基于CFD仿真的雙工況多翼離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計

邵雙全，鄒慧明，徐洪波，田長青，孫鵬，桑宇寧

（1-中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所熱力過程節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100190；2-北京天立成信機(jī)械電子設(shè)備有限公司，北京 102100)

基于CFD仿真的雙工況多翼離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計

邵雙全*1，鄒慧明1，徐洪波1，田長青1，孫鵬2，桑宇寧2

（1-中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所熱力過程節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100190；2-北京天立成信機(jī)械電子設(shè)備有限公司，北京 102100)

本文采用CFD仿真的方法對運行于雙工況的多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。采用非均勻滑移網(wǎng)格和RNG (ReNormalized Group)k-ε模型對多翼離心風(fēng)機(jī)的非定常流場進(jìn)行計算，對三種多翼離心風(fēng)機(jī)的性能（風(fēng)量、風(fēng)壓和效率）進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計，較好地滿足了雙工況運行的風(fēng)量和風(fēng)壓設(shè)計要求，并達(dá)到了比較高的風(fēng)機(jī)效率；2,100 m3/h和4,000 m3/h風(fēng)量工況下分別為56.55%和57.76%。所提出的CFD方法為多翼離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計和優(yōu)化提供了有效工具。

離心風(fēng)機(jī)；雙工況；仿真；優(yōu)化；計算流體力學(xué)

0 引言

多翼離心風(fēng)機(jī)因為壓力系數(shù)高、流量系數(shù)大、結(jié)構(gòu)尺寸小、轉(zhuǎn)速低和噪聲低的特點而被廣泛地應(yīng)用在各種通風(fēng)設(shè)備和空氣處理設(shè)備中。離心風(fēng)機(jī)性能的改善（效率、尺寸、風(fēng)量、風(fēng)壓和噪音等）一直是國內(nèi)外研究單位和企業(yè)關(guān)注的焦點[1-2]。最早，風(fēng)機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化主要依賴實驗手段進(jìn)行。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計算流體力學(xué)（CFD）的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究不斷完善，關(guān)于風(fēng)機(jī)的模擬仿真的模型和方法也不斷得到改進(jìn)，并有許多CFD軟件風(fēng)機(jī)專用設(shè)計軟件開發(fā)出來以方便風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計[3-7]。目前的研究主要針對風(fēng)機(jī)在某一工況下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，而在實際工程應(yīng)用中，許多風(fēng)機(jī)都要工作在雙工況甚至多工況下，這為風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計帶來許多困難。因此，本文針對某通風(fēng)工程對雙工況風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓設(shè)計要求，采用CFD方法對多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。

1 非定常流場N-S方程及k-ε模型

采用 CFD對運轉(zhuǎn)中風(fēng)扇的流場計算，通常使用ALE（Arbitrary Lagrangian Eulerian）方法。從而，在固定坐標(biāo)系下的 N-S（Navier-Stokes）方程可以表示為[3,8-9]

其中，u為不可壓縮機(jī)流體的流動速度，而v為葉輪的移動速度。

為了便于進(jìn)行計算，可以將上述方程中的時變速度分為兩部分：平均速度和脈動速度。為了使方程能夠封閉求解，做如下假設(shè)和定義：

Reynolds應(yīng)力模型中的輸運方程為：

上述非定常流動的流場計算模型可以在大多數(shù)商用CFD軟件中實現(xiàn)，本文采用SC/Tetra軟件的非均勻滑移網(wǎng)格和RNG (ReNormalized Group)k-ε模型對多翼離心風(fēng)機(jī)的非定常流場進(jìn)行計算[10]。

2 基于CFD的多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計流程

多翼離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其優(yōu)化設(shè)計所涉及的主要參數(shù)如表1所示。由于風(fēng)機(jī)的設(shè)計一般都要求在給定的尺寸空間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計時主要是對其葉片數(shù)量、2D的角度、厚度、高度和3D的曲率等進(jìn)行優(yōu)化，具體流程如圖2所示。

圖1 多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 基于CFD的多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計流程

表1 多翼離心風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

3 仿真分析

3.1 設(shè)計需求

某通風(fēng)工程中需要風(fēng)機(jī)常在兩種運行工況下進(jìn)行切換，其風(fēng)量和風(fēng)壓要求如表2所示。從其設(shè)計要求看，在兩種工況下風(fēng)機(jī)的輸出功率（風(fēng)量×風(fēng)壓）比較接近。針對其設(shè)計要求，設(shè)計了三種多翼離心風(fēng)機(jī)方案，如表3所示。

3.2 網(wǎng)格劃分

多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口控制區(qū)域都設(shè)定為4 m，采用非均勻非連續(xù)網(wǎng)格，如圖3所示。在所有區(qū)域都采用八分圓網(wǎng)格，在固體表面采用棱柱體網(wǎng)格。這樣，八分圓總數(shù)為 80,000,000，棱柱體總數(shù)為34,000,000。

圖3 多翼離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分

3.3 結(jié)果分析與優(yōu)化

采用上述 CFD數(shù)值仿真方法，對所設(shè)計的三種多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析。首先，三種風(fēng)機(jī)在2,100 m3/h風(fēng)量下的風(fēng)壓、效率和轉(zhuǎn)速如表4所示。

表4 三種風(fēng)機(jī)在2,100m3/h風(fēng)量下性能

從表4中可以發(fā)現(xiàn)，方案2具有較高的風(fēng)壓和效率，但是風(fēng)壓與設(shè)計要求仍有一定的差距，因此，采用上述CFD數(shù)值針對其2,100 m3/h風(fēng)量下的性能和4,000 m3/h風(fēng)量下的性能進(jìn)行校核，結(jié)果如表5所示。從表5中可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的方案2可以較好地滿足風(fēng)機(jī)的雙工況設(shè)計需求，并且在兩種運行工況下的風(fēng)機(jī)效率分別為56.55%和57.76%，不僅效率值較高，而且兩種工況下的效率值比較接近，為后續(xù)的電機(jī)等設(shè)計提供了便利。

表5 方案2風(fēng)機(jī)在雙工況下的性能

此外，CFD仿真方法還可以提供風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場分布情況，方案2的風(fēng)機(jī)在2,100 m3/h風(fēng)量下其中心截面的流場如圖4所示?？梢愿鶕?jù)其各個截面的速度、渦量和壓力的分布上，發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中所存在的問題，以便提出進(jìn)一步的改進(jìn)措施。

圖4 多翼離心風(fēng)機(jī)流場分析

4 結(jié)語與展望

多翼離心風(fēng)機(jī)是通風(fēng)工程以及空氣處理設(shè)計中最常用的空氣動力設(shè)備之一。本文提出了基于CFD仿真的多翼離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計方法和設(shè)計流程，并特別針對某雙工況風(fēng)機(jī)進(jìn)行了仿真設(shè)計與優(yōu)化。設(shè)計結(jié)果表明，所設(shè)計的方案較好地滿足了設(shè)計所需的風(fēng)量和風(fēng)壓要求，如2,100 m3/h風(fēng)量下的風(fēng)壓為1,606 Pa（設(shè)計要求為1,600 Pa），4,000 m3/h風(fēng)量下的風(fēng)壓為 780 Pa（設(shè)計要求為 750 Pa）。兩種運行工況下都維持了較高且相近的風(fēng)機(jī)效率（56.55%和57.76%）。

上述結(jié)果表明，采用本文所建立的 CFD數(shù)學(xué)模型和計算方法，為多翼離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供了有效工具。今后還需進(jìn)一步完善離心風(fēng)機(jī)非定常流場及噪聲的仿真研究，研發(fā)出一整套模擬、優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的方法，縮短企業(yè)的研發(fā)周期并節(jié)約大量實驗經(jīng)費。

[1]NEISE W.Review of fan noise generation mechanisms and control methods[C]// Proceedings of Fan Noise 1992 International Symposium.Senlis,France: CETIM,1992: 45-56

[2]王柳,邵雙全,劉佳俊,等.窗式空調(diào)器用離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬研究[J].制冷與空調(diào),2011,11(3): 48-50.

[3]JEON W,CHO J,PARK J.Numerical analysis on the unsteady flow field and flow noise of a fan system[J].GESTS International Transaction on Acoustic Science and Engineering,2004,2(1): 86-95.

[4]余曉明,胡迪.多翼式離心空調(diào)通風(fēng)機(jī)流場數(shù)值模擬與分析[J].流體機(jī)械,2007,35(7): 15-19.

[5]任彬,宋毅勇,張中仕.多翼離心通風(fēng)機(jī)全流場數(shù)值模擬與性能預(yù)測[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2011(2): 21-23.

[6]李建鋒,呂俊復(fù).風(fēng)機(jī)流場的數(shù)值模擬[J].流體機(jī)械,2006,34(4): 10-13.

[7]毛義軍,祁大同,劉秋洪.基于非定場流場的離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2005,39(9): 989-993.

[8]JEON W,LEE D.A numerical study on the flow and sound fields of centrifugal impeller located near a wedge [J].Journal of Sound and Vibration,2003,266(4): 785-804.

[9]張海南,邵雙全,JEON W.空調(diào)用多翼離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲的仿真研究[J].家電科技,2012(11): 75-77.

[10]CEDIC.Manual of SC/Tetra,Software Cradle[M].Seoul: CEDIC,2011.

Optimization Design of Multi-blade Centrifugal Fan for Two Working Conditions by CFD Simulation

SHAO Shuang-quan*1,ZOU Hui-ming1,XU Hong-bo1,TIAN Chang-qing1,SUN Peng2,SANG Yu-ning2
(1-Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;
(2-Beijing Tianlichengxin Mechanical and Electronic Equipment Co.,Ltd,Beijing 102100,China)

The optimization design of a multi-blade centrifugal fan for two working conditions is carried out with CFD simulation method.The unsteady flow field of the centrifugal fan is calculated with the non-uniform sliding mesh and RNGk-εmodel.Three centrifugal fans are simulation analyzed and optimization designed according to their air volume,pressure and efficiency.The results show that,the fans better match the design requirement to the air volume and pressure at two working conditions with high efficiency.The efficiency is 56.55% at air volume of 2,100 m3/h and the efficiency is 57.76% at the air volume of 4,000 m3/h.The proposed simulation method provides an effective tool for centrifugal fan design and optimization.

Centrifugal fan;Two working conditions;Simulation;Optimization;CFD

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.104

*邵雙全（1975-），男，副研究員，博士。研究方向：制冷與空調(diào)系統(tǒng)仿真與優(yōu)化控制、氣動噪音仿真與降噪。聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村東路29號，郵編：100190。聯(lián)系電話：010-82543433。E-mail：shaoshq@mail.ipc.ac.cn。

國家自然科學(xué)基金項目（51006113），北京市市委市政府重點工作及區(qū)縣政府應(yīng)急項目（Z141100006014028）本論文選自2014年第八屆全國制冷空調(diào)新技術(shù)研討會。