基于openfoam的旋转弯曲通道内流动的数值模拟

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1、第10卷第16期2010年6月科学技术与工程Vo1．10No．16June20101671-1815(2010)16·3858—06ScienceTechnologyandEngineering@2010Sci．Tech．Engng．动力技术基于OpenFOAM的旋转弯曲通道内流动的数值模拟马玉辉田夫王晓放(大连理工大学能源与动力学院，大连116024)摘要离心式叶轮机械的叶轮通道内的流体流动受到旋转效应与曲率影响而产生强烈的二次流现象。二次流是叶轮通道内流动损失的一个原因，对离心叶轮机械的性能产生不利的影响。应用开源CFD软件OpenFOAM对旋转情况下的90。弯曲通道内的不

2、可压缩流体流场进行三维黏性数值模拟。研究了弯曲通道在不同转速下哥氏力与离心力共同作用对主流速度、二次流及压力特性的影响规律。结果表明：与静止通道相比，旋转产生的哥氏力在弯曲管段形成不对称的二次流，使通道内涡结构变得复杂；甚至在较高转速下二次流方向发生反向。关键词弯曲通道旋转二次流OpenFOAM中图法分类号TK473．8；文献标志码A旋转通道内的流动现象广泛存在于实际工程1974年Ito和Motai分析了负旋转下圆形截面应用中，如涡轮叶片内冷却通道，离心泵(压缩机)弯管内的流动，指出二次流在在一定的旋转角速度叶轮通道内的流体流动¨J。离心旋转叶轮通道中下出现反向现象]。1982

3、年Taylor采用激光多谱的流动现象非常复杂，由旋转产生的哥氏力和离心勒测速仪对90。方形截面弯管进行了系统的实验研力明显影响边界层的厚度、损失和二次流的发展，究，给出了层流和湍流两种流态下的时均速度分并且对壁面摩擦系数也有很大的影响。因此研究布，以及弯曲段壁面的压力分布等重要实验结旋转弯曲通道内的流动规律对了解离心叶轮通道果J。1989年M．T．Boyle对叶轮流道和相似的弯内流动发展与损失机理特别重要。深入研究旋转管通道进行了对比研究，指出二次流对通流流动损作用下哥氏力与离心力对湍流流动及边界层影响失的影响较大，将叶轮流道简化为弯曲通道具有一的物理机制可有利于指导离心叶片的

4、设计等工程定的合理性]。2003年HoshioTsujita等数值研究实际应用。最初，人们对弯曲通道内流的研究只限了弯曲方管道内的流动，分析了其损失机理，并将于静止情况，截面包括圆形、方形、矩形等；但是在结果应用于叶轮通道的损失机理研究。叶轮机械的实际应用中，流体通道时旋转的，这就但是这些数值计算和实验研究多局限于低转使通道内的流场更加复杂。速下的流动，或者只是着重于轴流叶轮通道的分析。然而离心叶轮叶轮通道具有更大的曲率，这是与轴流叶轮有区别的。基于以往的研究基础，本文2010年3月18日收到国家重点基础研究发展计划(973)应用开源CFD软件OpenFOAM求解旋转效应下课题

5、(2009CB724303)资助90。大曲率弯曲通道的湍流流场，并与相应直通道流第一作者简介：马玉辉(1982一)，男，河北定州人，硕士研究生，研究方向：叶轮机械内流数值计算。Email：mayhui一107@foxmal1．com。场进行对比，分析了曲率和旋转效应对流场的影响通讯作者简介：田夫(1972一)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，讲规律。师，研究方向：叶栅内流气体动力学。Email：dltian@dlut．edu．cn。16期马玉辉，等：基于OpenFOAM的旋转弯曲通道内流动的数值模拟38592．2控制方程与湍流模型1OpenFOAM简介假设流体为不可压缩流体，则旋转坐

6、标系下无量纲形式的控制方程为：OpenFOAM是开放源代码的软件，免费发行并垫Ot+警+Ro8ikOi一筹十102ui(1)可进行修改。OpenFOAM的核心是使用C++语言编写的面向对象的CFD类库，有效率很高的偏微分：0(21ai方程求解模块。其支持的流动模型有层流、基于雷式中，P为流体密度；u为流体速度向量；系统旋诺时均非常的湍流模型、LES以及DNS等；支持多转向量；为Levi—Civita符号；P为折算压力，其种软件生成的复杂网格、包括各种网格差分格式以及动态网格技术；支持SIMPLE和PISO求解器。定义式为P=P一—；，是流体微团到旋转轴OpenFOAM提供的非惯

7、性系统的求解器如的垂直距离向量。m是雷诺数，惯性力与黏性力的MRFSimpleFoam和simpleSRFFoam，可以用在旋转坐标系统(如泵等)的流体流动计算。比，即Re=，L为特征长度；。是旋转数，为哥氏力与惯性力的比，即R。：，R。数越大，哥氏2数值计算模型与计算方法力效应越大，即转速越大哥氏力影响越大。通道内2．1计算模型沿方向速度“形成了通道截面内不均衡的切向哥本文以文献[6]的试验装置为原始模型，将其氏力场。切向哥氏力可表示为：转换为90。弯曲管道，如图1所示。该装置以z轴F。=