IJRM 旋转机械的国际期刊 1542 - 3034 1023 - 621 x Hindawi 10.1155 / 2019/7415263 7415263 研究文章 CFD模拟与实验验证通过离心压缩机的径向扩散器静态压力测量 http://orcid.org/0000 - 0002 - 5984 - 1926 杜瓦 布雷特 1 2 Tiainen Jonna做 3 Jaatinen-Varri Ahti 3 制作奶油的人 迈克 1 Dotcheva 马里亚纳 2 Radulovic Jovana 2 http://orcid.org/0000 - 0001 - 6936 - 0301 别克 James M。 2 天野之弥 通过提价撒母耳 1 业务优势 6骑兵的房子 轻骑兵法院 日照视图 Waterlooville 翰斯 PO7 7科幻 英国 2 学校的机械和工程设计 朴茨茅斯大学 位于建筑 朴茨茅斯警察甲3 dj 英国 port.ac.uk 3 学校的能源系统 附近地区大学 邮政信箱20 fi - 53851 Lappeenranta 芬兰 lut.fi 2019年 19 5 2019年 2019年 15 01 2019年 10 04 2019年 15 04 2019年 19 5 2019年 2019年 版权©2019年布雷特杜瓦等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

本文比较实验与CFD模拟静态压力测量离心式压缩机通过扩散器在12分。三个选择质量流率,每个三个运营速度给九总操作条件。结果表明,CFD模型通常略低估了静压值与实验结果相比。实验和数值结果之间的差异范围-8% + 6%,相当一致的对于一个给定的操作条件,除了靠近叶片后缘,由压力变化不规律,压力和径向位置增加最快。在一致的区域,压力梯度较低,模拟的差异大约是百分之二或更少接近设计操作点。远离设计操作点错误增加了大约5%。仿真结果也被用于调查的影响的位置(从叶片后缘)impeller-diffuser接口(冻结转子模拟方法的特点)。这里的最优位置接口被发现刀刃半径的2%。这个值与实验结果给改进协议在最初的地区扩散的距离大约10%的半径。在长距离的位置界面变得不那么重要了。 The results also highlighted a change in the pressure along the spanwise direction close to the tips. A dip in the pressure, which was observed in the experimental results, was only observed in the simulations close to the shroud. Close to the hub the simulation results recorded a small local peak. The simulation approach was then applied to further study the flow characteristics by examining the full-field velocity and pressure contours in the impeller and diffuser regions to identify changes due to the different operating conditions.

 InnovateUK KTP009973 1。介绍

离心式压缩机广泛应用于一系列应用程序,包括制冷和空调、发电、航空,涡轮增压器,与石油和天然气行业;和他们的设计是一个系统的性能和效率的重要因素,它们合并。因此离心式压缩机的仿真变得越来越重要,应用调查一系列的现象,比如噪音的产生( 1, 2,叶尖间隙 2, 3],蜗壳和扩散器几何效应[ 4, 5),压缩机性能( 6- - - - - - 8),并通过压缩机流场( 9, 10]。发展的一个重要方面一个数值模型验证阶段,这通常涉及到一个与实验数据进行比较。通常,当评估离心式压缩机性能、流动的特点是只在两个地方:测量上游压缩机入口和下游的蜗壳出口。

近年来,离心式压缩机的主要趋势之一,研究已经偏离设计的操作条件。扩大工作范围和效率偏离设计的操作都进行了广泛的研究近年来,作为不同系统的效率的需求一直在增加。偏离设计的操作比以前更重要和常用CFD在不同阶段压缩机设计、CFD精度在非设计工况条件也变得越来越重要。

身体积累的工作,一些常用方法导致的CFD模型设置对湍流模型( 11- - - - - - 14),界面设置( 4, 6, 7, 9, 15- - - - - - 17),和边界条件 7, 11, 18]。有许多湍流模型可以应用在运行模拟。吉布森et al。 11)评估不同的湍流模型的性能数值模拟的离心式压缩机。使用不同的模型进行了模拟包括Spalart-Allmaras海温,海温方法(SST-CC),修改和制定雷诺应力模型(RSM湍流频率 ω )。的结果与实验数据相比压力和温度比率和在叶轮出口速度轮廓。结果表明,虽然SST-CC和RSM - ω 附近飙升表现良好,对海温是提供高效、准确的结果在整个速度范围。Roytta et al。 14风场模型与k -相比) ε 模型在研究离心式压缩机叶片角的影响。他们还发现对海温模型给最真实的结果。SST湍流模型被认为是最合适的选择涡轮机械应用程序在沙等的评论( 12),也被广泛应用于各种离心压缩机模拟( 13, 19]。的完整讨论SST模型是由表示“状态”( 20.]。

造型离心式压缩机模拟时的另一个重要考虑因素之间的界面旋转叶轮区和固定进口和扩散。当执行稳态模拟时,叶轮区域模拟旋转参照系和其他地区的模拟在一个静止的参照系。在接口有两种方法:混合平面,在数量平均压痕的界面,和冻结转子方法,在压力和速度直接传输接口,以当地的圆周速度调整叶片的速度( 21]。冻结转子的方法使叶片的相对位置固定,所以结果是位置相关。尽管它已被证明 21),无叶片的扩散网络区别冷冻转子和混合框架引用最小和离心式压缩机中经常应用的方法模拟( 4, 6, 7, 9, 14- - - - - - 18, 22, 23]。

当前文献对CFD模型验证的目的,最好的作者的知识,只关注进口和出口流动的特点,即静压或数量来源于它,比如在 1, 2, 4, 7, 8, 15, 16]。这些作品也经常不包括组件之间的扩散器出口和实验出口传感器的CFD模型。虽然这是最充足的工业性能分析,它缺乏一些对充分验证CFD模型的目的。流的现场开发的研究通过扩散器允许评估计算模型不仅在最终输出的一个点,但也通过叶轮在中间阶段。时,这一点变得尤为重要评估模型的有效性条件远离设计点。

在这里,我们考虑一个CFD模型验证与实验压力测量沿着扩散器12分。实验和CFD细节的部分 2和 3分别。这项研究的结果发表在部分 4测量的压力比在12点,变化的方向,冻结转子的位置界面,和入口的压力和速度场,叶轮和扩压器区域。

 2。实验装置

测试压缩机位于流体动力学实验室,Lappeenranta科技大学,芬兰。闭环压缩机测试设备,测试压缩机是一种高速离心压缩机,控制与主动磁轴承。叶轮有9个完整和9分流叶片。压缩机配有平行墙无叶片的扩压器和蜗壳。列出了主要设计参数表 1,过程仪表的测试站如图 1。

主要的设计参数。

质量流量(千克/秒) 1.8
比速 N 年代 = ω 问 v 1 / ∆ h 年代 0.75 0.70
转速(1 / s) 461年
叶轮出口半径(毫米) 271年
扩散器出口半径(毫米) 542年
叶片在叶轮出口处标backsweep (°) 40
叶片在叶轮出口高度(毫米) 12.2
扩散器的高度(毫米) 10.3
全面和分流叶片的数量 9 + 9

过程仪表图。 男朋友流, 黑洞湿度, N转速, 英国石油公司的压力, 体育电力, 英国电信温度。

空气是来自沉降槽,通过进气阀。流量,压力,温度测量之前和之后的压缩机。出口测量后,气流在热交换器冷却用水,转回水箱通过控制阀。性能测量的设置和计算符合ISO 5389。测量设计操作点性能和不确定性如表所示 2。

设计操作点的性能。

参数 价值 相对误差(%)
Total-to-total效率(%) 79.8 ± 0.81
Total-to-total压力比[-] 2.36 ± 0.35
质量流量(千克/秒) 1.79 ± 0.54
2.1。静态压力测量

无叶片的扩散器的静态压力测量在12个不同径向位置。阀门的压力是蜗舌位置相反。一分之九压力阀门在裹尸布方面,和最后三中心一侧由于蜗壳。测压孔位置如图 2和总结在表 3。Trafag和Wika使用压力传感器收集的数据和侥幸Hydra数据记录器。

测压孔的位置。

位置 r/ r2 位置 r/ r2
1 1.01 7 1.50
2 1.07 8 1.59
3 1.13 9 1.69
4 1.20 10 1.80
5 1.30 11 1.90
6 1.40 12 1.95

测压孔位置。

静态压力测量在九个不同的操作点。9分在三个不同的旋转速度,三分在每个速度。九个操作点在压缩机操作映射如图所示 3和总结在表 4。

操作点的静态压力测量。

点 N(1 / s) 问 米 (千克/秒) π t t
1 461年 1.98 2.28
2 461年 1.80 2.36
3 461年 1.44 2.48
4 364年 1.46 1.81
5 364年 1.33 1.72
6 364年 1.06 1.76
7 323年 1.24 1.54
8 323年 1.13 1.57
9 323年 0.90 1.61

压缩机操作映射和操作点的静态压力测量。

一旦所需的操作点设置,运行,直到所有的压缩机是让气温已经解决一个稳定值。一旦稳态已经实现,静态压力记录。五个压力值为每个位置都被记录下来,一旦结果处理,平均五个值给一个为每个位置在每个操作点压力。图 4显示压力测量的相对误差,即标定误差除以测量压力。在这里的平均误差校准范围考虑0.4 kPa,然而,最大误差为1.21 kPa用于图 4。

为每个静态压力测量测量的不确定性。

 3所示。数值研究

使用商业CFD软件模拟进行了ANSYS 17.1版本只在稳定状态。

3.1。域划分和接口

后( 4, 6, 7, 9, 15- - - - - - 17),计算域划分为固定入口,旋转叶轮和静止的扩散器冻结转子邻域之间的接口。域分区如图 5。叶轮的转速域设置为所需的速度。

域分区。

 3.2。边界条件

总温度和压力值96 kPa入口条件 ( p r e f ) 和300 K。质量流率出口条件是使用值表 4使用亚音速流态。周期性边界条件采用相邻叶片之间通道。这是使用的方法一样 7, 18]。

总压强和温度的组合进气质量流量率出口是稳定的方法支持( 11]。中心和裹尸布的进口和扩散领域,叶轮的中心领域,以及叶片本身将墙(绝热,没有滑动,和光滑的墙)边界条件。裹尸布在叶轮域设置为相同,除了墙速度选项选择“计数器旋转墙”。

 3.3。数值方法

后( 11- - - - - - 14的k - ω 风场模型被选中。所选的k - ω 风场模型广泛应用和验证了涡轮机械应用程序( 20.]。最近,吉布森et al。 11)使用测试用例Radiver展示五个湍流模型之间的区别。他们得出的结论是,k - ω 风场模型是相当健壮的预测基本当地流离心压缩机的现象。湍流强度是一个中等强度、5% 3, 11, 24]。平流方案和湍流数值设置为高分辨率。汽车时间表、保守的长度尺度的选择,和一个时间尺度因素的选择。

 3.4。网格收敛性

ANSYS的计算网格生成Turbogrid和收敛性研究显示在图 6,最终网格如图 7。

网格收敛性。

仿真网格。

最后的网被认为是最密集的,由大约220万个元素。全球规模的因素是1.75和墙附近的元素大小规范方法y + 7 x10的雷诺数6给一个目标y + 0.5的价值。通过由叶片分布方法选择比例因子设置为1。融合被认为足够当所有残差的均方根值达到O (10−5)。侯赛因后et al。 25一个离散误差的0.08%被发现压力比106万个元素网格时使用。

 4所示。结果 4.1。压力的比率

对比实验和模拟(面积平均)压力的比率呈现在图 8在每个开发位置的质量流率和旋转速度。第一个9 CFD结果(r / r2< 1.7)裹尸布边和三个去年在中心端,与实验数据一致。实验和模拟压力的百分比区别率也显示在图 8。比较的结果显示了良好的通用实验结果和模拟之间的协议。

对比实验和模拟压力的比率。

远离技巧(r / r2> 1.2)差异在某种程度上依然是恒定的。在这个地区CFD结果一直低估了压力比(从几乎没有低估约6%)对实验数据。有趣的是,这些差异最小,2%或更少,在设计速度和质量流率(461赫兹和1.8公斤/ s)或接近他们(461赫兹和1.98公斤/ s)。进一步从设计操作点的错误更大范围的2%,至略高于5%的水平。这个图中可以看到 9这显示了r / r的平均误差2> 1.2策划与设计点的距离计算 ∆ N / N 0 2 + ∆ 问 米 / 问 米 o 2 ,在那里 N 0 和 问 米 o 设计点的速度和质量流率,分别和 ∆ 量代表从设计角度的差异。虽然没有很强的相关性之间的数据和线性最佳,建议的相对重要性 ∆ N / N 0 和 ∆ 问 米 / 问 米 o 可能不等于确定模拟的准确性,有明显的趋势模拟更准确的设计点附近。一个因素影响蜗壳。在实验中有一个蜗壳,开发提供一个统一的周向压力分布在设计操作点。在非设计工况条件下,周向压力分布不均匀。质量流量低于设计流量,压力增加的方向旋转而在高流动减少的方向旋转( 26, 27]。有一个统一的边界条件模拟中应用同样的操作点。这种差异可以部分解释为什么不准确观察进一步增加了我们从设计操作点。

r / r的平均误差的变化2< 1.2设计点的偏离。

在该地区接近技巧(r / r2< 1.2)差异变化越来越最大差异(+ 6%和-8%)发生。这是可以预料到的由于更迅速和更少的压力比均匀变异是在这个地区。也是有趣的注意,在内部区域差异是积极的(CFD高估压力比)或少负)(CFD低估了压比小于外部区域。

除了这个没有明确的趋势数据。例如,尽管质量流率最低流动显示大约-6%的最大区别在更高的速度的外部区域,这种行为不是由323 Hz复制的结果。这表明其他比结果更准确接近设计点如上所述,没有系统误差有两组结果。

在图 8,压力比的实验误差的测量(0.012)约等于符号的大小在323和369赫兹和大约一半的符号大小在461赫兹,而模拟压力比的离散化误差小于0.002。CFD之间的差异观察和实验测量比这些更大的错误。这可能是由于仿真的特点,如使用了方法与相关的湍流模型,而不是被离散化误差,以及小艺术品真正的压缩机模型中不包括用于CFD模拟。例如,模拟压缩机是完全对称的,而真正的压缩机的制造和安装过程将引入一个小的不对称,在刀片间隙等领域,可以影响性能( 3]。

 4.2。CFD压力线变化

当比较实验和数值结果往往是有歧义,在计算域入口出口压力线在高空的感觉。已经使用的实验装置前九压力阀门放置到扩散器裹尸布,代表一个物理值b / b2接近团结。图 10比较了模拟压力在不同高空位置测量压力接近r / r2= 1为选定的操作条件。的r / r值更高2之间没有显著性差异的结果不同知识的位置。更紧密的协议,实验结果显示增加知识的位置。特别是,它是指出,高空的值0.5或更少似乎有一个倒置的压力趋势立即impeller-diffuser接口的下游。

压力分布在不同的知识在461 Hz的质量流率1.8公斤/ s。

结果的一个关键和有趣的特性是初始压力降低立即下游的叶轮。这可以解释为与捏捏扩散器r / r2= 1.02,显示在图 11扩散半径和b, b2在叶轮出口半径。最初的减少压力图 10可以解释为流加速度由于捏扩散器。由于实验结果图的分辨率 10,它是不可能确定一个详细的图片这个地区的压力变化;然而,有一个测量头两个测压孔之间的压力下降。仿真结果显示了一个压力小的减少压力1 < r / r2< 1.02之前预期的增加剩余的扩散器,由位置大于0.75。

的扩散器的细节。

 4.3。Impeller-Diffuser接口

身体说叶轮和扩压器之间的接口发生在r / r2= 1。然而,对于造型和啮合原因下游接口通常是把一个小的距离,例如,1.025 ( 12];而且会有一个小的距离,流仍然是绑定到叶片由于粘滞效应。这意味着叶片的运动仍然是直接影响流体在一个小地区超出了刀片的几何扩展。如果接口放置太靠近叶尖然后标准网格拓扑将尝试创建网格细胞伸展,叶片,导致不可接受的网格偏态。这个接口位置的影响研究,结果如图 12在461 Hz知识距离为0.9,和1.8公斤/ s质量流率。结果确认增加的趋势精度接近叶轮出口接口放置在 12]。一定的差距必须离开为了避免啮合问题。在图中给出的模拟 8r / r2使用= 1.02。

域接口位置在高空压力分布距离为0.9,461 Hz, 1.8公斤/ s质量流率。

图 12显示界面半径的比率值为1.02的压力基本上仍不断从测压孔1到2。这与实验数据。对于界面半径比率值高于1.02这种效应并不明显。当混合参考系方法是用于一个界面半径比率值为1.02的压力是增加压力,利用1 - 2。这是由于混合参考系平均数量的网格上下立即流接口。

 4.4。压力和速度概要文件在叶轮地区

在验证计算模型的准确性在整个扩散领域,完整的压力和速度场中更详细地研究了扩压器,叶轮区域。这是如图 13, 14, 15三个速度461 Hz, 368 Hz, 322 Hz,分别为9个操作条件之前考虑。在每一个三位数的静态压力显示在左边和右边速度大小和质量流率增加从上到下。叶轮/扩散边界设置在r / r2= 1.02和0.9的结果显示在高空位置。自冻结转子模型应用于模拟,图像数据代表在扩压器流场的快照。

静压和速度大小轮廓在461赫兹。

静压(1.44千克/秒)

速度级(1.44千克/秒)

静压(1.8千克/秒)

速度级(1.8千克/秒)

静压(1.98千克/秒)

速度级(1.98千克/秒)

静压和速度大小轮廓在368赫兹。

静压(1.06千克/秒)

速度级(1.06千克/秒)

静压(1.33千克/秒)

速度级(1.33千克/秒)

静压(1.46千克/秒)

速度级(1.46千克/秒)

静压和速度大小轮廓在322赫兹。

静压(0.9千克/秒)

速度级(0.9千克/秒)

静压(1.13千克/秒)

速度级(1.13千克/秒)

静压(1.24千克/秒)

速度级(1.24千克/秒)

静压轮廓显示,压力比随质量流量和转速增加,正如前面观察图 3。此外,他们还提供细节的压力变化通过叶轮区域和细节的压力之间的压差和吸入的叶片。在数据 (13日)和 13 (c)叶片的轮廓线约加入指示压差等于轮廓带的宽度。这似乎是一致的在每个叶片的长度和是相同的主叶片和分流叶片。在图 13 (e)在叶片轮廓即将加入,但有一个小抵消指示压差增加一个小叶片在最高的质量流率。数据 14和 15也显示整个叶片压差随转速。

当比较速度轮廓级转子速度跳过冻结界面可以观察到。这一观点强调了冷冻转子和混合参考系之间的本质区别。速度“山峰”可以看到在扩散域径向向外移动和旋转的方向。如果扩散范这种不均匀性是有问题的,然而随着扩散器无叶片的这是无关紧要的。在叶轮域速度轮廓显示出“死亡”景点科里奥利的漩涡,大约1/3的叶轮域。这些都是出席的每一个旋转速度。在这些漩涡中等和高质量流率相对较小,定位略接近叶片的压力面。最低的质量流率,对于每个旋转速度,明显更大的区域。该地区在461 Hz延伸到分流叶片,以较低的速度几乎包含降低三分之一的分流叶片。

 5。结论

实验和数值方法应用于分析离心式压缩机的性能。

一般来说,CFD模型显示良好的协议与实验测量整个地区扩散。8%的最大区别在一个仿真在该地区接近顶端(r / r2< 1.2),与径向压力变化的位置往往是更少的常规和增加它的最大速度。在这个区域的大小差异与径向距离越来越近常数。一般来说,CFD低估了压力比,除了少数点靠近叶片模拟技巧。特别是,它是发现,在这种外部区域,仿真结果的准确性是特别好的接近压缩机的设计点,实验和CFD结果之间的差异小于2%。进一步从设计角度误差大,但仍小于约5%。没有注意到系统的不同参数的范围内考虑,验证模型的使用。

通常,当压缩机与CFD模拟设计或研究的目的,只有一个叶片通道与圆周均匀的假设,建模和省略蜗壳,是在这里完成的。结果表明,模拟误差增加进一步从设计操作条件性能预测。压缩机的偏离设计的操作变得更重要的是,设计工程师必须牢记这一点。等工作( 28)允许合理的预测效果的蜗壳,它减慢了提供以一种近似绝热方式流动。

传统的CFD的做法将扩散域界面尽可能靠近叶片技巧产生最精确的结果区域靠近叶片提示但在预测扩散器出口的静压。相反增加了r / r2扩散器的位置域接口叶片附近产生不准确的结果提示但复制扩散器出口的静压更准确。压力的方向的变化通过扩散器也被考虑在内。r / r2> 1.1无显著变化是观察到的位置;然而,接近叶轮出口一个小但发现显著差异。高空位置大于0.5下降的压力是观察与实验结果一致(在裹尸布的高空位置大约1)。这不是观察高空位置0.5或更低。

也提出了等高线的详细描述了速度和压力场通过叶轮和扩压器区域的9个操作条件考虑。

有验证计算模型更复杂的和详细的分析可以进行增加程度的信心,例如,例如,叶片加载、流轮廓,和检查流方法激增和窒息。

 数据可用性

实验数据收集在附近地区使用。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

数值计算了在Sciama高性能计算集群(HPC)支持的协调小组,、SEPNet,朴茨茅斯大学的。布雷特杜瓦,迈克奶油、马里亚纳Dotcheva Jovana Radulovic,和詹姆斯·m·别克要感谢InnovateUK提供金融支持这项工作通过KTP格兰特(KTP009973)。

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