雷诺数对离心压气机性能影响的研究

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近年来,微型涡轮发动机得到了航空航天、能源动力等有关领域的高度重视。高转速离心压气机作为微型涡轮发动机的核心部件之一,其性能状况至关重要。压气机在高空低雷诺数条件下工作时,由于气体的密度和温度较低,粘性力作用加强,会使得流道内的流动情况迅速恶化,从而影响其性能。因此,有必要研究雷诺数对流道内流场结构的影响,为设计不同雷诺数下高性能的离心压气机提供理论基础。本文针对某型离心压气机,利用CFX软件进行数值模拟。首先假定流动为全湍流,对单流道内部流动情况计算,得出不同雷诺数时离心压气机的工作特性线;其次,考虑蜗壳的影响对全通道流动进行计算,将得到的总性能参数与单流道计算结果相比较,并对压气机工作于近喘点、最高效率点和近堵塞点时的流动特性做了深入研究和分析;最后,考虑附面层内流动形式存在由层流向湍流的转捩情况,引入转捩模型对单流道流动状况进行计算和分析,并与全湍流模型的单流道计算结果进行了对比。研究结果表明,随着雷诺数的下降,离心压气机的效率明显降低。其工作高度为20km时的最高效率与地面状态相比,单流道全湍流模型计算时下降了约9%;全通道全湍流模型计算结果降低了10%;引入转捩模型后,单流道效率下降了8%左右。低雷诺数下,二次流损失、叶型损失等都会明显增加,气流的分离位置提前,分离区扩大,高熵增区增加,流道内还存在气流的再附、转捩以及逆转捩等复杂现象,近喘振点和近堵塞点工况处的流动情况更加恶劣,稳定工作范围显著减小,变工况性能受到影响。全通道计算时,由于蜗壳损失的影响,压气机稳定工作范围比单通道计算结果小,且工作于不同高度下最高效率值比单通道低6%左右。引入转捩模型后得到的结果为雷诺数越低,压气机效率下降越快,而且下降是非线性的。
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