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旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的合理控制對擴大葉輪機械安全運行范圍具有重要意義?；陔x心石家莊風(fēng)機失速發(fā)生機制的分析，提出了一種失速主動控制方法，即在靠近蝸舌的3個葉輪流道進(jìn)口處進(jìn)行噴嘴吹氣?；诠?jié)流閥模型，對實施噴嘴吹氣后離心石家莊風(fēng)機內(nèi)部的非定常流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了4個閥門開度下，離心石家莊風(fēng)機內(nèi)部不同軸向截面的相對速度矢量圖、靜壓等值線分布和聲功率級云圖。結(jié)果表明，原始石家莊風(fēng)機發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時流量為4．157 m3／s，噴嘴吹氣后失速發(fā)生時流量為3．461 m3／s，安全裕度增大11％，擴穩(wěn)效果明顯。提出的噴嘴吹氣失速控制方法對石家莊風(fēng)機的安全運行具有重要的工程價值。
數(shù)值模擬0引言旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象廣泛地存在于旋轉(zhuǎn)葉輪機械領(lǐng)域，如離心或軸流式石家莊風(fēng)機、壓縮機、泵等，是長期困擾葉輪機械的研究、設(shè)計與應(yīng)用的難題之一。旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生后，會產(chǎn)生額外的氣動載荷和氣動噪聲，嚴(yán)重時可能誘發(fā)葉片高應(yīng)力點處的疲勞和斷裂問題，且可能導(dǎo)致喘振，引起本體及連接管道的振動，造成事故隱患。因此，深入研究旋轉(zhuǎn)失速的控制方法，拓寬其穩(wěn)定工作范圍具有重要的理論意義和工程價值。失速控制主要分為被動控制與主動控制方法。失速被動控制技術(shù)，其核心思想是確保葉輪機械的工作點遠(yuǎn)離失速線，避免旋轉(zhuǎn)失速的發(fā)生。應(yīng)用比較廣泛的被動控制手段有機匣處理，在轉(zhuǎn)子葉尖區(qū)吹氣和放氣，加裝可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉等。主動控制技術(shù)的核心思想是根據(jù)反饋系統(tǒng)得到初始擾動信號的相位、大小等參數(shù)，人為附加上反向小幅值擾動，使葉輪機械能夠在原本不可能穩(wěn)定運行的工況點正常工作16。7J。Salunkhe提出了基于交叉相關(guān)性技術(shù)的主動反饋失速控制策略，并在一臺存在入口擾流情況下軸流壓氣機進(jìn)行了驗證。
Anthony發(fā)展了一種基于對稱點模式技術(shù)的軸流石家莊風(fēng)機失速先兆判定方法，其根據(jù)可視化的聲信號發(fā)展了旋轉(zhuǎn)失速警告系統(tǒng)。近年來，出現(xiàn)了一種結(jié)合主動與被動控制思想的復(fù)合控制技術(shù)，即葉尖噴氣技術(shù)。有別于被動吹氣技術(shù)的是，這種葉頂吹氣技術(shù)采用主動吹氣，如李繼超等基于前失速先兆捕捉的失穩(wěn)控制途徑，結(jié)合DsP控制器構(gòu)建擴穩(wěn)控制方案，在低速軸流壓氣機上實施了葉頂噴氣擴穩(wěn)控制，結(jié)果顯示只有壓縮機主流O．05％的噴氣量，可以觸發(fā)系統(tǒng)的非定常響應(yīng)，使失速點流量減小多達(dá)5．8％，與定常噴氣相比具有自適應(yīng)的優(yōu)勢。童志劇對軸流壓縮機內(nèi)葉尖泄漏渦、失速先兆、葉尖微噴氣的非定常關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了試驗研究。以上研究表明失速主動控制技術(shù)方面已經(jīng)取得了大量的成果，但目前旋轉(zhuǎn)失速的控制研究主要集中于軸流式葉輪機械，由于結(jié)構(gòu)的差異和機制的不同，對離心式葉輪機械的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象進(jìn)行主動控制實施起來比較困難。作者前期的研究結(jié)果表明蝸舌對離心石家莊風(fēng)機失速先兆的發(fā)生具有重要影響。本文提出了在靠近蝸舌的3個葉輪流道入口前設(shè)置噴嘴組，在失速先兆發(fā)生前向葉輪內(nèi)部吹氣，研究不同閥門開度下，葉輪內(nèi)部的流場動力學(xué)特征和噪聲特性，并分析噴嘴吹氣對石家莊風(fēng)機的擴穩(wěn)效果。
1數(shù)值模擬方法
1．1 幾何模型以G洱一73No．8D型離心通石家莊風(fēng)機為研究對象，其主要結(jié)構(gòu)包括進(jìn)風(fēng)口、集流器、旋轉(zhuǎn)葉輪、矩形截面蝸殼和出風(fēng)口。為了減小進(jìn)出口邊界上不真實反射對石家莊風(fēng)機內(nèi)部流場計算結(jié)果的不良影響，根據(jù)實際情況在石家莊風(fēng)機進(jìn)出口分別加上2．6 m的管道。噴嘴布置在葉輪流道入口接近前盤區(qū)域，靠近蝸舌的3個流道內(nèi)，噴嘴直徑為1 cm，如圖1所示。采用G跏出it軟件建立幾何模型，網(wǎng)格總數(shù)約300萬。為便于分析，本文之后提到的葉輪與蝸舌相對位置均與此圖對應(yīng)。
1．2控制方程及邊界條件控制方程包括連續(xù)性方程、非穩(wěn)態(tài)雷諾時均Navier-‰kes方程，以及補充的適用于旋轉(zhuǎn)流動、流動分離、二次流等問題的Realizable知驥型。石家莊風(fēng)機進(jìn)口為壓力進(jìn)口邊界條件，設(shè)定進(jìn)口總壓，氣流方向角為軸向進(jìn)氣；石家莊風(fēng)機出口為壓力出口邊界條件，設(shè)定出口靜壓，定常計算給定具體靜壓值，非定常計算加上節(jié)流閥模型【11，采用UDF函數(shù)實現(xiàn)每一時間步的迭代。非定常計算的物理時間步長為1．725×1曠s。葉輪選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)速為1 450 r／Inin，采用滑移網(wǎng)格模型耦合旋轉(zhuǎn)和靜止區(qū)域。壁面附近采用加強壁面函數(shù)法，對流項和擴散項分別采用二階迎風(fēng)差分和中心差分格式進(jìn)行離散。