不同湍流模型下燃气轮机进气系统流场的模拟

艾建君，侯 力，傅笑珊，毛晓芳

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

1 引言

进气系统的主要作用是给燃气轮机提供足够洁净的空气[1]，使气缸中的气体能够完全燃烧；同时要求流阻和压损小。进气系统增强了进气的质量，与此同时也导致了燃气轮机的压损。压损的增加会降低机组的工作效率，不均匀的气流速度场和压力场的分布会使压气机的设计工况点偏离，压气机工作稳定性会受到严重的影响[2]。因此，权衡进气系统工作性能的关键指标之一是其压损值的大小。目前，CFD数值模拟是分析进气系统流场的主要方法。CFD以电脑为硬件平台，采用计算数学方法将流动控制方程离散化，得到空间和时间离散点上的流动物理量，达到再现真实流动的目的，以解决各种实际问题，在燃气轮机进气系统中空气流动域的流场分析中有着重大的影响。湍流模型的选择直接关系到仿真结果的精确性，因此它是流场模拟中十分重要的环节[3]。在目前进气系统的流体分析中，大多数研究在选择湍流模型时基本都按照以往经验选择标准k-ε湍流模型，但是不同湍流模型模拟出来的流态是不同的。因此，在定义相同的边界条件下，使用Fluent15.0软件，分别应用三种湍流模型（Realizable k-ε湍流模型、标准k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型），分析模拟了燃气轮机进气系统的流场，比较了在这三种情况下进气系统流场变化的差异，并把其压损值与某厂实测值进行了对比，综合得出哪一种湍流模型下的流场分析更接近实际。

2 计算模型

研究对象为某型号地面重型燃气轮机进气系统，该进气系统采用三面进气（前进气口、左进气口和右进气口），一面出气的结构。共有七大模块：雨棚、初过滤模块、检修过滤模块、过渡段、消音段、弯头、直管段。结构示意图，如图1所示。

图1 进气系统结构图Fig.1 Figure of Structure of Inlet System

通过三维建模软件Solidworks2010对该燃气轮机进气系统进行建模得到模型，如图2（a）所示。流场计算区域采用全流道计算域方法，即整体外壳实体减去燃气轮机进气系统内部支撑杆件、消音片等流体无法穿过的部件所得的实体部分[4]。提取的流道，如图2（b）所示。从前进气口到出气口的流道总长为18.5m，左右进气口之间的流道长度为21.3m，初过滤模块和过滤模块的总高11.1m。

图2 进气系统模型图、流道三维模型图及计算域Fig.2 Inlet System Model and Three-Dimensional Model of Flow Channel and Computational Domain

3 数值方法

进气系统可视为绝热系统，建立其基本控制方程时视流体为三维定常不可压缩黏性流体。用软件Fluent15.0进行模拟，分别采用三种湍流模型，稳态分离隐式方案进行求解，通过有限体积法进行空间离散[6-7]。Pressure-Velocity关联算法选择SIMPLE算法。三种湍流模型的输运方程分别如下：

Realizable k-ε 湍流模型[10]：

式中：Gk—因平均速度梯度引发的湍动能k的产生项；Gb—由于浮力影响引起的湍动能产生；YM—可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；Sk和Sε为用户自定义源项[11]。

由于流体不可压，因此得出，Gk=YM=Sk=Sε=0，得到最终简化的输运方程如下：

式中：C1、C2、C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε—经验常数；αk—k 的有效普朗特数的倒数（即图3中TKE）；αε—ε的有效普朗特数的倒数（即图3中TDR）[10]，Fluent15.0中的湍流模型是基于以上公式来设定这些经验常数，设定如图3所示。

图3 三种湍流模型参数设置界面Fig．3 Parameters Setting Interface of Three Turbulence Models

4 网格划分及边界条件

燃气轮机的进气系统属于侧向进气，尺寸较大，里面装有消音片、支撑杆件等结构，进气流场复杂，难以生成结构化网格[5]。故将对整个计算域采用非结构化网格生成方法，经过网格无关性分析，最终采用的计算网格包含单元数7．965458×106个，节点数1．48576×106个。

初始条件：进气量为608m3/s，最大环境风速为160km/h．入口条件：设定压力出口（pressure-outlet），给定均匀不变的总压和总温，总压为标准大气压101325Pa，总温为288K，以空气为流质，其密度为1．22kg/m3，湍流强度计算得3%。出口条件：设定速度入口（velocity-inlet），给定负的速度值，模拟进气系统“抽气”过程[8]。视进气系统为绝热系统，所以壁面条件绝热、无滑移。

5 计算结果与分析

先以初始条件（进气量608m3/s）为例，对三种湍流模型的计算结果进行对比。

图4 总体压力分布云图Fig．4 The Overall Pressure Distribution Contour

在三种湍流模型的分析下进气系统的总体压力分布云图，如图4所示。从中可以得出：（1）三种湍流模型均反应出进气系统的压力随着流道大小的变化而变化，弯头为进气系统的最大压损出现处，因为空气在此处进行转向，气流速度最大，形成负压，消音段因为消音片出现了突缩和突扩的现象[9]，速度很大，形成了次最大压损值；（2）标准k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型下的总体压力云图除了压力分布范围值不一样外，极为一致，Realizable k-ε湍流模型虽然反应了进气系统压力值的变化，也反应了弯头处和消音段处的压力变化，但是雨棚和初过滤模块压力分布不均匀，出现局部压力降低的小块，这是不应该出现的；因为进气系统的初过滤模块、检修模块和过渡段流道的大小和方向并没有改变，所以空气从雨棚进入经过初过滤模块和检修过滤模块到达过渡段时，压力损失应该并不大，而Realizable k-ε湍流模型从雨棚到过渡段的压力损失已经达到500Pa左右，因此Realizable总体压力云图并没有标准和RNG的总体压力云图准确。

图5 总体速度流线图Fig．5 The Overall Velocity Streamline Diagram

总体速度流线图，如图5所示。表示了三种湍流模型分析下进气系统内部从入口到出口空气的流向情况。由此得出，三种湍流模型均反应出进气系统在雨棚、初过滤模块、检修过滤模块和过渡段速度变化不大，空气通过过滤段后，进入消音段，流道由大口变为小口，速度急剧增加，通过消音段进入弯头时空气开始转向，此时速度最大，其中，标准k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型流线图和矢量图极为相似，但是Realizable k-ε湍流模型前进气口上方局部速度上升，出现了局部旋流。

图6 进口和出口压力分布云图Fig．6 Inlet and Outlet Pressure Field Distribution Contour

三种湍流类型下进出口压力分布云图，如图6所示。从入口压力分布图看，标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型入口压力成均匀分布，极为相似，但是Realizablek-ε湍流模型出现了压力局部集中区域；从出口压力分布图看，三种湍流模型的压力分布都比较均匀且接近。如图4～图6所示为初始条件（进气量608m3/s）下三种湍流模型计算结果的比较，为了更精确对比三种湍流模型分析哪一种更为贴合实际分布，一共计算了八种工况，并设定八种工况入口条件不变，出口条件中的出口速度分别设定为（-37．0）m/s、（-38．5）m/s、（-40）m/s、（-41．5）m/s、（-43）m/s、（-44．5）m/s、（-46）m/s、（-47．5）m/s。分别测量这八种工况下进气系统的压损，并与某厂样机实测值进行对比，进气系统进出口的压力差即为进气系统的压力损失，简称压损。由图5和图6可以看出进气系统的进出口的压力值不是一个固定值，而是一个变化范围，所以得到的压损也是一个变化范围，为了与实测值进行对比，所以三种湍流模型分析下的进气系统的压损取值采用与进出口实际测量点相同的位置进行压力值的取值，因此得到以下的压损表，如表1所示。现场是通过在雨棚尾处和出口处设置两个压力传感器，在电脑中输入相关条件，在电脑中反应出这两测量点的压力值，取最大的那一个，（-38.5）m/s工况下应于以上方法测量到的进出口压力值，取最大一个即为976Pa，如图7所示。

图7 （-38.5）m/s工况下的进气系统实测压损Fig.7 The Actual Measured Pressure Loss of the Inlet System

表1 不同工况下三种湍流模型的压损表Tab.1 Pressure Loss Table with Three Turbulence Models with Different Working Conditions

图8 压损变化曲线Fig.8 Pressure Loss Change Curve

八种工况下三种湍流模型与某厂实际测量值的压损变化曲线，如图8所示。由此看出，三种湍流模型压损变化曲线相差不是特别大，均随着出口速度的增加而增加，RNGk-ε湍流模型的压损变化曲线与实测值的变化曲线几乎一致，标准k-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型的曲线比较相似，但是与实测值的变化曲线不一样，并且随着进气量的增加，与实测值的变化曲线的差异越来越明显。这是由于Realizablek-ε湍流模型为耗散率ε增加了新的输运方程，即为方程（2），这个方程来源于一个为层流速度脉动而作的精确方程[10]，而进气系统内部流体的流动视为完全湍流，所以对于本进气系统来说，Realizablek-ε湍流模型的模拟结果并没有标准湍流模型和RNGk-ε湍流模型全面，标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型模拟结果很相似，但是由于RNGk-ε湍流模型在ε方程中增加了一个条件（即方程（6）中的R），并考虑到了湍流漩涡、涡流等，因此保证了在计算跨度大的情况下的精度。

6 结论

（1）三种湍流模型下模拟的结果均能反应出进气系统压力的变化，均正确反应出进气系统最大压损值出现在弯头处，此处空气转向，速度最大，出现负压。（2）标准k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型模拟出的压力变化极为相似，但是在标准工况下，RNG的压损值最接近于实测值，而Realizable k-ε湍流模型出现了局部涡流，云图变化不均等情况。（3）标准k-ε湍流模型与Realizable湍流模型压损变化曲线很相似，但是随着进气量的增加，它们的变化曲线与实测变化曲线差异越来越明显，RNG k-ε湍流模型变化曲线与实测变化曲线极为相似，因为在ε方程中增加了一个条件，保证了在计算跨度大的情况下的精度，所以RNG k-ε湍流模型下模拟分析与实际最为相符。