離心式通風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬

張 濤，孟憲舉，李 健

（河北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山063009）

0 引 言

通風(fēng)機(jī)是廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的一種通用機(jī)械。據(jù)統(tǒng)計，我國各類風(fēng)機(jī)和泵的耗電量約占我國總發(fā)電量的三分之一多，僅工業(yè)用通風(fēng)機(jī)的耗電量就占我國總用電量的 5%左右，因此，從節(jié)約能源、降低噪音污染的角度考慮，設(shè)計出高效率的風(fēng)機(jī)有十分重要的意義。

本文將對某工廠的通風(fēng)機(jī)流場進(jìn)行模擬，主要是利用 PROE建立模型，應(yīng)用流體分析軟件 FLUENT模擬流體流動，對通風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行分析，找出內(nèi)部流動規(guī)律，對改進(jìn)具有指導(dǎo)作用。

1 流體動力學(xué)控制方程

流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。

1.1 質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）

任何流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。該定律表述為:單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈的質(zhì)量。為使流入控制體和流出控制體的流體質(zhì)量相同，必須滿足連續(xù)性方程：即一個封閉表面內(nèi)所包含的流體質(zhì)量增加的速率，必定等于這一表面所包含的體積中流進(jìn)和流出的流量之差。因而連續(xù)方程可表示為：

1.2 動量守恒方程（Navier-Stokes方程）

動量守恒方程也是任何流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律。該定律表述為：微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力的和。該定律實(shí)際上是牛頓第二定律。技照這一定律，可以導(dǎo)出X，Y和Z三個方向的動量守恒方程。

1.3 能量守恒方程

能量守恒定律是包含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律。該定律可以表述為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功，該定律實(shí)際上是熱力學(xué)第一定律。這樣我們可以得到以溫度T為變量的能量守恒方程：

該式可寫成展開形式：

2 離心式風(fēng)機(jī)的幾何建模、網(wǎng)格劃分及計算結(jié)果分析

2.1 風(fēng)機(jī)建模

目前離心式風(fēng)機(jī)在我國機(jī)組中占有較大比例，因此本課題對離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)取自風(fēng)機(jī)產(chǎn)品樣本。該風(fēng)機(jī)模型外觀結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 離心式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸圖

2.2 網(wǎng)格劃分

由于整體流域幾何非常復(fù)雜，必須對網(wǎng)格劃分采取合理的策略。本例中網(wǎng)格采用混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在隧道進(jìn)風(fēng)口和隧道出風(fēng)口幾何模型比較簡單的部分才用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在轉(zhuǎn)子區(qū)域和靜子區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。這種混和網(wǎng)格劃分方案的優(yōu)勢在于，在風(fēng)機(jī)模型附近的流場可以充分利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對任意空間幾何形狀的適應(yīng)性，高效地完成對復(fù)雜模型的離散；同時可靈活地采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模式中的各種網(wǎng)格控制措施，對所關(guān)心的模型附近預(yù)期流動梯度大的區(qū)域施加網(wǎng)格控制，使得體網(wǎng)格分布更趨合理。

圖2 進(jìn)風(fēng)口網(wǎng)格示意圖

圖3 葉輪流道網(wǎng)格示意圖

圖4 蝸殼流道網(wǎng)格示意圖

網(wǎng)格劃分后，還需要在ICEM中進(jìn)行邊界條件和各種流體區(qū)域的定義。定義進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)口為速度入口，作為整個計算模型區(qū)域的進(jìn)口。蝸殼出口為自由出口，為整個計算模型區(qū)域的出口。將葉片的壓力面和吸力面以及輪盤、輪蓋內(nèi)外表面一起定義為旋轉(zhuǎn)固體壁面，旋轉(zhuǎn)軸為x軸。蝸殼部分固壁，采用圓柱坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)軸也為x軸。完成所有在ICEM中的操作，保存網(wǎng)格文件。

2.3 模擬結(jié)果及分析

2.3.1 整機(jī)靜壓分析

由圖 11可看出，靜壓從進(jìn)口至出口逐漸變化，在蝸殼外壁面達(dá)到最大，由于出口存在流動損失而使此處的靜壓有所下降，這與文獻(xiàn)[5]結(jié)論相符。由圖11可知，由于受到蝸殼的非軸對稱性影響，蝸殼較低靜壓處與葉輪中心不在同一軸上；由圖12可知，在進(jìn)氣室的拐彎處和蝸舌處，由于這兩者的形狀發(fā)生變化，導(dǎo)致靜壓較低。

圖5 整機(jī)蝸殼壁面后視靜壓分布圖

圖6 整機(jī)蝸殼、進(jìn)氣室靜壓分布

2.3.2 葉片靜壓分析

葉片工作面圖19上的靜壓比非工作面圖20上的高且分布明顯不同：葉片工作面上靜壓分布不均，由分布可看出85%以上的做功來自于工作面；非工作面上靜壓分布較均勻，從葉片根部向頂端逐漸增大。在單個葉道內(nèi)，兩側(cè)壁附面層中的氣流前進(jìn)的速度比較低，氣體受到壓力差的作用從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，這種流動與主氣流方向垂直從而產(chǎn)生了二次流。

圖7 葉片工作面靜壓分布圖

圖8 葉片非工作面靜壓分布

2.3.3 流道區(qū)域速度分析

如圖 9，此區(qū)域速度大小變化不太明顯，但是受旋轉(zhuǎn)的后盤和靜止的蝸殼壁的共同作用使這部分流體產(chǎn)生了扭曲，流體旋轉(zhuǎn)的中心接近蝸舌處與葉輪內(nèi)的流動完全不在同一軸上，這是整機(jī)模擬得到的又一重要現(xiàn)象。在前盤和蝸殼間的流體速度變化較明顯，氣流在葉輪出口處突然擴(kuò)壓，導(dǎo)致氣流速度降低與主流氣體發(fā)生沖擊擾動，從而在蝸舌處產(chǎn)生了二次流如圖11。圖10是風(fēng)機(jī)葉輪中截面上的速度分布，從中看出流體從葉輪進(jìn)口到葉輪出口方向速度逐漸增大，出葉輪后速度逐漸降低。在靠近蝸殼出口處的葉輪通道內(nèi)的速度比其他部分的葉輪通道內(nèi)速度小，因此計算風(fēng)機(jī)葉輪通道流場的時候，假設(shè)每個葉輪通道都是相同的也是不對的。

圖9 X=20mm葉輪軸向中間面速度矢量分布

圖10 X=50mm葉輪軸向中間面速度矢量分布

圖11 X=80mm葉輪軸向中間面速度矢量分布

圖12中的兩圖是以Z軸為向平行于XY面的平面。圖25位于XY平面中截面處，圖13為風(fēng)機(jī)進(jìn)口中截面100 mm處。由圖12可看出在蝸殼出口流道內(nèi)有回流產(chǎn)生。這兩個圖顯示氣流在進(jìn)氣室內(nèi)的變化不大，且在進(jìn)入葉輪中心后流動比較均勻，流速隨著葉片的方向逐漸增大，在前盤一方的蝸殼擴(kuò)大處有二次流產(chǎn)生且比較明顯。同時也可以看出在后盤和蝸殼壁的間隙處、蝸舌處二次流較多較強(qiáng)，所以此處的噪聲比較大，可為噪聲的分析提供理論依據(jù)。蝸殼出口的延伸部分很明顯的有股較強(qiáng)的氣流，這也是吳玉林等所說的尾流—射流結(jié)構(gòu)。

圖12 風(fēng)機(jī)進(jìn)口中截面速度矢量圖

圖13 風(fēng)機(jī)進(jìn)口中截面100mm處速度矢量圖

3 結(jié) 論

通過前面的分析，可得出以下結(jié)論：

（1）發(fā)現(xiàn)了由于整機(jī)的非軸對稱性而產(chǎn)生了流體區(qū)域的壓強(qiáng)和流速的非軸對稱性。后盤與蝸殼間隙中的流體流動的中心偏向蝸舌處，葉輪區(qū)域內(nèi)部壓力場和流場的中心不是沿中心軸方向，而是偏離中心軸。

（2）結(jié)果顯示葉片和前盤間，蝸殼出口處存在尾流—射流現(xiàn)象；

（3）靠近葉輪前盤的葉片處所受全壓偏高于葉根處的壓力。工作面上的壓力大于非工作面葉片上的壓力，由于壓力差的產(chǎn)生，從而使流體從高壓向低壓流動產(chǎn)生了軸向的二次流現(xiàn)象。

[1] 朱之揮等.離心通風(fēng)機(jī)葉輪氣動設(shè)計工程方法的改進(jìn)[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2001(3)：3-8.

[2] 李新宏等.離心通風(fēng)機(jī)整機(jī)定常流動數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報，2002，23(4)：453-456.

[3] 王嘉冰，區(qū)穎達(dá).柜式空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)流場的數(shù)值分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2003(4)：23-29.

[4] 劉正先等..離心葉輪內(nèi)三維湍流流場的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報，1999，20(5)：558-562.

[5] 曹淑珍，祁大同，張義云等.小流量工況下離心風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部的三維流動測量分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2002，36(7)：688-692.