轴向导流器局部损失实验及数值模拟研究

吕玉坤 王通/华北电力大学能源动力与机械工程学院

轴向导流器局部损失实验及数值模拟研究

吕玉坤 王通/华北电力大学能源动力与机械工程学院

0 引言

在我国西北部，高压输电线路所经地区海拔较高且全年多强风沙天气，这种环境所引起的电晕效应成为该地区超、特高压输电线路导线选型和优化必须考虑的因素，故需对高海拔沙尘天气下导线的电晕特性进行深入研究。考虑到不同海拔异地试验的需求，我校已研发了一套基于电晕笼的可移动式高海拔沙尘模拟试验系统，完成了不同海拔沙尘天气下导线电晕特性的试验研究工作[1-2]，试验系统结构如图1所示。由于缺乏轴向导流器局部损失资料，上述实验系统虽然达到了设计风速范围（5～15m/s），但设计余量15～20m/s未能实现。

图1 试验系统结构示意图

基于上述背景，拟利用本校闭式风洞系统实验获得不同开度下风机前置轴向导流器的局部损失系数，以期对兰新线动车组沙尘天气模拟系统的设计起到一定指导作用。由于兰新线动车组沙尘天气模拟系统涉及管路系统特性的确定，需利用FLUENT数值模拟软件预测此模拟系统的能量损失。因此，对本校闭式风洞中轴向导流器进行实验研究与数值模拟，以期使模拟结果与实验结果之间的误差控制在工程允许的范围内，获得运用数值模拟方法预测风沙模拟系统管路特性的可行性方法。

1 实验研究

闭式风洞实验系统如图2所示。风机前置轴向导流器如图3所示，其几何参数如表1所示。

图2 闭式风洞系统结构示意图

图3 轴向导流器

表1 轴向导流器几何参数表

1.1 高速段风速的测量

风洞试验段为矩形风道，采用靠背管多点横动法测量得到管道内风速。将风道按标准分割为n个等面积的小矩形，每个矩形中心即为一个测点，如图4所示。

图4 矩形风道测点布置示意图

高速段截面尺寸为0.75m×0.75m，根据矩形风道测点布置方法将测量截面分成4行4列共16个等面积小矩形。风道测孔布置如图5所示。风机工频运行时，通过调节导流器开度进行节流调节。对不同开度下高速段的测点结果进行处理得导流器进口的速度，结果如表2所示。

1.2 轴向导流器进出口静压的测量

实验测量方法见图6，轴向导流器处于某开度下，在风洞高速段测得平均风速υ和空气密度ρ；在轴向导流器前后0.01m处各开4个静压测孔，利用U型管测压计测定轴向导流器前后的平均静压p1、p2，结果如表2所示。然后将测得的数据代入公式（1）中可求得当前开度下轴向导流器的局部损失系数。调节导流器开度，重复上述过程，即可获得导流器在各开度下的局部损失系数，如表2所示。

图5 高速段测孔布置图

图6 轴向导流器局部损失的测定

2 数值研究

2.1 轴向导流器物理模型的建立

数值模拟以轴向导流器为计算区，采用FLUENT分别对0°（全开）、15°、30°、45°、60°、75°、90°（全关）开度下的导流器进行三维建模。开度为45°的模型如图7所示，其建模与网格划分利用GAMBIT进行[2-5]。模拟域中采用Tet/ Hybrid(四面体/混合)型网格，此类型网格主要由四面体元素组成，有些区域也采用六面体、金字塔形和楔形元素。对不同网格数的物理模型进行数值模拟，考虑网格无关性后确定45°开度时的网格数为159万。

表2 试验测定结果表

图745 °开度时的网格模型图

表3 方案一、二、三模拟结果与实验结果

2.2 湍流模型的选择

根据实验数据计算可知，导流器在各个开度下的流动均为高雷诺数湍流，标准k-ε模型有较高的稳定性、经济性和计算精度，且适合高雷诺数湍流[2]，故本文选择标准k-ε湍流模型。

2.3 边界条件的确定

根据实验数据设计数值模拟方案，对轴向导流器进行数值模拟。

方案一：速度进口，自由出流。

方案二：压力进口、压力出口，不考虑导流器内壁和叶片的粗糙度。

方案三：全压进口、静压出口，考虑导流器内壁和叶片的粗糙度。

在数值模拟结果中读取进口、出口静压差，利用公式（1）计算出局部损失系数。方案一、二、三的模拟结果如表3所示。由表3可以看出，方案一的模拟结果与实验结果相差非常大。经分析可以推断：在闭式流场中，进出口条件为压力进出口，且考虑壁面粗糙度更符合实际情况。

2.4 数值模拟与实验结果对比分析

由表3可获得三种方案导流器局部损失系数取自然对数后随导流器开度的变化规律，如图8所示。

图8 局部损失系数拟合曲线图

在图8中，将方案一与方案二进行对比可知：如果采用速度进口作为进口边界条件，即默认静压为一个标准大气压，这与实验中导流器开度较小时，导流器进口静压为负压的实际情况不符；当导流器开度较大时，导流器进口为102数量级的正压，也与大气压相差甚大。因此，在这种情况下，速度进口边界条件的设定是引起其计算误差较大的主要原因。基于这一现实，选取方案二的边界条件较为合理。将方案二与方案三进行对比可知：当导流器开度较小时，由于流体速度较大，则流体与风洞壁面及导流器叶片的摩擦损失占总能量损失的比重亦较大，如果不考虑壁面粗糙度对于压损的影响，亦将造成较大的计算误差。因此，方案三的边界条件设置更为合理。

2.5 实验数据的公式拟合

可将实验得到的导流器局部损失系数对数值随导流器开度变化的曲线拟合成多项式函数，如公式（2）所示，以期作为计算类似结构导流器局部损失系数的参考。上式中，ξ为导流器局部损失系数；α为导流器的开度，其取值范围为0°（全开）、15°、30°、45°、60°、75°、90°（全关）。

4 结论

本文以实验为依据，采用FLUENT对不同开度下轴向导流器的局部损失进行了数值模拟，对所得模拟结果与实验结果进行了对比分析，得出以下结论：

1）对闭式风洞系统风机前置轴向导流器的数值模拟，选取压力进出口并考虑粗糙度的影响，其模拟结果更接近实际。

2）风机前置轴向导流器各个开度下的局部损失系数可由公式（2）做初步估计。

3）对闭式风洞系统中风机前置轴向导流器局部损失系数进行数值模拟研究是可行的，且运用该方法可以预测风沙模拟系统的管路特性。

[1]葛则锟.沙尘天气模拟试验系统研究[D].华北电力大学硕士论文，2012.

[2]律方成，耿庆忠，朱雷，等.不同海拔下750kv输电线路导线起始电晕特性研究[J].高压电器，2013，49(9)：1-6.

[3]于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[4]Shu Xiangguo,Yao Chen.Numerical Analysis of Water-jetInlet Flow[J].IEEE,2009.

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[8]刘在伦，许霞，徐翠，等.导流器对潜水泵性能影响的数值模拟研究[J].西华大学学报，2009，28(3)：1-4．

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为确定风沙模拟系统的管路特性，利用本校闭式风洞实验系统得到了不同开度下风机前置轴向导流器的局部损失。利用FLUENT软件模拟出了不同边界条件设置方案下轴向导流器的局部损失，并将模拟结果与实验结果进行了对比分析，确定了较为合理的边界条件设置方案，获得了运用数值模拟预测风沙模拟系统管路特性的可行性方法。

轴向导流器；开度；局部损失系数；数值模拟

Experiment and Numerical Simulation of the Local Loss in Axial Guide Device

LvYukun，WangTong/NorthChina Electric Power University

axial guide device;opening; local loss coefficient；numerical simulation

TH43;TK05

A

1006-8155（2015）06-0028-04

10.16492/j.fjjs.2015.06.14103

2014-06-24河北保定071003

Abstract：Inordertodeterminethe pipelinecharacteristicsofsandstorms simulation system,the local loss coefficient of pre axial guide device of the fan under different openings has been obtained in the closed wind tunnel system.The local loss of axial guide device is simulated under differentboundaryconditionswith FLUENT software,the simulation results werecomparedwiththeexperimental results and the case of setting reasonable boundary conditions is determined.