重型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)分析

劉海旭，張春梅，王輝，姜斌

（1.哈電發(fā)電設(shè)備工程研究中心有限公司，哈爾濱150046；2.哈爾濱工程大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，哈爾濱150000）

0 引言

重型燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括防冰裝置、空氣過濾器、消音器、進(jìn)氣蝸殼等部件[1]。通常除濕防冰裝置布置在進(jìn)氣系統(tǒng)的最前側(cè)，可以有效預(yù)防下游的過濾器結(jié)霜、結(jié)冰堵塞通道；為了保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行，需要保持進(jìn)入機(jī)組的空氣清潔，在除冰裝置下游安裝三級(jí)過濾器；同時(shí)為了降低機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲，過濾系統(tǒng)后方收縮段處還需要安裝消聲器。進(jìn)氣系統(tǒng)總壓損失除了來源于過濾器、消聲器外，主要是進(jìn)氣系統(tǒng)流道帶來的損失[2-4]。因此流道的設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。

本文以某重型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)流道為研究對(duì)象，數(shù)值研究重型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣道內(nèi)部復(fù)雜的三維流場(chǎng)，分別針對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)彎頭前側(cè)、真實(shí)環(huán)境下罩殼對(duì)流場(chǎng)的影響及進(jìn)氣蝸殼內(nèi)部的損失分布進(jìn)行模擬，給出了進(jìn)氣道內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值結(jié)果，為進(jìn)氣系統(tǒng)流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 研究對(duì)象與數(shù)值方法

某型燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)分為兩部分：一部分為進(jìn)氣道，由防雨棚、過濾室、收縮段和彎頭組成，如圖1所示，其內(nèi)部的防冰裝置、空氣過濾器和消音器未包含在內(nèi)；另一部分為進(jìn)氣蝸殼，將來流空氣由徑向轉(zhuǎn)為軸向，內(nèi)部中心面上下分別有1個(gè)擋板對(duì)來流空氣進(jìn)行分流，如圖2所示。

圖1 進(jìn)氣道

圖2 進(jìn)氣蝸殼

2個(gè)模型進(jìn)口邊界均給定總溫（288 K）、總壓（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），出口邊界設(shè)為流量出口，壁面選用絕熱無滑移邊界條件，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型。控制方程應(yīng)用有限體積法進(jìn)行離散，二階迎風(fēng)格式，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。隱式求解器選用壓力修正法中的SIMPLE算法，空間離散選用二階精度迎風(fēng)差分格式。

采用混合網(wǎng)格，附面層局部加密，確保固壁的無量綱網(wǎng)格y+小于10。為了確認(rèn)模型的網(wǎng)格無關(guān)性，對(duì)進(jìn)氣道和進(jìn)氣蝸殼進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試，最終選定模型網(wǎng)格為150 W。

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)氣道內(nèi)部流場(chǎng)分析

圖3為整個(gè)計(jì)算域流場(chǎng)速度流線分布示意圖，其中5個(gè)截面速度云圖依次對(duì)應(yīng)進(jìn)口、收縮段前、收縮段后、彎頭前、出口。可以看出，整個(gè)流場(chǎng)的速度分布可以分為3個(gè)部分：第一部分為低速區(qū)，即進(jìn)口到收縮段前，這部分氣流速度約為3～5 m/s（截面平均速度）；第二部分為加速區(qū)，即收縮段，由于截面積突然減小，相當(dāng)于突縮噴管，伴隨著速度突然增大，氣流速度迅速增加到15 m/s；第三部分為導(dǎo)流段，氣流在彎頭處速度也略有增加，出口處達(dá)到22 m/s。

圖4為中間截面總壓、速度云圖。從速度云圖中也可以看到氣流整個(gè)加速過程，但是在收縮段后靠近上壁面處有較大范圍的低速區(qū)，對(duì)應(yīng)總壓云圖，相同的位置總壓損失也較大，在彎頭內(nèi)壁處由于氣流強(qiáng)行轉(zhuǎn)折90°，總壓損失也較大。

圖3 進(jìn)氣道速度流線

圖4 中間截面流場(chǎng)

2.2 罩殼對(duì)進(jìn)氣道影響分析

燃?xì)廨啓C(jī)空氣的進(jìn)氣口為進(jìn)氣系統(tǒng)防雨罩處，運(yùn)行過程中為了避免進(jìn)入燃機(jī)的空氣受到影響，在進(jìn)氣口附近必須預(yù)留出一定的空間，保證進(jìn)口參數(shù)不受到干擾。為了模擬真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，本文在進(jìn)氣系統(tǒng)前側(cè)增加了一個(gè)虛擬的進(jìn)氣罩。計(jì)算結(jié)果如表1所示，設(shè)置進(jìn)氣罩后總壓損失由原來的45 Pa增至88 Pa，損失主要增加部位并不局限于進(jìn)氣道前端，彎頭后也有一定程度的增加。

圖5、圖6分別為進(jìn)氣道的速度流線和中間截面總壓云圖，實(shí)際運(yùn)行中，空氣從各個(gè)方向通過防雨罩進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，與未加進(jìn)氣罩模型相比流動(dòng)是無規(guī)則、混亂的。從總壓云圖看，由于進(jìn)氣罩附近速度非常小，其本身增加的損失很小，增大的損失主要來源于收縮段和彎頭部位。

表1 總壓損失對(duì)比 Pa

圖5 速度流線

圖6 中間截面總壓云圖

2.3 進(jìn)氣蝸殼流場(chǎng)分析

進(jìn)氣蝸殼與收縮噴管共同構(gòu)成燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的流道，具有徑向進(jìn)氣、軸向排氣的非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使氣流在進(jìn)入壓氣機(jī)之前由徑向過渡到軸向產(chǎn)生90°轉(zhuǎn)折，會(huì)產(chǎn)生一定的流動(dòng)損失，本文進(jìn)氣蝸殼的總壓損失為238 Pa。

圖7為進(jìn)氣蝸殼內(nèi)部速度流線分布，從總體上看進(jìn)口流場(chǎng)分布較均勻，在上半部擋板處氣流分為2個(gè)對(duì)稱部分，流體直接由徑向轉(zhuǎn)為軸向并順利進(jìn)入收縮噴管，或繼續(xù)向下進(jìn)入蝸殼底部，在遭遇底部擋板后，氣流先由底部向上翻轉(zhuǎn)，然后亦轉(zhuǎn)為軸向并進(jìn)入收縮噴管。由于噴管截面積逐漸減小，它們?cè)趪姽軆?nèi)部速度逐漸增大。

為了更直觀地反映氣流的走向，圖8給出了中分面偏移一定距離截面上的速度流線。氣流在進(jìn)入環(huán)形收縮噴管前分布比較均勻，進(jìn)入噴管后加速，但上半部與下半部的加速情況有所不同。在進(jìn)氣道的上半部，氣流順利進(jìn)入收縮噴管，由徑向轉(zhuǎn)為軸向；而在進(jìn)氣道的下半部，氣流先沿著蝸殼進(jìn)入底部，氣流撞上底部擋板后向上翻滾，隨后轉(zhuǎn)為軸向并進(jìn)入收縮噴管。對(duì)比上下兩部分氣流，很明顯上半部氣流加速過程更順暢，速度稍大于下半部。

圖9為進(jìn)氣蝸殼底部表面流線，氣流在進(jìn)氣道的下半部靠近噴管一側(cè)壁面附近有一對(duì)旋渦生成，由于蝸殼底部有2°的傾角，這對(duì)渦并不是完全的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且這對(duì)渦僅存在于進(jìn)氣蝸殼底部與噴管相鄰的壁面處，覆蓋范圍較小。

圖7 進(jìn)氣蝸殼內(nèi)部速度流線

圖8 中分面附近截面速度流線

圖9 蝸殼底部截面流線

為了進(jìn)一步了解進(jìn)氣蝸殼內(nèi)部流動(dòng)情況，選取4個(gè)截面，如圖10所示，沿著氣流走向依次為截面A、B、C、D。截面A位于進(jìn)氣蝸殼入口處，截面B位于收縮噴管入口，截面C近收縮噴管出口處，截面D距離收縮噴管出口1 m處。

圖10 進(jìn)氣蝸殼內(nèi)部截面

圖11分別為截面A、B、C、D馬赫數(shù)云圖和表面極限流線圖。截面A中表面流線分布較均勻，未出現(xiàn)大的分離。從馬赫數(shù)云圖中可以看出，進(jìn)氣蝸殼大部分區(qū)域馬赫數(shù)都在0.07附近，在靠近收縮噴管處，氣流逐漸加速，馬赫數(shù)達(dá)到0.15。在進(jìn)氣聯(lián)箱底部對(duì)稱存在2個(gè)低馬赫數(shù)區(qū)域，說明在底部端壁區(qū)域有一對(duì)旋渦生成。

圖11 馬赫數(shù)云圖和表面極限流線

截面B、C分別位于收縮噴管入口和出口處，速度流線分布較均勻，僅在收縮噴管內(nèi)環(huán)壁處有一些轉(zhuǎn)向。從馬赫數(shù)分布來看，截面B是上部大于下部，且由上到下是逐漸減小的。截面C整體上是上部大于下部，且在靠近內(nèi)環(huán)壁處的馬赫數(shù)小于外環(huán)壁附近的值，對(duì)比截面D噴管內(nèi)環(huán)壁處有一對(duì)旋渦，在形式上與圓柱繞流中產(chǎn)生的旋渦類似[5]。從截面B到截面C再到截面D，可以觀察到內(nèi)環(huán)壁旋渦的演化過程。本文研究的進(jìn)氣蝸殼幾何模型較實(shí)際尺寸長，實(shí)際上截面C處是原始進(jìn)氣蝸殼出口，因此原進(jìn)氣蝸殼收縮噴管處不存在分離旋渦。但可以確定的是，收縮噴管軸向長度越長，越容易形成二次流旋渦。

3 結(jié)論

本文以某重型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，依次分析了進(jìn)氣道及其設(shè)置進(jìn)氣罩后的總壓損失分布和進(jìn)氣蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)特性，結(jié)論如下：

1）進(jìn)氣系統(tǒng)總壓損失較大的區(qū)域集中在收縮段后靠近上壁面、彎頭靠近內(nèi)壁面處和收縮噴管處。前兩種主要是氣流折轉(zhuǎn)過渡造成一定的總壓損失，進(jìn)氣蝸殼內(nèi)部除了折轉(zhuǎn)90°外，還有截面收縮氣流加速過程，是最大的損失源。

2）進(jìn)氣系統(tǒng)增加罩殼后，進(jìn)口處的流線是無規(guī)則、混亂的，罩殼本身增加的損失很小，增大的損失主要來源于收縮段和彎頭部位。

3）在進(jìn)氣蝸殼底部靠近壁面處會(huì)形成一對(duì)分離渦，由此產(chǎn)生的損失是不可避免的。整個(gè)進(jìn)氣蝸殼凡是有轉(zhuǎn)折角的位置都會(huì)形成低馬赫數(shù)區(qū)域，這些位置都是分離渦潛在的發(fā)生區(qū)域。

4）進(jìn)氣蝸殼主要加速區(qū)域位于收縮噴管內(nèi)部，且上半部馬赫數(shù)大于下半部。若收縮噴管軸向長度足夠長，會(huì)在內(nèi)環(huán)壁處形成一對(duì)旋渦，使壓氣機(jī)進(jìn)口周向不均勻性增加。因此，進(jìn)氣蝸殼出口處的軸流段不宜設(shè)計(jì)過長。