曲板涡轮模型及Fluent模拟

王宇萌，于忠臣，孙伟楠，王达新

(东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318)

过滤是油田污水处理的关键环节，其滤料再生效能的好坏对过滤效果有直接影响[1-2]。针对现有核桃壳滤床反冲洗技术中存在的问题，开发出一种轴向动态反冲洗技术[3-6]。核心是基于重力场和旋流场耦合的复合场反冲洗技术，为解决滤料反冲洗再生提供一种新方法。技术关键是构造具有良好流体力学性能的轴向涡轮，研究翼型涡轮的水动力学特性对于反冲洗效能的研究具有指导意义。研究利用翼型理论和曲面方程构建涡轮翼型叶片方程，并基于叶栅理论建立组合多维叶片涡轮模型。分析涡轮场分布规律，探讨压能场和速度场分布以及流场耦合规律。

1 涡轮叶片曲面建立

涡轮叶片曲面是一条与圆柱面相交，且与该圆柱面在交点处的法线保持一定交角的任意曲线，沿着圆柱面上一条光滑曲线连续运动所形成的曲面[7]。

始终与圆柱轴线正交的直线，在圆柱面上运动轨迹可以是螺旋和椭圆等，成为正交直母线。同轴圆柱上以r1和r2正交直线在圆柱面上运动所形成的曲面，为正交直母线叶片(r1和r2为叶片内、外半径半径)。内外圆柱面与该曲面的交线称为叶片的内外准线。由于圆柱面是可展曲面，故叶片准线方程可以用圆柱面的展开平面上的函数关系来表示，通常以内准线方程作为计算的基础[8]。其关系是叶片出口角β，叶片包角φ，叶片内半径r1及叶片高度h的函数。

2 涡轮模型及分析

曲板叶片为正交直母线叶片，是由一条直线沿内准线连续运动建立的空间曲面，是与圆柱轴线相交成直角的直线沿圆柱面内准线运动的轨迹，被内外准线同心圆柱所截的部分所构成，与正螺旋面类似[9-10]。

2.1 涡轮三维建模

叶片曲面依据叶片准线方程采用自下而上的建模方式，遵循“点-线-面”几何生成方法[11-12]。叶片厚度设置为2mm，叶片内准线出口角β1=30°，外准线出口角β2=18°。叶片内半径r1=20 mm，外半径r2=50 mm。涡轮采用3个叶片型式，涡轮轮毂为圆柱体，高度为50mm。曲板涡轮的准线和三维模图如图1所示。

图1 曲板涡轮涡轮模型图

2.2 涡轮流场边界及网格划分

图2 曲板叶片涡轮流场模型及网格结构

涡轮流场边界由涡轮和圆柱轮廓构成，圆柱轮廓包括进水单元、涡轮单元和出水单元所组成。轮廓区域为Φ100×250mm，其中曲板涡轮高为50mm。

本研究是由涡轮提供动力建立受控旋转流场，需要给定涡轮旋转速度条件，研究利用动网格来处理。分别定义进水单元、涡轮单元定义和出水单元，并进行网格划分，最后利用Merge命令生成整体网格。其好处是在FLUENT模拟时，可以设置涡轮旋转速度大小。涡轮及边界网格如图2所示。

3 曲板涡轮流场模拟

3.1 压力场分布

研究选取叶片表面、叶片进出口断面及模型工作断面，建立其压力分布云图，如图3所示。

图3 压力分布云图

从图中可以看出，涡轮底部流场呈现负压，上部流场呈现正压，叶片上表面压力高，液流出涡轮后压力场较稳定。涡轮做功前后流场压力变化较大。

以涡轮中心面为基点，建立与轴平行的监测线，分析沿检测线的压力变化规律，如图4所示。

图4 轴向压力分布

从图中可以看出，沿检测线压力呈分段梯度增大，叶背微负压叶面正压。叶间压力波动较小、流出叶片后压力稳定，涡轮轴向压力变化值为9kPa。

以轮轴为中心点，建立叶片出口基准面，分析通过中心点压力检测线压力分布规律，如图5所示。

图5 涡轮出口处径向压力分布图

从图中可以看出，沿检测线压力呈现两阶分布趋势，随着叶片形心圆半径增大压力呈现梯度增加，但其压力差变化幅度减小。说明曲板涡轮上部压力分布径向变化较小，涡轮组织流场能力较强。

3.2 速度场分布

研究选取叶片进出口断面及才，建立其速度分布云图，如图6所示。

从图中可以看出，轮间速度分布较为均匀，在叶片出口断面速度达到最大值，模型工作断面处速度场分布基本稳定，速度无明显增加。

以涡轮中心面为基点，建立与轴平行的监测线，分析沿检测线的切向速度变化规律，如图7所示。

图7 流场切向速度分布图

从图可以看出，速度分布在叶片出口截面处达到最大值，其速度值为2.0 m/s，在模型工作断面速度分布较稳定。

以轮轴为中心点，建立叶片出口基准面，分析通过中心点检测线的切向速度分布规律，如图8所示。

从图中可以看出，沿径向随半径增大切向速度增大，呈现准线性分不规律。径向切速度最大值2.5m/s。

图8 沿径向切速度分布图

3.3 叶片表面压力分布和流体迹线

3.3.1 叶片表面压力分布

通过叶片表面的压力等值线分布，可以分析流体在叶面流动及其发展状况，涡轮叶片表面压力分布如图9所示。

图9 叶片表面压力分布云图

图中可以看出，曲板叶面压力分布集中、相对均匀，呈中心对称结构。而平板叶面压力分布松散、不均匀，叶面存在正压和负压共存现象。

3.3.2 流体迹线对比分析

流场内流体运动轨迹是场作用下液流运动的空间曲线，可以直观地反应流场的分布情况、液流与叶片间相互作用关系[13]。曲板涡轮流动运动迹线如图10所示。

图10 曲板涡轮流动迹线云图

4 结论

通过曲板涡轮速度和压力场分布及流场耦合规律分布模拟分析得到以下结论：

(1)曲板涡轮具有较均匀的流场压力分布，其表面压力梯度明显，叶片几何形心处压力分布集中，其轴向压力沿检测线压力呈分段梯度增大，径向压力沿检测线径向距离增加而增大。

(2)涡轮流场速度在叶片出口断面速度达到最大值，沿流动方向递减，同一断面处速度沿径向增加。

(3)曲板涡轮切速度沿半径增加，速度梯度明显。