關鍵技術：滑移網格、DPM、分步計算、沖蝕模擬、建立葉輪拓撲結構及其中徑截面、顯示顆粒特性、

煙氣輪機是一種典型的透平機械，通過高溫高壓氣煙氣帶動動葉旋轉而對外做功，但煙氣中的催化劑顆粒會對動葉片造成嚴重的沖蝕磨損。現對該現象進行數值模擬研究，對該模型分析如下：

本研究為三維、瞬態問題，煙氣為高溫高壓氣體混合物，主要組份為N₂、CO₂、過熱水蒸氣、O₂、SO₂，視其為可壓縮理想氣體。高溫煙氣在煙機內的湍流流動雷諾數較高，故采用標準 k-ε湍流模型考察。動靜葉之間通過滑移網格實現相互運動，動靜葉流道內的數據通過交界面interface傳遞。煙氣中的催化劑顆粒主要受慣性力、氣相曳力、saffman升力的作用，其他力可忽略不計。由于催化劑顆粒極小很容易受到氣體湍流擴散的影響，故采用隨機漫步模型。

靜葉入口設置氣相壓力為0.31MPa、靜壓0.3Mpa,總溫665℃；動葉出口設置壓力0.108Mpa；動葉轉速為5817r/min。假定顆粒隨氣流從靜葉入口均勻入射，流量為7.5×10^-5Kg/s,氣相進出口設置為逃逸邊界條件，動葉壁面為反射邊界條件。

一、準備軟件工具：gambit2.2.30、fluent6.3.26。

二、前處理：

  由于篇幅限制，暫不對這部分進行介紹，其結果如圖2.1所示；

圖2.1

三、連續相求解：

1、啟動fluent:雙擊啟動fluent，選擇3d，點擊run，如圖3.1，進入操作界面，如圖3.2；

圖3.1

圖3.2

   2、讀入模型文件：點擊file→read→case，選擇F盤123文件yanqilunji.msh，將網格文件導入fluent中；

   3、檢查網格：點擊grid→check，觀察最小體網格單元體積是否為負值，若為負值說明網格失敗需要重新劃分；

4、尺度轉化：點擊點擊grid→scale，在grid was created in后面的方框中選擇mm，點擊scale→close，如圖3.3所示；點擊define→units，將角度單位設為rpm，如圖3.4；

圖3.3

圖3.4

5、設置求解器：點擊define→models→solver，由于煙氣為可壓縮氣體故solver選擇density based（在高版本中為coupled），為提高計算效率formulation選擇implicit求解，time選擇unsteady，點擊OK，如圖3.5；湍流模型保持軟件默認；

圖3.5

6、設置煙氣組份：點擊define→models→species→transport&reaction→species transport，number of volumtric species后的方框中輸入5（即5種組份），點擊OK，如圖3.6；

圖3.6

點擊define→materials，點擊fluent database，選擇material type下fluid，選擇SO₂，點擊Copy，如圖3.7；

圖3.7

在material 下name中輸入yanqi，material type中選擇mixture，點擊mixture species后edit，選擇5種煙氣組份，點擊OK，如圖3.8，選擇Yes，在density中選擇ideal-gas，點擊change/create，如圖3.9；

圖3.8

圖3.9

7、定義操作壓力：點擊define→operation conditions，輸入操作壓力為0，有利于收斂，如圖3.10；

圖3.10

8、定義邊界條件：點擊define→boundary conditions

（1）區域設置：點擊dongliuyu→set，在motion下設置旋轉軸方向為1,0,0，motion type選擇moving mesh，旋轉速度設為5817r/min，點擊OK，如圖3.11，同樣點擊jingliuyu→set，設置旋轉軸方向為1,0,0，motion type為stationary；

圖3.11

（2）壓力入口：點擊jinginlet→set，在momentum下分別輸入總壓310000Pa、表壓300000Pa，在thermal下輸入總溫938K，在species下分別輸入各項組份，點擊OK；

 

（3）壓力出口：點擊outlet→set，在momentum下輸入壓力108000Pa、勾選radial equilibrium pressure distribution，在species下分別輸入各項組份，點擊OK；

（4）定義動葉壁面條件：點擊pressure→set，在momentum下勾選moving wall，rotational，輸入旋轉軸方向1,0,0，點擊OK，如圖3.12，然后點擊copy，在from zone中選擇pressure，在to zones中選擇suction，點擊copy，點擊OK確認；

圖3.12

注意：該模型中出入口壓差和溫差較大、轉速較高，可采用多步計算，即逐步遞增的方法將各參數慢慢逼近真實值，這樣有利于收斂；

9、定義grid interface：點擊：define→grid interface，在grid interface下輸入inerface（相當于命名），在interface zone 1下選擇jinout，在interface zone 2下選擇inlet，勾選periodic，點擊create，如圖3.13；

圖3.13

10、求解控制：保持軟件默認狀態（為利于收斂可調小松弛因子）；

11、初始化：點擊solve→initialize→initialize，compute from下選取jinginlet，點擊init；

12、設置監控窗口：（1）殘差曲線：點擊solve→monitor→residual monitors，勾選plot點擊OK，如圖3.14；

圖3.14

（2）質量監控：點擊solve→monitor→surface monitors，在surface monitors輸入2，點擊monitor1和monitor2后點擊plot，點擊monitor1后面define，在report type下選擇mass flow rate，在X axis下選擇flow time，surface下選擇jinginlet，點擊OK，如圖3.15，monitor2 進行相同操作，選取surface為outlet，點擊OK；

圖3.15

13、迭代設置:點擊solve→iterate，在time step size中輸入0.0000287（60÷轉速÷360，相當于轉1°的時間），nuber of time steps中輸入720，點擊iterate，如圖3.16；

圖3.16

14、當殘差曲線、質量監控曲線都周期性震蕩，且出入口質量基本相等時可認為計算收斂。

四、離散相求解：

1、點擊define→models→discrete phase，勾選interaction with continuous phase，在tracking parameters下輸入Max number of steps為，drag parameters下drag law選擇為stokes-cunningham，如圖4.1；

 

圖4.1

2、在physical models下勾選saffman lift force和erosion/accretion，如圖4.2；

圖4.2

3、點擊injections→creat，進入set injections properties界面，在injection type下選擇surface，在release from surfaces下選擇jinginlet，material下選擇ash，diameter distribution下選擇rosin-rammler，X-velocity下輸入計算得到的氣相速度，temperature輸入氣體溫度，stop time輸入1，total flow rate輸入7.5×10^-5Kg/s，max diameter輸入0.00003m，mean diameter輸入0.0000075m，如圖4.3；

 

圖4.3

4、在turbulent dispersion下勾選discrete random walk model，點擊OK；

5、設置邊界條件壁面反射條件：點擊define→boundary conditions→pressure→set，設置法向和切向恢復系數為0.5，入射界函數選擇piecewise-linear，分別定義為（0°，0）、（30°，1）、（45°，0.75）、（90°、0.45），直徑函數為1.8e-09，速度指數為2.62，點擊OK，如圖4.4，然后如操作3.8.4將pressure壁面條件復制到suction。

圖4.4

5、不需初始化，點擊solve→iterate，進行求解。

五、后處理

1、定義葉輪拓撲結構：由于gambit中自動將后形成的動葉認為葉輪結構，所以靜葉需重新定義。點擊define→turbo topology，將new-topology-2命名為jingye，點擊邊界條件類型，再點擊對應面，點擊modify，如圖5.1；

圖5.1

2、定義中徑截面：點擊surface→ISO-surface，surface of constant選擇grid、spanwise coordinate，ISO-values為0.5，new surface name為zhongjingjiemian，點擊create，如圖5.2；

圖5.2

3、顯示沖蝕磨損云圖：點擊display→contours，contours of選擇discrete phase model、DPM erosion，surfaces下選擇pressure，點擊display，如圖5.3，可顯示動葉壓力面沖蝕磨損云圖；

圖5.3

4、顯示顆粒特性：點擊display→particle tracks，選擇injection-0，點擊display，如圖5.4，可顯示顆粒在空間的分布規律及其他特性；

圖5.4

5、顯示沖蝕磨損沿軸向的分布規律：點擊plot→XY plot，Y axis function選擇discrete phase model、DPM erosion，X axis function選擇direction vector，surfaces選擇pressure，點擊plot，如圖5.5；

圖5.5