失速和喘振是离心压缩机运行过程中常见的非定常流动现象,限制了机器的稳定工作范围,并且会影响其运行的可靠性。因此,研究并掌握其非定常流动的特性对提高离心压缩机的设计效率,扩大其稳定运行工作范围和提高其可靠性有深远的意义。随着科学技术的发展和各类先进测量技术的出现,研究叶轮机械内部的流场的实验测量和数值模拟技术都得到了提高和完善,基于求解三维粘性Navier-Stokes方程的数值模拟方法对离心压缩机内部流场的研究提供了数学模型。Simulink软件也能用于建立离心压缩机的动态模型,并通过对压力和流量的频率分析直观地研究,由压力和流量的频率图直观研究非定常流动现象的规律和特点。本文正是通过数值模拟和仿真相结合的方法来研究小流量下离心压缩机内部的非定常流动现象。本文主要研究内容和研究成果如下:1.基于分布式网络并行计算硬件平台,使用商业CFD计算软件CFX并结合出口气腔模型,通过求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程组,对美国Honeywell公司涡轮增压器用高速离心压缩机小流量下的失速流动现象进行数值模拟。在数值模拟中采用全场(加蜗壳)计算网格。结果分析发现,离心压缩机的蜗壳对失速流动的影响是非常显著的,蜗壳可以看作是压缩机失速过程中的谐振管,它衰减了无叶扩压器产生的流动不稳定状况,并在蜗壳中形成驻波的结构。计算得到明显的压力和质量流量的振荡,其幅值随着压缩机质量流量的减小而增加。2.全场数值计算显示出在失速周期中,随着质量流量的减小,不仅在扩压器的前盖板进口附近流场出现径向逆流区,而且在扩压器后盖板的出口附近流场也出现了径向逆流区。扩压器前盖板进口处的径向逆流区可以归因为压缩机叶轮流道内二次流的影响,而在扩压器后盖板出口处的径向逆流区可以归因为蜗壳内的影响。3.失速周期中,在所选的某些时刻下蜗壳流道的截面下流动会形成一个旋涡,在旋涡中心流动损失较大,总压较小。在蜗壳的出口直管段则由于涡流速度明显减小,还有旋涡自身的不稳定,使其在小流量下更容易发生破裂,导致蜗壳出口的截面中心区域出现逆流,逆流也是压缩机失速特征的表现。在失速条件下截面中心的涡心会成对地破裂成反向旋转的更小的旋涡。而蜗壳出口部分的失速可能是维持其内部驻波结构的能量源。4.运用Simulink软件对大气腔容积下的压缩机系统性能进行建模,调节节流阀参数值和稳定流参数值,得到不同参数设置下的系统喘振图和气腔内的压力频率,并比较研究这些参数对压缩机喘振的影响。结果发现,稳定参数与气腔参数有一定关系,当压缩机几何参数保持不变的基本状况下,具有大容积气腔离心压缩机系统的稳定参数较大,在小流量下的失速现象更加明显,从仿真图可看出喘振环为经典喘振。再次对小气腔容积下的系统性能进行验证,结果得到较为缓和的喘振图。