曲板渦輪模型及Fluent模擬

王宇萌，于忠臣，孫偉楠，王達新

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

過濾是油田污水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其濾料再生效能的好壞對過濾效果有直接影響[1-2]。針對現(xiàn)有核桃殼濾床反沖洗技術(shù)中存在的問題，開發(fā)出一種軸向動態(tài)反沖洗技術(shù)[3-6]。核心是基于重力場和旋流場耦合的復(fù)合場反沖洗技術(shù)，為解決濾料反沖洗再生提供一種新方法。技術(shù)關(guān)鍵是構(gòu)造具有良好流體力學(xué)性能的軸向渦輪，研究翼型渦輪的水動力學(xué)特性對于反沖洗效能的研究具有指導(dǎo)意義。研究利用翼型理論和曲面方程構(gòu)建渦輪翼型葉片方程，并基于葉柵理論建立組合多維葉片渦輪模型。分析渦輪場分布規(guī)律，探討壓能場和速度場分布以及流場耦合規(guī)律。

1 渦輪葉片曲面建立

渦輪葉片曲面是一條與圓柱面相交，且與該圓柱面在交點處的法線保持一定交角的任意曲線，沿著圓柱面上一條光滑曲線連續(xù)運動所形成的曲面[7]。

始終與圓柱軸線正交的直線，在圓柱面上運動軌跡可以是螺旋和橢圓等，成為正交直母線。同軸圓柱上以r1和r2正交直線在圓柱面上運動所形成的曲面，為正交直母線葉片(r1和r2為葉片內(nèi)、外半徑半徑)。內(nèi)外圓柱面與該曲面的交線稱為葉片的內(nèi)外準(zhǔn)線。由于圓柱面是可展曲面，故葉片準(zhǔn)線方程可以用圓柱面的展開平面上的函數(shù)關(guān)系來表示，通常以內(nèi)準(zhǔn)線方程作為計算的基礎(chǔ)[8]。其關(guān)系是葉片出口角β，葉片包角φ，葉片內(nèi)半徑r1及葉片高度h的函數(shù)。

2 渦輪模型及分析

曲板葉片為正交直母線葉片，是由一條直線沿內(nèi)準(zhǔn)線連續(xù)運動建立的空間曲面，是與圓柱軸線相交成直角的直線沿圓柱面內(nèi)準(zhǔn)線運動的軌跡，被內(nèi)外準(zhǔn)線同心圓柱所截的部分所構(gòu)成，與正螺旋面類似[9-10]。

2.1 渦輪三維建模

葉片曲面依據(jù)葉片準(zhǔn)線方程采用自下而上的建模方式，遵循“點-線-面”幾何生成方法[11-12]。葉片厚度設(shè)置為2mm，葉片內(nèi)準(zhǔn)線出口角β1=30°，外準(zhǔn)線出口角β2=18°。葉片內(nèi)半徑r1=20 mm，外半徑r2=50 mm。渦輪采用3個葉片型式，渦輪輪轂為圓柱體，高度為50mm。曲板渦輪的準(zhǔn)線和三維模圖如圖1所示。

圖1 曲板渦輪渦輪模型圖

2.2 渦輪流場邊界及網(wǎng)格劃分

圖2 曲板葉片渦輪流場模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

渦輪流場邊界由渦輪和圓柱輪廓構(gòu)成，圓柱輪廓包括進水單元、渦輪單元和出水單元所組成。輪廓區(qū)域為Φ100×250mm，其中曲板渦輪高為50mm。

本研究是由渦輪提供動力建立受控旋轉(zhuǎn)流場，需要給定渦輪旋轉(zhuǎn)速度條件，研究利用動網(wǎng)格來處理。分別定義進水單元、渦輪單元定義和出水單元，并進行網(wǎng)格劃分，最后利用Merge命令生成整體網(wǎng)格。其好處是在FLUENT模擬時，可以設(shè)置渦輪旋轉(zhuǎn)速度大小。渦輪及邊界網(wǎng)格如圖2所示。

3 曲板渦輪流場模擬

3.1 壓力場分布

研究選取葉片表面、葉片進出口斷面及模型工作斷面，建立其壓力分布云圖，如圖3所示。

圖3 壓力分布云圖

從圖中可以看出，渦輪底部流場呈現(xiàn)負(fù)壓，上部流場呈現(xiàn)正壓，葉片上表面壓力高，液流出渦輪后壓力場較穩(wěn)定。渦輪做功前后流場壓力變化較大。

以渦輪中心面為基點，建立與軸平行的監(jiān)測線，分析沿檢測線的壓力變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 軸向壓力分布

從圖中可以看出，沿檢測線壓力呈分段梯度增大，葉背微負(fù)壓葉面正壓。葉間壓力波動較小、流出葉片后壓力穩(wěn)定，渦輪軸向壓力變化值為9kPa。

以輪軸為中心點，建立葉片出口基準(zhǔn)面，分析通過中心點壓力檢測線壓力分布規(guī)律，如圖5所示。

圖5 渦輪出口處徑向壓力分布圖

從圖中可以看出，沿檢測線壓力呈現(xiàn)兩階分布趨勢，隨著葉片形心圓半徑增大壓力呈現(xiàn)梯度增加，但其壓力差變化幅度減小。說明曲板渦輪上部壓力分布徑向變化較小，渦輪組織流場能力較強。

3.2 速度場分布

研究選取葉片進出口斷面及才，建立其速度分布云圖，如圖6所示。

從圖中可以看出，輪間速度分布較為均勻，在葉片出口斷面速度達到最大值，模型工作斷面處速度場分布基本穩(wěn)定，速度無明顯增加。

以渦輪中心面為基點，建立與軸平行的監(jiān)測線，分析沿檢測線的切向速度變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 流場切向速度分布圖

從圖可以看出，速度分布在葉片出口截面處達到最大值，其速度值為2.0 m/s，在模型工作斷面速度分布較穩(wěn)定。

以輪軸為中心點，建立葉片出口基準(zhǔn)面，分析通過中心點檢測線的切向速度分布規(guī)律，如圖8所示。

從圖中可以看出，沿徑向隨半徑增大切向速度增大，呈現(xiàn)準(zhǔn)線性分不規(guī)律。徑向切速度最大值2.5m/s。

圖8 沿徑向切速度分布圖

3.3 葉片表面壓力分布和流體跡線

3.3.1 葉片表面壓力分布

通過葉片表面的壓力等值線分布，可以分析流體在葉面流動及其發(fā)展?fàn)顩r，渦輪葉片表面壓力分布如圖9所示。

圖9 葉片表面壓力分布云圖

圖中可以看出，曲板葉面壓力分布集中、相對均勻，呈中心對稱結(jié)構(gòu)。而平板葉面壓力分布松散、不均勻，葉面存在正壓和負(fù)壓共存現(xiàn)象。

3.3.2 流體跡線對比分析

流場內(nèi)流體運動軌跡是場作用下液流運動的空間曲線，可以直觀地反應(yīng)流場的分布情況、液流與葉片間相互作用關(guān)系[13]。曲板渦輪流動運動跡線如圖10所示。

圖10 曲板渦輪流動跡線云圖

4 結(jié)論

通過曲板渦輪速度和壓力場分布及流場耦合規(guī)律分布模擬分析得到以下結(jié)論：

(1)曲板渦輪具有較均勻的流場壓力分布，其表面壓力梯度明顯，葉片幾何形心處壓力分布集中，其軸向壓力沿檢測線壓力呈分段梯度增大，徑向壓力沿檢測線徑向距離增加而增大。

(2)渦輪流場速度在葉片出口斷面速度達到最大值，沿流動方向遞減，同一斷面處速度沿徑向增加。

(3)曲板渦輪切速度沿半徑增加，速度梯度明顯。