的有效功We之 比。叶轮效率表 征叶轮工作的完 善程度。
10
叶轮效率与流体效率
---叶轮效率(2) ---叶轮效率(2) 叶轮效率 图3-19表示在不同的a1/t1条件 下，叶轮效率η2与ca1’及u2’的 试验曲线。a1，表示叶轮进口 处两叶片之间最小截面(喉部) 的宽度；t1，表示叶轮进口处 叶片间的节距。 图中u2为叶轮圆周的比速度， a1/t1为喉口宽度与节距之比。 由图可以看出，当ca1=0.250.35时，η2最高；a1/t1的值 越小则η2也越高。
n2 n2 −1
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叶轮出口空气状态参数的确定(3) 叶轮出口空气状态参数的确定
空气在叶轮任一通道上的流动都不可能是均态的。因 此计算所得数值是空气的平均参数值。 叶轮叶片的出口宽度b由流量方程确定，且应考虑到 叶片实际厚度对流道有效面积的堵塞影响。
M cτ 1 b2 = γ 2πD2 ca1τ 2
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叶轮出口空气状态参数的确定(2) 叶轮出口空气状态参数的确定
在较为精确的计算中，可以令 Qin = 0.5WId
2 µ 2 u2 可得： T2 = T1 + µ + 0.5α − k 2 R k −1
叶轮出口处的压力，可按多变方程计算：
T2 p2 = p1 T 1
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叶轮效率与流体效率
---流体效率 ---流体效率
Wad Wad ηh = = 2 Wad max u2
低速电驱离心压气机特定工况下内部流场的数值模拟
低速电驱离心压气机特定工况下内部流场的数值模拟*何学群曹淼龙（浙江科技学院，杭州310023）Numerical simulation on internal flow field for centrifugal compressorHE Xue-qun ，CAO Miao-long（Zhejiang University of Science &Technology ，Hangzhou 310023，China ）文章编号：1001-3997（2010）04-0198-03【摘要】以压气机的三维流场作为主要研究对象，离心式径流风机为基础模型，确定车用增压器压气机蜗壳和叶轮大致尺寸参数，在此基础上，建立三维整体装配模型，对其进行了数值模拟，对各种离心压气机模型的性能进行预测，分析不同数量、形态叶片的叶轮对效率性能和内部流场压力速度分布的影响。
通过计算结果的校核以确定离心压气机叶轮的合理配置方案，了解该离心压气机特定工况下的内部流动情况，以达到设计目标的要求，并为实现快速设计提供依据。
关键词：压气机；内部流场；数值模拟【Abstract 】It aims at studying three-dimensional flow field of compressor.Firstly approximately size parameters of volute and impeller in automotive turbocharger centrifugal compressor are determined after model analysis of prediction compressor performance model on the basis of centrifugal type runoff fan.Then ，three-dimensional model of the centrifugal compressor was established based on computational simu －lation and analysis.Secondly ，the effect of the shape of volute ，the morphology of impeller ，the quantitative distribution on the overall performance and the effect of flow field are investigated by numerical simulation of the centrifugal compressor.The allocation of reasonable scheme was determine in order to check calcu －lating the results ，And the performance and internal flow of the centrifugal compressor is analyzed in spe －cial conditions in order to provide evidence for achieving rapid design.Key words ：Compressor ；Internal flow field ；Numerical simulation中图分类号：TH16，TK421.8文献标识码：A＊来稿日期：2009-06-05＊基金项目：浙江省科技计划项目（2006C31057），校级教学研究立项项目（2006-B12）离心压气机属叶轮机械，具有结构简单，工艺性能好等一系列的优点而被广泛应用于能源动力、交通、航空、航天、化工和冶金等工业领域，但在工程实际中选择合适的模型和快速测算设计目标依然是有待解决的应用问题。
用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响.
用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响张元兴楚武利/西北工业大学能源动力学院摘要：采用商用软件NUMECAL中FINE/TURBO模块对低速大尺度离心压缩机(LSCC)在不同间隙条件下的内部流场进行了数值模拟。
给出了压缩机叶轮出口处的通流速度分布以及不同截面二次流矢量、二次流流线等计算结果。
结果表明：叶顶间隙的大小与泄漏流动的强度和通道内的尾迹区位置分布密切相关，泄漏流动与通道涡的相互作用严重影响了通道内的流场分布。
关键词：离心式压缩机泄漏流动叶顶间隙中图分类号：TH452 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2007）02-0009-04Application of CFD Researching on the Influence of Top Blade Clearance on Inner Flow Field of Centrifugal CompressorAbstract: The Fine/Turbo module in NUMECAL commercial software is applicated to numerical simulate the inner flow field of Low-Speed Large-Scale centrifugal compressor with different clearance. The speed distribution of passage flow on the exit of compressor impeller and calculate results of quadric flow vector and quadric flow streamline with different sections are given. the results shows: The scale of top blade clearance is closely relative to the strength of leakage flow and distribution of tail trace position in passage, the leakage flow and passage vortex interaction has seriously affected the flow field distribution of inner passage.Key word: Centrifugal Compressor Leakage flow Top blade clearance0 引言在离心压缩机叶轮中，因为叶顶间隙的存在，叶顶间隙泄漏就不可避免。
微型燃气轮机的离心式压气机叶片设计及计算分析
微型燃气轮机的离心式压气机叶片设计及计算分析王瑞浩;李政;张力敏【摘要】离心式压气机作为微型燃气轮机的核心部件,对其整体性能有重要影响.为使微型燃气轮机上所用离心式压气机的叶片形状达到所需压比、效率等性能的目的,利用Concepts NREC软件完成了一台适用于100 kW、60000 rpm微型燃气轮机的离心压气机的一维方案设计、准三维设计和造型.利用经过校核的全三维CFD 软件所设计的离心压气机性能进行了验算,结果表明,该离心压气机内流流动参数分布合理,各项性能完全满足设计指标要求.【期刊名称】《黑龙江科学》【年(卷),期】2019(010)010【总页数】4页(P14-17)【关键词】微型燃气轮机;离心式压气机;叶片设计;气动设计;计算验证【作者】王瑞浩;李政;张力敏【作者单位】哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】S216.41 引言微型燃气轮机相对于中大型燃气轮机来说，是一类新兴的小型热力发电机，其单机功率范围为25～300 kW，基本技术特征是采用离心式压气机及回热循环。
部分学者认为，微型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”的技术革新热潮，成为21世纪能源技术的主流。
离心式压气机作为微型燃气轮机的核心部件，对其整体性能有重要影响。
为使微型燃气轮机上所用离心式压气机的叶片形状达到所需压比、效率等性能的目的，可利用Concepts NREC软件完成一维方案设计、准三维设计和造型。
利用经过校核的全三维CFD软件所设计的离心压气机性能进行验算，设计出一款符合微型燃气轮机功率和转速需要的离心式压气机。
2 一维设计对离心压气机的气动设计主要是设计其几何特征。
要确定轮毂直径、轮缘直径、出口宽度、扩压器内外直径、扩压器宽度、叶片数量等参数。
设计的基础方案是基于Concepts NREC公司的Compal软件。
离心压气机设计-第一部分.
C2
C2 W2
W2
U2 U2 没有滑移情况下叶轮出口速度三角形，左图：径向叶轮，右图：后弯叶轮
叶轮出口几何尺寸的确定-滑移因子的计算
滑移现象的存在减小了切向速度分量的大小，因此减小了叶轮 的压比，并且还使叶轮的耗功量减小。为了获得设计压比，就 要求增大叶轮直径，提高叶轮的旋转速度。这又导致叶轮承受 的应力增加，同时也使摩擦损失增加，降低了压气机的效率。
叶轮出口几何尺寸的确定-滑移因子的计算 对于径向叶轮，式 C 2 U 2 Cm2 tan 2b 可以简化为
C 2 U 2
根据质量流量可以获得出口子午速度为
C m 2 m 2 A2
.
A2 2 r2 b2 ，其中
对于进口没有预旋的径向式叶轮，式(8)可以改写为
p02 p 01
12 11 10 9 8
p02 p 01
Ì ¦ ¦ Ç l=1
k 1 k
2 1 k 1l Mau
È ¹ ± ¹ Ñ Í Ö Ö
7 6 5 4 3 2 1 0.0
图4 零预旋时压比和Mau之间的关系
Ì ¦ ¦ Ç l=0.85¡ Á 0.9
旋转速度越高，压比越高
(11)
对式(11)中的1s求导，令其导数等于零，即可获得在任意给定 的相对马赫数情况下，产生最大流量的相对流动角的计算公式 为
诱导轮
cos2 1s
'2 3 kMa1 s '2 2Ma1 s
'2 4 Ma 1 s 1 1 '2 3 kMa 1 s
2 m 1 A1C m1 r12 s r1h 1C m1 .
离心压缩机热力计算 (3)
离心压缩机热力计算一、叶轮基本参数的计算二、子午面形状的调整图1 叶轮子午面流道叶轮基本参数计算完毕后，会形成一个子午面流道，如上图所示，通过贝塞尔曲线来控制流道的形状，调整贝塞尔曲线控制点的位置可以调整叶轮子午面流道的形状。
(a) (b)图2从叶轮入口到出口(a)通流面积变化曲线与(b)轮毂轮盖曲率的变化曲线在调整子午面流道的轮廓时应保证图2(a)通流面积的变化曲线避免出现局部最大、最小值及图2(b)轮毂、轮盖的曲率变化曲线尽可能平缓。
三、叶片特性设定叶片数、叶片形状、叶片前缘后缘的厚度（用于计算阻塞系数），设定叶片冲角和落后角。
叶片数的设定依据叶片出口角：Z=12 β2≈30°Z=16 β2≈45°~60°Z=20 β2≈70°~90°也可用推荐的公式进行计算：Z=k Z d2+d1d2−d1sinβ1+β22k Z=6.5~8.0叶片形状的选择：图3 6种叶片形状CFturbo提供了6种形状的叶片，对于压缩机而言，主要使用直纹曲面（Ruled surface 3D）叶片和径向元素曲面（Radial element 3D）叶片两种。
设定叶片前缘后缘的厚度和冲角，落后角：对于冲角i的选择，这里建议对于后弯型叶轮，当考虑阻塞后，一般取−2°~+1°（徐忠书，75页）。
落后角可以直接输入，也可以选择不同的经验模型。
落后角不应超过10°~14°。
叶片前缘、后缘的厚度的初始值是根据经验公式给定的。
四、调整叶片包角与等分线（a）（b）图4 叶片包角随等分线的变化曲线（a），（b）为横纵坐标的示意图上图表主要用于调节叶片包角与叶片等分线的扭曲度，调整该图很可能会形成不合理的叶片形状，要特别注意，设计过程要求第一排和第二。
初始设计一般0-3点等分横坐标的距离。
排的点必须在一条直线上，这样才能满足β=dmdt五、叶片厚度及叶片前缘的调整图5 叶片厚度的调整叶片厚度的调整，前缘与后缘厚度的调整在叶片特性选项栏中设置，叶片被三等分，图中箭头所指为1/3和2/3等分点。
离心压气机理论-第一部分
离心压气机概述
自二次世界大战以来，各国都投入大量人力和物力对轴流压气 机进行研究。这种努力一直延续到现在，以致于目前研制的轴 流压气机效率经常高于涡轮效率－尽管压气机的设计难度远大 于涡轮设计难度。
虽说轴流压气机效率比离心压气机要高一些，但在直升飞机、 小型飞机、汽车上使用的燃气轮机动力装置、以及辅助动力装 置依然使用离心压气机。
离心压气机概述
早期燃气轮机，由于循环压比比较低，一般都在6左右，只需 要一级离心压气机就能满足要求。随着要求的不断提高，燃气 轮机的循环压力也在不断提高，这样离心压气机一级产生的压 比不能满足要求，必须采用多级离心压气机。
随着要求的不断提高，燃气轮机的循环压力也在不断提高，这 样离心压气机一级产生的压比不能满足要求，必须采用多级离 心压气机。多级离心压气机的采用，除了会使气路变得更加复 杂以外，还会使燃气轮机的尺寸加大，重量增加。
Wx U2Cθ2
对于径流叶轮，假设出口气流方向沿着叶轮径向流出叶轮，即
2b0，在这种情况下气流出口绝对速度的周向分量为
Cθ2i U2
由于叶轮出口存在滑移流动现象，因此叶轮出口气流将向叶轮
旋转方向的反向倾斜，实际的切向速度将是C2C2i，这里的 就是滑移因子。
C2
C2i
C2
许多径流压气机的叶片在出口处都是后弯形状，对出口存在后
图1 单级离心压气机剖面图
离心压气机基本理论
离心压气机叶轮可分为带叶冠叶轮和不带叶冠叶轮两种两种， 前者又叫闭式叶轮，后者又叫开式叶轮。图2和图3给出了这两 种叶轮形式。
图2 不带叶冠叶轮
图3 带叶冠叶轮
离心压气机基本理论
如何使用Numeca进行离心压气机仿真计算.doc
如何使用Numeca进行离心压气机仿真计算陈山(****************.cn)目标：得到如图1中的离心压气机实体，使用Numeca软件应如何进行操作才能得到仿真结果？下面按照要进行操作的大概步骤进行讲述。
图1 离心压气机部件实体对于离心压气机，气体流通区域包括叶轮通道区及蜗壳流道区，那么也就只需要这两部分区域进行仿真计算。
那么目标就是处理得到的实体模型，得到这两部分区域。
Numeca软件：要使用Numeca软件进行操作及仿真，先来认识一下Numeca。
包括：IGG/AutoGrid（前处理模块，主要用于几何处理及网格生成）、Fine（求解器，进行流场求解）、CFView（后处理模块，主要用于显示计算得到的流场的详细情况）、Monitor （求解过程监视器，查看收敛历史，还可用来查找计算最先发散的网格区域）。
当然后还包括其它AutoBlade、Design 2D、Design 3D等。
具体操作例子Tutorial_Compressor_with_Splitter。
1、基本操作2、从这个例子知道准备叶轮几何文件需要什么信息（hub、shroud以及叶片面）。
3、两个方向：流向、径向4、强调AutoGrid4文件保存（保存问题，如原来的文件夹都在D盘，那么如果保存的路径仍在D盘不管哪个路径，写出来的*.geomTurbo内都是调用所需文件的路径名，只有到别的磁盘分区如C保存出来的*.geomTurbo内才会写数据）5、网格文件格式网格文件（AutoGrid5手册P1-3）：*.geomTurbo文件（几何信息）和*.trb文件（网格信息）图1 AutoGrid5网格文件对压气机几何实体进行操作一、几何调整位置，满足相互间匹配关系及符合Numeca软件旋转轴(Z轴)的要求。
（1_Geom文件夹）1、原始的几何文件90compressorbackplate.igs,90compressorhousing.igs,90compressorwheel.igs都保存在1_Geom\OriginalData文件夹中。
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月目录1. 项目研究目标 (1)2. 项目研究内容 (1)3．项目研究成果 (1)3.1压气机三维流场数值仿真网格相关性研究 (1)3.1.1 J90压气机叶轮网格相关性分析 (2)3.1.1.1 J90压气机几何及参数 (2)3.1.1.2 数值方法 (2)3.1.1.3 计算网格 (3)3.1.1.4 计算结果 (4)3.1.2 J60 压气机叶轮网格相关性分析 (12)3.1.2.1 J60压气机几何及参数 (12)3.1.2.2 计算方法 (12)3.1.2.3 计算网格 (12)3.1.2.3 计算结果 (15)3.1.3 结论 (20)3.2压气机三维流场数值仿真网格划分技术研究 (21)3.2.1 网格分区及拓扑结构对压气机叶轮流道网格质量的影响 (21)3.2.2 复杂几何结构网格剖分 (29)3.2.2.1 封头结构 (29)3.2.2.2 子午结构与尾缘平齐结构 (32)3.2.3附面层网格剖分的要求 (35)3.2.4 叶轮网格质量的控制及准则 (36)3.2.4.1 叶轮网格质量控制 (36)3.2.4.2 叶轮网格质量判断准则 (43)3.2.5 结论 (45)3.4.2网格块的划分 (48)3.4.3蝶形网格的使用 (49)3.4.4蝶形网格的内部加密 (50)3.4.5网格块之间的连接 (51)3.5压气机三维流场仿真计算区域的选择研究 (53)3.5.1 J90增压器实验测试说明 (53)3.5.2 J90 压气机几何说明 (54)3.5.3 J90压气机计算进口边界条件的给定 (54)3.5.4 J90压气机单叶轮计算 (55)3.5.5 J90压气机级计算 (56)3.5.6 J90压气机级及出口管道计算 (57)3.5.7 结论 (59)3.6压气机三维流场仿真计算边界条件的给定研究 (59)3.6.1 进口条件 (59)3.6.2 出口条件 (62)3.6.3 结论 (64)3.7湍流模型的选择研究 (65)3.7.1 计算收敛性 (68)3.7.2 计算时间 (70)3.7.3 计算精度 (71)3.7.4 结论 (72)3.8离心压气机发生数值失速的计算判定准则研究 (73)3.8.1 压气机失速特性 (73)3.8.2数值失速时计算收敛特性 (75)3.8.3数值失速点的捕捉 (76)3.8.4 结论 (76)3.9压气机堵塞、喘振流量的模拟计算方法 (77)3.10压气机三维流场计算判别准则研究 (78)1. 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。
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H网格
蝶型网格
叶顶间隙
Skin网格
附：网格拓扑结构介绍（四）
Rator:
Step 6 B2B网格_Topology
并按照AutoGrid/Properties中设定的转速，自动设置Rotational Speed。 因此，这里不需要用户做任何修改。
Step4 转动部件 Rotate Machinery
在这一页面中，FINE根据AutoGrid中定义的叶片排，自动识别转静子交
Step3 流动模型 Flow Model
参考长度是用来计算雷诺数（Reynolds）的，对收敛性和计算结果等没
有任何影响。为了简便起见，这里的取值和网格生成时计算y+所用的值 保持一致。
Step4 转动部件 Rotate Machinery
在这一页面中，FINE根据AutoGrid中定义的叶片排，自动将block组合，
Lref 为特征长度（m）
Y + 为无量纲参数
v
其中特征速度为180m/s，特征长度为0.25m/s
运动粘度为1.47e-5m2/s，假定Y+值为1，则 ywall
为3e-6m
Step 6 B2B网格_Grid Points
Stator:
Periodicity：46 Rotation Speed：0rpm Row Orientation： Axial
Step3 几何定义
展向网格：73 间隙网格：17 间隙距离：0.0408
Step4 定义Flow Path & 间隙
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NUMECA FINE/TurboTM 8.4_1
新型两级离心压气机设计及内部流场分析
图１ ０示 出流 量一 压 比特 性计 算 值 与试 验 值 的
比较 ， 从 图中可 以看 出设 计 结 果 与 试 验结 果 吻 合 得
很好， 最 大误差在 ５ 以内 。以下 将对 三维数 值计 算
车
用
发
动
机
２ ０ １ ３年 第 ５ 期
消旋 叶 片流道 造成 显著 的进 口畸变 。蜗壳 上侧 气流 加速， 静 压和 总压值 较 高 ； 同时 蜗壳下 侧 的气流撞 击
ｂ ）根据压 气机 进 口总温 和所需 折 合转 速 ， 调 整
当前增压 器 转速 ， 由高 向低进 行 试 验 ， 同 时参 照 表 １ 所 示流 量 工 况 点 进 行 试 验 ， 各 工况 点 在稳定 ３ ～ ５ ｍｉ ｎ 后进 行数据 采集 ；
方值 ， 当全 场 的总残差 下 降 到 １ ｏ 时 可 以认 为 迭 代
是 否收敛 ：
图 ９示 出压气 机性 能试 验 的试 验设 备与测 试 系 统 示意 。具体 的试 验方 法如 下 ： ａ ）试验 台 由外 气源 供 给压 缩空 气 ， 经燃 烧 室 加
热 后驱 动涡 轮 ， 通过 转轴 带动 压气 机进行 试验 ；
１ ）定 义 总残差 ＲＭＳ为全 场 流动参 数 变化 的均
２ ０ １ ８年 １ Ｏ月
王晓春 ， 等 ：新 型 两 级 离 心 压 气 机 设 计 及 ｎ ｅ ／ Ｔｕ ｒ ｂ ｏ模块 对 压 气 机 整 机 三维 黏 性 定 常 流场进 行数 值 模 拟 ， 空 间 离 散 采用 中心 差 分 格
数据， 在 高效 率 区适 当增 加 ２ ～３ 个 工况 点 。
调节 阀 二位 通阀 凋节阀
２ ． ３ ． １ 仿 真计算 计 算转 速 线 分 别 为 低 速 ４ ０ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ 、 设 计 转
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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月目录1. 项目研究目标 (1)2. 项目研究内容 (1)3．项目研究成果 (1)3.1压气机三维流场数值仿真网格相关性研究 (1)3.1.1 J90压气机叶轮网格相关性分析 (2)3.1.1.1 J90压气机几何及参数 (2)3.1.1.2 数值方法 (2)3.1.1.3 计算网格 (3)3.1.1.4 计算结果 (4)3.1.2 J60 压气机叶轮网格相关性分析 (12)3.1.2.1 J60压气机几何及参数 (12)3.1.2.2 计算方法 (12)3.1.2.3 计算网格 (12)3.1.2.3 计算结果 (15)3.1.3 结论 (20)3.2压气机三维流场数值仿真网格划分技术研究 (21)3.2.1 网格分区及拓扑结构对压气机叶轮流道网格质量的影响 (21)3.2.2 复杂几何结构网格剖分 (29)3.2.2.1 封头结构 (29)3.2.2.2 子午结构与尾缘平齐结构 (32)3.2.3附面层网格剖分的要求 (35)3.2.4 叶轮网格质量的控制及准则 (36)3.2.4.1 叶轮网格质量控制 (36)3.2.4.2 叶轮网格质量判断准则 (43)3.2.5 结论 (45)3.4.2网格块的划分 (48)3.4.3蝶形网格的使用 (49)3.4.4蝶形网格的内部加密 (50)3.4.5网格块之间的连接 (51)3.5压气机三维流场仿真计算区域的选择研究 (53)3.5.1 J90增压器实验测试说明 (53)3.5.2 J90 压气机几何说明 (54)3.5.3 J90压气机计算进口边界条件的给定 (54)3.5.4 J90压气机单叶轮计算 (55)3.5.5 J90压气机级计算 (56)3.5.6 J90压气机级及出口管道计算 (57)3.5.7 结论 (59)3.6压气机三维流场仿真计算边界条件的给定研究 (59)3.6.1 进口条件 (59)3.6.2 出口条件 (62)3.6.3 结论 (64)3.7湍流模型的选择研究 (65)3.7.1 计算收敛性 (68)3.7.2 计算时间 (70)3.7.3 计算精度 (71)3.7.4 结论 (72)3.8离心压气机发生数值失速的计算判定准则研究 (73)3.8.1 压气机失速特性 (73)3.8.2数值失速时计算收敛特性 (75)3.8.3数值失速点的捕捉 (76)3.8.4 结论 (76)3.9压气机堵塞、喘振流量的模拟计算方法 (77)3.10压气机三维流场计算判别准则研究 (78)1. 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NUMECA FINE/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。
3.1.1 J90压气机叶轮网格相关性分析3.1.1.1 J90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3-1 J90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0.5mm1mm62mm 90mm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1 J90计算网格信息在网格生成过程中，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+）以及相同的近叶片法线方向网格数目。
另外，这三套网格具有完全相同的拓扑结构以排除拓扑结构形式的不同对计算结果造成影响的因素。
图3-2分别给出了这三种网格的表面网格分布以及子午面上的网格分布，通过对比，可以直观的看出三种网格在网格密度以及分布上的区别。
a. 稀疏网格（360K）b. 中等网格（906K）c. 精细网格（1664K）图3-2 三种不同计算网格分布示意图3.1.1.4 计算结果为了使不同网格对应的计算结果具有可比性，针对J90压气机叶轮皆进行了相同转速、相同进出口条件下的工况线计算。
图3-3为计算所得的不同网格数下压气机叶轮工况效率及压比特性图。
a. 效率特性b. 压比特性图3-3 J90压气机叶轮效率及压比特性由图可以看出，根据三种不同数目的网格计算所得到的压气机叶轮特性存在着差异，尤其是稀疏网格所对应的压气机的效率特性与中等网格及精细网格对应的结果存在着非常明显的区别：效率特性线整体向下偏移，并比其它两套网格对应的效率平均减小约2%；压比特性也存在着一定程度的差别，但与效率特性不同，与中等网格和精细网格对应的计算结果相比，稀疏网格对应的计算结果与它们的差异则相对不是那么明显。
相比较而言，中等网格和精细网格所对应的压气机效率特性及压比特性之间的差异非常小，其效率差别最大仅为0.2%，而压比特性则基本重合，对于J90压气机叶轮而言，可以认为采用中等网格（网格数目为90.7万）已基本上达到计算的网格无关结果。
通过上图还可以看出，随着计算网格数目的增多，所对应的叶轮效率及压比特性皆成上升趋势，造成这种现象的原因在于，采用较少的网格数目时，容易造成对损失区域范围的夸大（例如边界层内沿流向的分离区、流道内的分离涡尺度等），因而导致效率及压比的下降。
此外，采用稀疏网格进行的计算所得的叶轮工况范围偏宽，进入数值失速较晚，而采用精细网格的计算数值失速点明显比其它两种网格提前，这是由于采用精细网格可以更细致的捕捉稀疏网格所无法捕捉到的流团阻塞以及损失涡团的干涉等复杂流动现象，这些流动现象都将引起流动的不稳定而引发流动失速。
由图3-4.a-c所示的子午平均总压云图分布可以看出，与其它两种网格相比，采用稀疏网格的计算结果在长叶片前缘附近总压比略低，而在叶轮出口尾缘区域高总压的区域略小，同时在无叶扩压器内的总压损失降低较为明显，导致了总压比及效率相对而言略有下降。
在最高效率点，采用精细网格所捕捉的间隙流强度加大，在小叶片前缘顶部下游区域呈现了更强的间隙流特性，而间隙涡与顶部通道涡的干涉及低能流团的聚积是导致压气机失速的一个重要原因，该现象也直接体现了随着网格的加密，数值失速提前的直接原因。
a 稀疏网格（左：大流量右：最高效率点）b. 中等网格（左：大流量右：最高效率点）c. 精细网格（左：大流量右：最高效率点）图3-4 子午平均总压云图分布图3-5.a-c分别给出了大流量工况及最高效率工况点下采用不同网格计算所得的子午平均静压云图分布。
由图可以看出，三种不同网格对应的叶片对气流加功的特性有所不同，随着网格数目的增多，叶片根部至顶部的静压压力梯度变化越为剧烈，这种差别在稀疏网格和另外两种网格之间体现的非常明显，而在中等网格和精细网格之间则基本保持着极为相似的的加功特性。
类似的现象在大流量和最高效率点工况下50%叶高Blade-to-Blade截面上的静压云图分布特征上也有所体现（图3-6）。
a. 稀疏网格（左：大流量右：最高效率点）b. 中等网格（左：大流量右：最高效率点）c. 精细网格（左：大流量右：最高效率点）图3-5 子午平均静压云图分布a. 稀疏网格（左：大流量右：最高效率点）b. 中等网格（左：大流量右：最高效率点）c. 精细网格（左：大流量右：最高效率点）图3-6 50%叶高Blade-to-Blade静压云图分布对于雷诺平均Navier-Stokes方程组（RANS）的求解，湍流粘性是反应流场内湍流流动特性的重要表现特征。
通过湍流粘性的分布可以反应出流场内的湍流流动程度。
图3-7.a-c给出了大流量工况和最高效率点工况下三种不同网格对应50%叶高截面上湍流粘性的云图分布，可以看出，尽管采用不同密度的网格都从一定程度上反应了流场内的湍流流动特性，但采用稀疏网格时，两种不同工况下叶片尾缘区域所反应出来的湍流粘性要比采用中等网格及精细网格的情况要小一些，说明其稀疏网格未能准确的捕捉湍流流动的特征及湍流强度。
网格的加密可以有效的改善对湍流流动特征的模拟。
a. 稀疏网格（左：大流量右：最高效率点）b. 中等网格（左：大流量右：最高效率点）c. 精细网格（左：大流量右：最高效率点）图3-7 50%叶高Blade-to-Blade涡粘性云图分布图3-8给出了在大流量及最高效率点两种工况下三种不同网格所对应的叶轮出口子午平均相对气流角沿展向的分布规律，对应位置如图3-8.a所示。