溫度對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能影響的數(shù)值研究

李 非，王松嶺，許小剛，池海雁

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

溫度對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能影響的數(shù)值研究

李 非，王松嶺，許小剛，池海雁

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

利用FLUENT軟件對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)流動(dòng)介質(zhì)的溫度，觀察風(fēng)機(jī)的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的變化，得出不同溫度下風(fēng)機(jī)的性能曲線，分析出介質(zhì)溫度對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響。結(jié)果表明，流動(dòng)介質(zhì)溫度變化較大時(shí)，會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能造成影響。溫度越高，風(fēng)機(jī)的性能越差，介質(zhì)流經(jīng)風(fēng)機(jī)獲得的全壓越少，其獲得的機(jī)械能在隨著介質(zhì)溫度的升高而降低。研究介質(zhì)溫度對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響和提高風(fēng)機(jī)效率以及保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義。

離心風(fēng)機(jī);數(shù)值模擬;溫度變化;FLUENT

0 引言

風(fēng)機(jī)是電廠的耗電大戶，其耗電量約占廠用電的30%左右。對(duì)于很多風(fēng)機(jī)，如電廠的引風(fēng)機(jī)，消防用的排煙風(fēng)機(jī)等，經(jīng)常會(huì)輸送一些高溫氣體，所以氣體介質(zhì)溫度的變化是影響此類風(fēng)機(jī)性能的一個(gè)主要因素。當(dāng)風(fēng)機(jī)輸送的氣體的溫度變化較大時(shí)，會(huì)影響到輸送氣體的密度，根據(jù)風(fēng)機(jī)能量方程式可知，風(fēng)機(jī)的全壓是與密度有關(guān)的，所以當(dāng)溫度變化引起密度變化時(shí)，風(fēng)機(jī)的全壓也會(huì)改變，從而影響了風(fēng)機(jī)的性能。如果溫度變化過(guò)大，不僅會(huì)降低風(fēng)機(jī)效率，嚴(yán)重時(shí)可能誘發(fā)葉片的疲勞、斷裂等問(wèn)題，會(huì)對(duì)機(jī)器造成嚴(yán)重危害。因此，研究溫度變化對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響有著重要的意義［1～2］。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)行的試驗(yàn)方法很難準(zhǔn)確地描述風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，利用計(jì)算流體力學(xué) (CFD)進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化已逐步成為了解風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)狀況的重要手段［3］。通過(guò)CFD模擬，可以分析并且顯示流體流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的現(xiàn)象，及時(shí)預(yù)測(cè)流體在模擬區(qū)域的流動(dòng)性能，并通過(guò)改變各種參數(shù)，得到相應(yīng)過(guò)程的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)［4］。本文主要利用FLUENT模擬風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng);在不同的溫度條件下觀察風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的一些變化，描繪出不同溫度下風(fēng)機(jī)的性能曲線;最后通過(guò)得到的風(fēng)機(jī)性能曲線來(lái)分析溫度對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響。

1 離心風(fēng)機(jī)模型建立

1.1 離心風(fēng)機(jī)的配置

本文以國(guó)產(chǎn)4－13.2(73)型離心通風(fēng)機(jī)為模型，由于工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理［6］。本文采用Gambit建立二維風(fēng)機(jī)模型，風(fēng)機(jī)由葉輪、蝸殼、進(jìn)風(fēng)口組成，葉片出口安裝角為45°，葉片數(shù)Z=12，為翼型葉片，沿圓周均勻分布，建好的風(fēng)機(jī)模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)幾何模型Fig．1 Model of fan

1.2 網(wǎng)格生成

本文網(wǎng)格生成采用有限體積法，考慮到離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)情況較復(fù)雜，為了控制網(wǎng)格生成質(zhì)量，故采用多塊網(wǎng)格生成方法，將較復(fù)雜的幾何形狀分割成若干簡(jiǎn)單的小塊，然后將每一小塊區(qū)域單獨(dú)生成合適的網(wǎng)格，最后將所有的網(wǎng)絡(luò)耦合起來(lái)［5］。在本文中把風(fēng)機(jī)模型劃分為3部分:入口部分、葉輪流道部分、蝸殼部分。并采用不同密度的三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格將葉輪流道部分和蝸殼部分分別網(wǎng)格化。

1.3 控制方程及邊界條件

本問(wèn)題計(jì)算運(yùn)用的控制方程為三維常物性不可壓縮流動(dòng)的連續(xù)性方程及雷諾時(shí)均守恒Navier－Stokes動(dòng)量方程和能量方程，模型采用k－ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。

湍動(dòng)能k和耗散率ε由以下運(yùn)輸方程得到:

式中:C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

計(jì)算方法采用SEGREGATED隱式方法，湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)、動(dòng)量方程都采用二階迎風(fēng)格式離散;壓力－速度耦合采用SIMPLE算法。

本文在離心通風(fēng)機(jī)模擬中選取入口面上的參數(shù)為初始條件，邊界條件為速度進(jìn)口條件，出口為壓力出口，其余壁面均取壁面邊界條件。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

對(duì)于不同溫度下的空氣，風(fēng)機(jī)內(nèi)部的溫度場(chǎng)必定也有差別，為了防止輸送高溫時(shí)風(fēng)機(jī)的局部溫度較高，下面對(duì)比在進(jìn)口速度為3.29 m/s時(shí)，溫度為常溫20℃和溫度100℃時(shí)風(fēng)機(jī)內(nèi)部各個(gè)參數(shù)的變化如圖2～5所示，對(duì)比了不同溫度下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、靜壓場(chǎng)和全壓場(chǎng)。

圖2 風(fēng)機(jī)的溫度場(chǎng)Fig．2 Temperature field of fan

圖2為離心風(fēng)機(jī)軸向截面溫度場(chǎng)分布云圖，如圖顯示，風(fēng)機(jī)進(jìn)口處溫度較低，蝸殼壁面處溫度相對(duì)較高，這是流體由于黏性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軐?dǎo)致溫度升高。100℃時(shí)風(fēng)機(jī)的進(jìn)口平均溫度要高于20℃，且100℃時(shí)風(fēng)機(jī)蝸殼壁面和渦流平均溫度也較高，會(huì)降低風(fēng)機(jī)使用壽命。

圖3 風(fēng)機(jī)的速度場(chǎng)Fig．3 Velocity field of fan

圖4 風(fēng)機(jī)的靜壓場(chǎng)Fig．4 Static pressure field of fan

圖3、圖4分別為離心風(fēng)機(jī)軸向截面速度場(chǎng)與靜壓場(chǎng)分布云圖，如圖可知，葉片吸力面靠近葉輪進(jìn)口處?kù)o壓最低，且向兩側(cè)逐漸增大，在葉片壓力面靠近葉輪出口處?kù)o壓達(dá)到最大值。溫度的變化對(duì)風(fēng)機(jī)的速度場(chǎng)和靜壓場(chǎng)影響不大，100℃時(shí)風(fēng)機(jī)的平均速度和靜壓略大于20℃。

圖5 風(fēng)機(jī)的全壓場(chǎng)Fig．5 Total pressure field of fan

圖5為離心風(fēng)機(jī)軸向截面全壓場(chǎng)分布云圖，如圖顯示，對(duì)于風(fēng)機(jī)內(nèi)部的全壓在輸送100℃空氣時(shí)低于20℃。

保持20℃空氣溫度不變，查表得相關(guān)參數(shù)為:ρ=1.205 kg/m3;cp=1.005 kJ/(kg·K);λ=0.025 9 W/(m·K);μ=1.81×10－5kg/(m·s)，依次改變風(fēng)機(jī)的進(jìn)口速度，讀取相應(yīng)流量下的全壓與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而通過(guò)計(jì)算描繪出輸送氣體為20℃時(shí)風(fēng)機(jī)流量與全壓的關(guān)系曲線和風(fēng)機(jī)流量與效率的關(guān)系曲線。

按照上述方法，依次得出風(fēng)機(jī)在輸送20℃，60℃，100℃空氣時(shí)流量與全壓和效率的關(guān)系，從而得出不同溫度下的p－qv，η－qv性能曲線。

表1為不同溫度下通過(guò)風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬所得到的數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)描繪出不同溫度下的風(fēng)機(jī)性能曲線，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，在不同溫度下風(fēng)機(jī)的p－qv性能曲線明顯有所差別，且同一流量下溫度越高風(fēng)機(jī)的全壓就越低，因此，輸送介質(zhì)的溫度變化會(huì)影響風(fēng)機(jī)的性能，高溫會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)造成不利影響;溫度升高以后風(fēng)機(jī)的效率總體是不變的。綜上所述，溫度變化會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)性能造成影響，高溫對(duì)風(fēng)機(jī)有不利影響，所以風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況不宜偏離設(shè)計(jì)工況太多。

表1 不同進(jìn)氣溫度的模擬數(shù)據(jù)Tab．1 Simulation data of different inlet air temperature

3 結(jié)論

在本文中首先分析了離心風(fēng)機(jī)的一些特性，并從理論上研究了溫度變化對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，然后利用FLUENT對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，分別繪制出了不同溫度下的風(fēng)機(jī)性能曲線，從所得的數(shù)據(jù)和曲線可知:如果風(fēng)機(jī)輸送氣體的溫度變化較大時(shí)，會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能造成影響;溫度越高，風(fēng)機(jī)的性能越差，氣體流經(jīng)風(fēng)機(jī)獲得的全壓越少，也就是說(shuō)氣體獲得的機(jī)械能在隨著氣體溫度的升高而降低。

［1］周蘭欣，周書昌，李海宏，等．自然風(fēng)速對(duì)空冷機(jī)組風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響的數(shù)值模擬 ［J］．電力科學(xué)與工程，2011，27(1):44－48．

Zhou Lanxin，Zhou Shuchang，Li Haihong，et al．Numerical simulation on effects of natural wind velocity for fan operations of direct air cooling unit［J］．Electric PowerScience and Engineering， 2011， 27(1):44－ 48．

［2］王松嶺，雷泳，李春曦，等．電廠離心風(fēng)機(jī)容積損失的數(shù)值分析 ［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33(1):60－63．

Wang Songling，Lei Yong，Li Chunxi，et al．Numerical analysis of cubage loss of centrifugal fan in power plant［J］．Journal of North China Electric Power University，2006，33(1):60－63．

［3］李春曦，雷泳，王松嶺，等．離心風(fēng)機(jī)三維流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)特征和泄漏損失特性研究 ［J］．熱能動(dòng)力工程，2005，20(5):517－520．

Li Chunxi，Lei Yong，Wang Songling，et al．A study on the dynamics characteristics of the three-dimensional flow field and the leakage loss features of a centrifugal fan［J］．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2005，20(5):517 －520．

［4］吳永昌．離心風(fēng)機(jī)三維流場(chǎng)CFD模擬分析［J］．齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2010，26(3):35－38．

Wu Yongchang．CFD simulation analysis of the threedimensional flow field of a centrifugal fan ［J］．Journal of Qiqihar University，2010，26(3):35－38．

［5］王松嶺，張磊，楊陽(yáng)，等．基于有限體積法的G4－73型離心風(fēng)機(jī)三維流場(chǎng)數(shù)值模擬 ［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，36(4):38－41．

Wang Songling，Zhang Lei，Yang Yang，et al．3 － D numerical simulation for flow field of G4－73 centrifugal fan based on finite volume method［J］．Journal of North ChinaElectricPowerUniversity， 2009，36(4):38－ 41．

Numerical Research on the Influence of Temperature on Centrifugal Fan Performance

Li Fei，Wang Songling，Xu Xiaogang，Chi Haiyan

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

The centrifugal fan was numerically simulated using FLUENT software．The performance curves of fan were obtained and the influence of the medium temperature on the fan efficiency was analyzed by changing the medium temperature and observing the pressure field，velocity field and temperature field．The results indicate that the change of the medium temperature impacts the performance of fan;when the temperature increases，the performance of fan was reduced．The mechanical energy drove by the fan reduces with the increase of the medium temperature．This research is helpful to improve the fan efficiency and ensure the operation safety．

centrifugal fan;numerical simulation;temperature change;FLUENT

TM714

A

2011－07－17。

李非 (1982－)，男，工程師，研究方向?yàn)闊崃υO(shè)備及大型回轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷與經(jīng)濟(jì)分析，E-mail:lifeihihi@126．com。