基于二维数值模拟的轴流压气机旋转失速研究赵决正罗牟驕崔娟娟（中国石油大学自动化研究所•北京102249）MB通过求解二绘可压编N・S才程，对多级低速轴流压％机的一圾进行數值模拟。用定常计算得到了该圾在不fflHitr的稳态转也曲域•进而得到其喘撅线。在该级出口加上节流阀进行瞬直计算，模撅压％机进入茨转失速的过是失違先兆的发展和内部流场的分析。关■词紬流圧牝机诡转央途二维數值樓撅中图分类号TH453文畝标识码A文章细号1000.3932（2012）024198心叶轮压气机是航空、石化和冶金中的重要设备，它的安全可靠长周期运行对整个装置的安全性和经济性具有重要意义山。由于压缩系统运行工况多变，容易发生旋转失速和喘振两类失稳现象I。•对压气机旋转失速进行数值模拟研究，主要有两类方法:一类是压缩系统模型；另一类是流场计算，直接求解N・S方程或Euler方程。根据描述流场的空间坐标个数•压缩机模型通常被分为：一维、二维和三维对轴流压缩机，三维模型指的是轴向、周向和角位置。假设流体的角度变量可以忽略，即有一个高的轴尖比，则三维模型简化为二维模型。因为喘振是一个轴对称的不稳定现象，所以三类模型都可以表达它的待征，而旋转失速是非轴对称的，只有二维及以上模型才能准确预测和模拟旋转失速的发生和发展过程，并展现发生喘振的规律。为了保证数值模拟的准确性和髙效性⑸"，笔者以二维模型数值模拟压气机的旋转失速全过程［731o进行二维N・S计算的有OutaE等"°】和HeL等［,,J21，二维Euler计算的有Saxer-FeliciHM等“⑷，笔者将选择N-S计算方法。以MG模型为基础建立的失稳模型能够基本反应失稳情况，但是不能有效地反应内部细微的流场情况，所以有必要进行二维数值模拟，以更进一步了解压气机叶片通道内部的流体力学机制［7J5J51o笔者先数值模拟并绘制轴流压气机的稳态特征曲线，然后数值模拟压气机从稳态到动态（失速或喘振）的流体变化全过程，并分析失速机理。1轴流压气机旋转失速的二维数值模拟1.1计算网格笔者模拟某多级轴流压气机的第一级，由于二维计算不考虑端壁的影响，计算网格相当于实际三维叶栅在叶高中径的回转面，展开为平面叶栅，其设计参数和几何参数如下⑴）：单级动、静叶数3轮毂比0・8动、静基本叶型C4静叶弦长101.9mm动叶叶型弯曲角105.8°动叶安装角61.9°叶高中径周向速度13・25m/s通道外径686.0mm动叶弦长152・4mm动、静叶栅距195・9inm静叶叶型弯曲角62.7。静叶安装角51.4。笔者把动静叶片之比简化为3：3。网格用FLUENT的GAMBIT前置处理软件生成，级进出口延伸区、叶片通道采用非结构化三角形网格，叶片附近用尺寸函数加密网格（图1）。收稿日期：2011-12-03（修改稿）基金项目：国家自然科学基金资助项目（21006127）(1)图1轴流压缩机单级网格为了减小进岀口边界上不真实的反射对内部流场计算结果的不良影响，需要采用较长的进口和出口远场计算域或者采用无反射边界条件。对于为进行旋转失速数值模拟而加了节流阀模型出口边界的非定常计算，要采用无反射边界条件是比较困难的，一般的做法是用较长的进口和出口计算域⑴】。可是为了不占用太多计算资源（CPU计算时间和内存容僦），轴向计算域的延长需要权衡考虑。这里，静叶前和动叶后的轴向计算域长度分别为静、动叶弦长的两倍左右。压气机模型如图2所示。静子转了淹体2.5倍弦长图2压气机模型1.2控制方程基本方程采用二维可压缩雷诺平均守恒型N・S方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能最守恒方程。在惯性坐标系上，质就守恒方程又称连续性方程，其一般形式为：詈+佥（叫）"动鼠守恒方程为：寻仙）+金（卩吧）「奢制喘空-K）卜計不7）能量守恒方程为：A（p£）+A［u（（pE+p）］=-L［^g.(3)式中P—密度；P-----静压；比，勺---速度分最；xi,xj----坐标分量；4——层流粘性系数；k*----有效导热系数,5二&+&；Jr—组分/的扩散通量；X——包括化学反应热和其他体积热源的源项。式（3）中方程右边前3项分别为导热项、组分扩散项和粘性耗散项。1.3湍流模型工程上常用的湍流模型包括零方程模型、一方程的S・A模型、两方程的Ay模型.Reynolds应力模型和最新的大涡模拟等。零方程模型和一方程...