第12卷 第2期 Vol.12 No.2 2019 年 4 月 April 2019

SCO2离心压缩机数值模拟及气动性能研究 陈俊君，张师帅，陈文昊*

（华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074）

摘要：超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，SCO2）离心压缩机具有可靠性高、体积小、质量轻、效

率高等优点，被认为是新能源领域最具应用前景的动力设备之一。本文基于一元流动理论，由设计热力参数

得到 SCO2 离心压缩机三维模型，并对压缩机的流场及气动性能进行研究。结果表明，设计得到的 SCO2 离心

压缩机的总压比达到 1.72，总−总等熵效率达到 92%，满足设计要求。

关键词：流体传动与控制；离心压缩机；数值模拟；超临界二氧化碳；气动性能 中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1674-2850(2019)02-0275-06

Study on numerical simulation and aerodynamic performance of SCO2 centrifugal compressor

CHEN Junjun, ZHANG Shishuai, CHEN Wenhao

(School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract: Supercritical carbon dioxide (SCO2) centrifugal compressor has the advantages of high reliability, small size, light weight and high efficiency, which is considered as one of the most promising power equipment in the field of new energy. In this paper, based on the univariate flow theory, the three-dimensional model of SCO2 centrifugal compressor is obtained from the design of thermodynamic parameters, and the flow field and aerodynamic performance of the compressor are also studied. The results show that the total pressure ratio of the designed SCO2 centrifugal compressor is 1.72, and the isentropic efficiency of total to total reaches to 92%, so that the design requirements can be met. Key words: fluid power and control; centrifugal compressor; numerical simulation; supercritical carbon dioxide; aerodynamic performance

0 引言 随着能源危机的日益加剧，以 SCO2 为介质的布雷顿循环系统已经在热能、核电、化工等领域逐渐

得到广泛认可，而 SCO2 离心压缩机在布雷顿循环中起着关键作用[1]。又由于 SCO2 具有密度高、热容量

大的特性，可以大幅减小压缩机尺寸，使设备结构紧凑，同时还可以有效降低压缩机耗功，提高循环效

率。也正因如此，SCO2 离心压缩机目前得到了国内外众多研究机构的广泛关注，美国 Sandia 国家实验

室设计制造了小尺寸的 SCO2 离心压缩机样机，并进行了初步的试验验证[2]。韩国科学技术院对 SCO2 离

心压缩机开展了数值分析及气动性能试验，研究发现当压缩机进口条件接近临界点时，数值结果与试验

数据的偏差较大[3]。国内则有西安交通大学TurboAero研究组对 SCO2离心压缩机气动性能开展数值分析，

发现工质具有凝结的可能性[4]。 本文根据一元流动理论设计 SCO2 离心压缩机叶轮和扩压器模型，并结合 SCO2 的真实气体模型，利

作者简介：陈俊君（1995—），男，硕士研究生，主要研究方向：流体机械及流体工程 通信联系人：张师帅，副教授，主要研究方向：流体机械及流体工程. E-mail: shishuai@mail.hust.edu.cn

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用 ANSYS CFX 软件进行三维数值模拟，详细分析叶轮内部流场特征，以期为 SCO2 离心压缩机的设计、

性能优化提供理论依据。

1 热力设计 基于一元流动理论，结合 SCO2 真实气体模型[5]，联立求解能量方程、动量方程、连续性方程等基本

方程，并根据给定的热力参数设计得到离心压缩机几何结构参数。该 SCO2 离心压缩机的热力参数和几

何结构参数分别如表 1 和表 2 所示。

2 数值计算 2.1 模型与网格

设计得到的 SCO2 离心压缩机三维模型如图 1 所示。叶轮采用长

短叶片方案，由 9 个长叶片和 9 个分流叶片构成，分流叶片长度为长

叶片长度的 2/3，之所以采用带分流叶片的结构，是因为分流叶片能

减少进口气流的阻塞，有利于提高压缩机整机效率[6]。

为节省计算资源，采用单流道模型，具体包括叶轮进口延长段、

叶轮和无叶扩压器。采用 ANSYS Workbench 中的 ANSYS TurboGrid

软件对计算域进行网格划分，生成的结构化网格如图 2 所示。采用 O 型

网格对叶片前后缘圆弧段进行处理，结果如图 3 所示。

表 1 SCO2 离心压缩机的热力参数 Tab. 1 Thermodynamic parameters of SCO2

centrifugal compressor

参数 数值

设计转速/(r·min−1) 12 000

设计流量/(kg·s−1) 200

进口总压/MPa 8

进口总温/K 330

设计总压比 1.8

表 2 SCO2 离心压缩机的几何结构参数 Tab. 2 Geometric structure parameters of SCO2

centrifugal compressor

参数

数值 参数

数值

轮毂直径/mm 90 叶片厚度/mm 1.5

叶轮进口直径/mm 162 叶片进口安装角/° 37.7

叶轮出口直径/mm 272 叶片出口安装角/° 46.4

扩压器出口直径/mm 500 叶片数 18

出口宽度/mm 13.05

图 1 SCO2 离心压缩机三维模型

Fig. 1 Three-dimensional model of SCO2 centrifugal compressor

图 3 叶片附近 O 型网格

Fig. 3 O-type grid near blade

图 2 单流道模型及网格

Fig. 2 Single channel model and its grid

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2.2 计算方法与边界条件

本文采用 ANSYS CFX 软件进行数值模拟，湍流模型采用 SST k-w 的自动壁面处理（automatic wall

treatment，AWT）模式。AWT 可以在直接求解边界层和壁面函数之间自动切换，能准确模拟边界层内流

动，同时对 Y+的要求不是太高，通常只需 Y+在 200 以内即可[7]。

另外，采用冻结转子法（frozen rotor）处理交界面，边界条件采用压力进口和质量流量出口，且壁

面绝热、无滑移[8]。计算过程中对进口质量流量及出口总压进行监控，当进出口质量流量差小于 0.5%，

总压曲线波动很小，且全局残差均小于 10−5 时可视为收敛。

3 结果分析 3.1 内部流场分析

图 4 为 SCO2 离心压缩机流道中不同叶高截面的相对马赫数分布云图，分别显示了 10%、50%和 90%

叶高截面在相对坐标系下的马赫数分布情况。可以看出，在进口延长段相对马赫数无明显变化，进入叶

轮流道时由于产生局部加速，在叶片前缘部分出现局部高相对马赫数。进入叶轮主流区后相对马赫数减

小，之后叶轮高速旋转对其做功，相对马赫数不断升高，在叶轮出口吸力侧处达到最大值。进入无叶扩

压器段后工质速度逐渐减小，在扩压器出口处相对马赫数达到最小，与进口延长段大致相同。通过对比

不同叶高截面的相对马赫数分布云图可以看出，90%叶高截面的相对马赫数较大，且远大于 10%和 50%

叶高截面相同位置处的相对马赫数，这是因为叶顶附近流体速度较高。

图 4 不同叶高截面的相对马赫数分布云图

Fig. 4 Distribution cloud patterns of relative Mach number with different leaf height sections

图 5 为 SCO2 离心压缩机转子流道中不同叶高截面的静熵分布云图，分别显示了 10%、50%和 90%

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叶高截面的静熵分布情况。可以看出，叶轮及扩压器内由于摩擦损失均出现了较大的熵增。10%叶高截

面流道区域熵值变化很小，该区域压缩机做功近似于等熵膨胀；50%叶高截面叶片尾缘段出现较高熵增，

说明该区域流动损失较大；而在靠近叶顶的 90%叶高截面出现大范围的较高熵增现象，流动状况明显变

差。对比不同叶高截面的静熵分布云图可以发现，从轮盘到轮盖，叶轮及扩压器内流动损失情况越来越

严重，这与之前提到的流动状况逐渐变差是相符的。在靠近叶顶的 90%叶高截面的叶片吸力侧出现大面

积熵增情况，可能是由于受到“尾迹”及“二次流”影响出现较大的流动损失。不过从整体流场来看，

熵增幅度较小，因此可以认为压缩机做功近似于等熵压缩。

图 5 不同叶高截面的静熵分布云图

Fig. 5 Distribution cloud patterns of static entropy with different leaf height sections

图 6 为 SCO2 离心压缩机转子流道中子午面静压分布云图。可以看出，二氧化碳工质从叶轮进口到

无叶扩压器出口静压逐步提高，且工质静压沿叶高方向上变化较小，说明叶轮内部流动较为均匀。 图 7 为 SCO2 离心压缩机转子流道中子午面相对速度分布云图。可以看出，进入叶轮后气流由轴向

变为径向，由于受到离心力的作用，轴面速度较大区域偏向于轮盖侧，从叶轮进口到叶轮出口主流区轴

面速度逐渐减小，在轮盖附近由于局部流动分离现象而出现较小轴面速度区域。而进入无叶扩压器后，

气流逐渐转为径向，轴面速度分布较均匀。 图 8 为 SCO2 离心压缩机叶片表面静温分布云图。可以看出，主叶片及分流叶片表面温度沿流动方

向逐步升高，在主叶片和分流叶片前缘出现局部低温区。主叶片压力面静温高于吸力面，在尾缘处温度

达到最高。分流叶片上的静温分布与主叶片上的静温分布基本相同，但其尾缘处的温度比主叶片尾缘处

温度略低，总体上温度变化趋势比较均匀。 为研究该叶片前缘是否会出现冷凝现象，对 SCO2 离心压缩机进行气液两相流数值模拟，得到液态

二氧化碳体积分数分布云图，如图 9 所示。可以看出，在主叶片及分流叶片前缘叶顶附近均出现较明显

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的冷凝区域，且主叶片叶顶处冷凝现象较严重，这与之前分析得到的叶片前缘处低温低压现象相符。此

外，在尾缘处由于速度过大也出现了小范围的冷凝情况，虽然液相二氧化碳体积分数占比不大，但叶片

附近工质发生冷凝对压缩机的正常工作会产生不利的影响，应当减少甚至避免冷凝现象的发生，这也是

日后对 SCO2 离心压缩机优化设计的方向之一。

3.2 整机性能分析

表 3 对 SCO2 离心压缩机热力设计结果与数值

模拟结果进行了对比。由表 3 可知，在相同出口质

量流率的条件下，相比于热力设计参数，数值模拟

得到的总压比略有下降，压缩机输入功率增加了

0.25 MW，总−总等熵效率降低了 2%，热力设计与

图 6 子午面静压分布云图

Fig. 6 Distribution cloud pattern of static pressure of meridional surface

图 7 子午面相对速度分布云图

Fig. 7 Distribution cloud pattern of relative velocity of meridional surface

图 9 液态二氧化碳体积分数分布云图

Fig. 9 Distribution cloud pattern of volume fraction of liquid carbon dioxide

图 8 叶片表面静温分布云图

Fig. 8 Distribution cloud pattern of static temperature of blade surface

表 3 SCO2 离心压缩机热力设计与数值模拟结果对比 Tab. 3 Comparison of thermodynamic design and numerical

simulation results of SCO2 centrifugal compressor

参数 热力设计 数值模拟

出口质量流率/(kg·s−1) 200.0 200.0

总压比 1.80 1.72

输入功率/MW 4.60 4.85

总−总等熵效率/% 94 92

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数值模拟结果存在偏差，主要有以下几个原因：数值模拟中对真实几何区域做了近似处理、叶型选择及

前后缘处理，未考虑叶轮旋转引起的变形等；热力设计中未考虑叶轮摩擦损失、冲击损失、泄漏损失等

流动损失的影响；数值模拟中计算模型不够精确，出口质量流率偏大导致总压比及等熵效率的下降等。

虽然数值模拟与热力设计结果略有偏差，但压缩机整体性能参数大体吻合，后续还需进一步对样机进行

相关试验来加以论证。

4 结论 本文基于一元流动理论，结合二氧化碳真实气体模型，完成了输出功率为 4.85 MW 的 SCO2 离心压

缩机的热力设计，并采用 ANSYS CFX 软件对该离心压缩机进行了数值模拟及气动性能研究。主要结论

如下： 1）从轮盘到轮盖，叶轮内部熵增逐渐增大，在靠近叶顶的 90%叶高截面的叶片吸力侧出现大面积熵

增情况。不过从整体流场来看，熵增幅度较小，可以认为压缩机做功近似于等熵压缩。 2）气液两相流数值模拟结果表明，在叶片前缘出现局部低温区，有较明显的冷凝区域存在。此外，

在尾缘处由于速度过大也出现了小范围的冷凝情况。尽管冷凝区域不大，但冷凝现象将影响压缩机的正

常工作，应当减少甚至避免冷凝现象的发生。 3）模拟计算结果表明，本文设计得到的 SCO2 离心压缩机输入功率达 4.85 MW，总-总等熵效率达

到 92%，总压比达到 1.72，满足设计要求，但仍需进一步试验验证。

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（责任编辑：肖书笑）