Page 52 - 《真空与低温》2026年第2期

郝昭璋等：稀释式制冷氦离心压缩机叶轮设计与模拟分析 171

速作为叶轮几何设计的核心控制参数 [9-10] ，最终确 综合考虑计算精度与计算资源的消耗，最终选定
定了匹配设计工况的基本设计参数，如表 1 所列。 单通道网格基准数为 80 万。实际生成的网格节点总

数为 889 623，具体网格划分拓扑结构如图 3 所示。

表 1 压缩机叶轮的基本设计参数
Tab. 1 Basic design parameters of the compressor impeller 表 2 通过迭代得出的参数
设计参数 参数值 Tab. 2 Parameters obtained through iteration
轮毂直径/mm 50
迭代得出参数 参数值
入口直径/mm 380
叶顶间隙/mm 1.3（LE）～0.8（TE）
叶轮直径/mm 490
转速/(r/min) 10 500
出口高度/mm 50
设计转速/（r/min） 10 000 出口安装角/(°) 42
入口静压/Pa 4.7 叶片数 10
入口静温/K 4.7

设计静压比/mm 2.3
质量流量/（g/s） 3.6 77.5

在叶轮的基本设计参数确定之后，针对氦循环 77.0
工况下低声速、小流量系数的特点，在追求高多变 等熵效率/% 76.5
效率与紧凑结构之间进行权衡。通过调整叶轮子
午面流道形态，对主要几何参数进行迭代优化，探 76.0
究这些参数对压缩机叶轮性能的影响；根据刘芳
等 [11] 对叶顶间隙对离心式冷压机性能影响的研究， 75.5
20 40 60 80 100
适当调整叶顶间隙，得出符合设计目标的参数。这 网格数量（万）
为后续的三维 CFD 精细化仿真提供了可靠的几何
图 2 等熵效率随不同网格数的变化趋势
基准。得出叶轮三维模型和主要参数如图 1、表 2
Fig. 2 Trend of isentropic efficiency with different
所示。 grid numbers

表 3 不同网格数计算效率和出口压力
Tab. 3 Calculation efficiency and outlet pressure with
different mesh numbers
网格单元数 效率/% 出口总压/Pa
10 万 75.55 20.522
30 万 76.93 20.962
50 万 77.22 21.032
70 万 77.62 21.048
图 1 叶轮三维模型 80 万 77.70 21.052
Fig. 1 Impeller 3D model 90 万 77.78 21.062

100 万 77.76 21.072
1.3 网格划分
本文利用 ANSYS TurboGrid 模块生成叶轮计 1.4 边界条件
算域网格。为精确捕捉边界层内的流动细节，对近 计算模型的边界条件设置如下：进口给定静压
壁面网格进行了加密处理，以确保第一层网格高度 为 4.7 Pa 和静温为 5.1 K，出口给定平均静压为 11 Pa，
满足湍流模 y+值的要求。随后，以等熵效率和出 参考压力为 0 Pa。所有壁面均设为无滑移绝热壁面，
口总压作为监测指标，进行了网格无关性验证。如 并考虑表面粗糙度的影响以贴近实际工况。湍流
图 2 和表 3 所示，当网格数量达到 80 万时，其计算 模型选用能较好处理旋转和边界层流动的 SST k-ω
−5
结果与 100 万网格的相对误差最大仅为 0.1%。 模型。计算收敛的残差标准设置为 10 。本次模