不同湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦模擬中的應(yīng)用與驗(yàn)證
為尋求一種經(jīng)濟(jì)、適合的湍流模型模擬軸流泵葉頂泄漏渦的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，該文基于ANSYSCFX軟件平臺(tái)，優(yōu)化了六面體網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型(standardk-ε)、重正化群k-ε湍流模型(renormalizationgroupk-ε，RNG)，標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型(standardk-ω)和SSTk-ω湍流模型(shearstresstransport)等4種湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦模擬中的計(jì)算精度和葉頂泄漏渦流場(chǎng)特征。數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果表明，在最優(yōu)工況下，SSTk-ω湍流模型預(yù)測(cè)外特性曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，揚(yáng)程誤差為4.688%，較其他3種湍流模型準(zhǔn)確;4種湍流模型計(jì)算的葉頂泄漏渦流線、葉頂區(qū)壓力場(chǎng)和軸面速度場(chǎng)分布規(guī)律相似，但RNGk-ε和SSTk-ω湍流模型計(jì)算的渦卷吸較強(qiáng)，渦帶的旋渦強(qiáng)度相對(duì)較大。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)基于旋渦強(qiáng)度提出了一種對(duì)葉頂泄漏渦的渦心進(jìn)行識(shí)別的方法，并與高速攝影拍攝的渦帶結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，在設(shè)計(jì)流量工況和大流量工況下，發(fā)現(xiàn)SSTk-ω湍流模型計(jì)算的葉頂泄漏渦運(yùn)動(dòng)軌跡與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，驗(yàn)證了SSTk-ω湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦模擬具有較好的適用性。
在軸流泵中，葉輪與轉(zhuǎn)輪室之間不可避免存在葉頂間隙，葉片輪緣與端壁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及葉頂間隙前后壓差作用產(chǎn)生了葉頂泄漏流，其與葉片吸力面的主流相交形成葉頂泄漏渦(tipleakagevortex，TLV)。泄漏渦干擾主流運(yùn)動(dòng)，對(duì)流道近20%的區(qū)域產(chǎn)生影響。軸流泵葉頂間隙的泄漏流在上個(gè)世紀(jì)50年代已被關(guān)注。1954年，Rain建立了間隙流動(dòng)模型，該模型可估算出泄漏流在吸力面頂部出口的流速，并能分析由于泄漏流引起的轉(zhuǎn)輪效率變化，但不能計(jì)算流場(chǎng)的微觀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。后來(lái)，Chen等也對(duì)葉頂間隙流動(dòng)建立了簡(jiǎn)化模型，并從理論上推導(dǎo)出二維泄漏渦的運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)。戴辰辰等基于商用軟件討論了葉頂間隙對(duì)軸流泵外特性的影響，也得出了類似的結(jié)論，并分析出間隙泄漏渦是由于間隙泄漏流與主流發(fā)生卷吸而形成的。梁開洪等分析了泄漏渦的特征與泵的運(yùn)行工況有著密切的關(guān)系。BWMcCormich等對(duì)水力機(jī)械內(nèi)部的間隙泄漏渦發(fā)生以及發(fā)展過程進(jìn)行了初步分析。上述研究可見，軸流泵葉頂區(qū)流場(chǎng)的研究已取得一定的研究進(jìn)展，目前數(shù)值模擬方法已成為有效的研究方法之一。
由于軸流泵葉頂區(qū)的真實(shí)流場(chǎng)非常復(fù)雜，由于葉頂間隙等復(fù)雜邊界條件的存在，流動(dòng)中常伴有流動(dòng)分離、二次流、葉尖泄漏流和汽蝕渦流等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，試驗(yàn)手段難以準(zhǔn)確測(cè)量葉頂泄漏渦的結(jié)構(gòu)形態(tài)，選擇合適的湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬是重要的研究途徑之一。但是現(xiàn)有的湍流模型很多，針對(duì)水力機(jī)械，一些學(xué)者也提出了改進(jìn)的湍流模型[19]，但是水力機(jī)械物理模型的多樣性和特殊性，目前針對(duì)軸流泵葉頂泄漏渦計(jì)算，尚未見相關(guān)的湍流模型計(jì)算對(duì)比和驗(yàn)證。因此，本文以南水北調(diào)同臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?編號(hào)TJ-ZL-02)的等比例縮放泵作為研究對(duì)象，在不同工況下對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行分析，并通過計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，旨在探討不同湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦數(shù)值模擬中的適用性。
軸流泵模型及數(shù)值計(jì)算方法
1.1、幾何模型
本文選取了南水北調(diào)工程天津同臺(tái)試驗(yàn)的TJ04-ZL-02號(hào)優(yōu)秀軸流泵模型為原型泵，以其等比例縮放為葉輪直徑為200mm的模型泵為研究對(duì)象，其基本參數(shù)：葉輪直徑D2=200mm，葉片數(shù)Z=4，導(dǎo)葉葉片數(shù)Z'=7，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，0°葉片安放角的最優(yōu)工況下的流量Q=392.80m3/h，模型泵計(jì)算區(qū)域按照試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置，全流場(chǎng)的三維實(shí)體布置如下圖1所示。
圖1 軸流泵全流道三維實(shí)體
1.2、網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其優(yōu)化
網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算的斂散性及結(jié)果的準(zhǔn)確性與計(jì)算精度。本節(jié)將采用全六面體網(wǎng)格分別對(duì)進(jìn)水管、葉輪、導(dǎo)葉和出水管進(jìn)行離散。葉頂間隙為0.5mm，為了模擬葉頂泄漏渦邊界層精細(xì)化流場(chǎng)，葉輪區(qū)域選用J型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用O型拓?fù)淇刂迫~片近壁面的邊界層分布。并對(duì)葉輪葉頂間隙區(qū)設(shè)置20～25層網(wǎng)格，葉輪局部及計(jì)算域整體網(wǎng)格如下圖2所示。
圖2 計(jì)算區(qū)域局部網(wǎng)格劃分
1.3、湍流模型及邊界條件
以時(shí)均N-S方程為基本控制方程，分別采用標(biāo)準(zhǔn)Standardk-ε,RNGk-ε,k-ω和SSTk-ω模型對(duì)模型泵進(jìn)行全流道數(shù)值模擬，采用有限元的有限體積方法對(duì)方程組進(jìn)行離散，其中對(duì)流項(xiàng)采用了高分辨率格式(highresolutionscheme)，其他項(xiàng)采用中心差分格式，邊界條件根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置如下：采用速度進(jìn)口，壓力自由出口邊界條件，壁面采用光滑無(wú)滑移壁面，參考?jí)毫?01325Pa，動(dòng)靜交界面設(shè)置為Stage，湍流模型分別選擇Standardk-ε,RNGk-ε,k-ω,SSTk-ω4種湍流模型，計(jì)算收斂精度設(shè)置為10-5。
結(jié)論
1)采用改進(jìn)的網(wǎng)格拓?fù)�，利用局部加密方法，較好的捕捉到了精細(xì)的葉頂泄漏渦行為，在保證計(jì)算要求的前提下，降低了總體網(wǎng)格數(shù)，提高了計(jì)算機(jī)計(jì)算速度。
2)在偏工況下，標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型計(jì)算的揚(yáng)程誤差略小于SSTk-ω湍流模型;而在最優(yōu)工況下(Q=392.80m3/h)，SSTk-ω湍流模型預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，預(yù)測(cè)誤差最小，揚(yáng)程誤差為4.688%，較其他3種湍流模型準(zhǔn)確。
3)4種湍流模型計(jì)算的葉頂泄漏渦流線、壓力場(chǎng)和軸面速度場(chǎng)趨勢(shì)相似，但在微觀流場(chǎng)上也具有差異，SST模型邊界層采用k-ω模型，邊界層計(jì)算較為準(zhǔn)確，泄漏流卷吸效果較好。
4)采用葉頂泄漏渦主動(dòng)空化方法，通過高速攝影捕捉泄漏渦軌跡，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)對(duì)比表明，在最優(yōu)工況下和大流量工況下，SSTk-ω湍流模型計(jì)算的葉頂泄漏渦的運(yùn)動(dòng)軌跡與試驗(yàn)吻合較好，驗(yàn)證了SSTk-ω湍流模型在軸流泵葉頂泄漏渦模擬中的適用性。
