對(duì)旋風(fēng)機(jī)性能數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

孟大偉　李長(zhǎng)年　劉慧敏　王倩

摘要：為了研究對(duì)旋風(fēng)機(jī)建模對(duì)其性能影響，依據(jù)流體力學(xué)理論，采用3D激光掃描技術(shù)，對(duì)FBD5.0/2×7.5型號(hào)對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)葉輪葉片進(jìn)行逆向建模，運(yùn)用軟件，建立了風(fēng)機(jī)整體模型，并給出了流體場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并通過(guò)風(fēng)管式實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了建模準(zhǔn)確。結(jié)果表明，對(duì)對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)葉輪逆向建模，建模快速，模型準(zhǔn)確，仿真數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，仿真計(jì)算可行。為對(duì)旋風(fēng)機(jī)建模提供了新的方法，提高了風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的精確度。

關(guān)鍵詞：對(duì)旋風(fēng)機(jī)；3D激光掃描法；數(shù)值模擬；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；性能影響

中圖分類(lèi)號(hào)：TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2015）06-0054-05

0 引言

隨著對(duì)旋風(fēng)機(jī)被廣泛地采用于煤礦、船舶和隧道掘進(jìn)等領(lǐng)域，人們對(duì)風(fēng)機(jī)的性能有了更高的要求，進(jìn)而對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度提出了更高的要求。早期風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)都是采用近似公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取樣機(jī)的具體性能參數(shù)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，人力物力耗量大。20世紀(jì)90年代，CFD（computational fluid dynam-ics）數(shù)值分析被用于對(duì)旋風(fēng)機(jī)流場(chǎng)特性研究。國(guó)外研究人員使用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)、兩級(jí)葉輪轉(zhuǎn)速比、兩級(jí)葉輪間距、葉頂間隙等問(wèn)題進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，國(guó)內(nèi)的研究人員利用fluent軟件對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能、兩級(jí)葉輪的匹配情況、穩(wěn)態(tài)情況進(jìn)行了分析研究。隨著CFD技術(shù)在網(wǎng)格劃分、湍流模型、數(shù)值算法等方面的不斷完善，CFD數(shù)值模擬成為分析流體機(jī)械不可或缺的一種方法。然而，數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性依賴(lài)于模型的準(zhǔn)確，而這其中更關(guān)鍵的是葉輪葉片的建模。

以往對(duì)旋風(fēng)機(jī)的葉輪建模，都是運(yùn)用Solid。Works軟件與fluent軟件的前處理gambit進(jìn)行建模，運(yùn)用此方法建模，需要風(fēng)機(jī)葉輪葉片的數(shù)據(jù)參數(shù)，然而這些參數(shù)不易獲得，因此葉輪建模費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且精度不易保證。3D激光掃描法是運(yùn)用三維激光掃描儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描，得出數(shù)據(jù)，建立模型。采用非接觸的測(cè)量方法，直接得到真實(shí)物體表面的采樣點(diǎn)，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)即可以重構(gòu)出任意曲面。3D激光掃描法是一種逆向建模，可以把實(shí)物還原為模型文件。此掃描法適用于掃描外形固定的物體，且能達(dá)到很高的重構(gòu)精度，因此三維掃描及相關(guān)數(shù)據(jù)建模技術(shù)近十幾年來(lái)發(fā)展迅速，在文物保護(hù)、3D打印、3D游戲等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

本文以FBD5.0/2×7.5型號(hào)軸流對(duì)旋風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，采用3D激光掃描法對(duì)葉輪建模，并運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)風(fēng)機(jī)整體建模，借助fluent軟件對(duì)FBD5.0/2×7.5型號(hào)軸流對(duì)旋風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真，并對(duì)此型號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 模型的建立

1.1 物理模型

1.1.1 葉輪建模

運(yùn)用3D激光掃描法對(duì)樣機(jī)葉輪葉片進(jìn)行建模。使用了加拿大Creaform公司生產(chǎn)的Handyscan3D激光掃描儀。掃描前，對(duì)儀器進(jìn)行校正，保證掃描的精確度，如圖1所示。

校對(duì)之后，在葉輪表面貼上定位感應(yīng)片（定位靶），由此可以定位被測(cè)葉輪的空間坐標(biāo)點(diǎn)，如圖2所示。掃描系統(tǒng)通過(guò)捕捉這些定位感應(yīng)片的反射，來(lái)實(shí)現(xiàn)精確地相對(duì)定位。

通過(guò)點(diǎn)云掃描，得出葉輪部分葉片和輪轂面的部分結(jié)構(gòu)。一級(jí)葉輪的三角形數(shù)為153568個(gè)，二級(jí)葉輪的三角形數(shù)為49264個(gè)，結(jié)果如圖3所示。

反復(fù)多次掃描，增多記錄點(diǎn)云，成像的過(guò)程中可自動(dòng)拼接，逐步成像，利用后處理軟件VXmodel進(jìn)行處理，最后將掃描得到的模型導(dǎo)人UG中進(jìn)行優(yōu)化處理，再由SolidWorks中進(jìn)行輪轂和其余葉片的繪制，生成的兩級(jí)葉輪三維幾何模型，如圖4所示。

1.1.2 風(fēng)機(jī)整體建模

對(duì)旋風(fēng)機(jī)的其余部分，即集流器、一級(jí)風(fēng)筒、二級(jí)風(fēng)筒和擴(kuò)散器共同組成的對(duì)旋風(fēng)機(jī)流道，利用軟件SolidWorks和fluent的前處理gambit對(duì)其進(jìn)行建模。最后將葉輪與流道的模型整合，得到風(fēng)機(jī)的整體模型。圖5（a）為此型號(hào)風(fēng)機(jī)入口處模型，圖中右側(cè)所示為一級(jí)葉輪，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，圖5（b）為此型號(hào)風(fēng)機(jī)出口處模型，圖中右側(cè)所示為二級(jí)葉輪，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较颉?/p>

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用SIMPLE算法對(duì)流體場(chǎng)進(jìn)行速度與壓力的計(jì)算，其運(yùn)用速度修正方程和壓力修正方程如下：

1）速度修正方程式中：P^*為壓力場(chǎng)；u^*和v^*為相應(yīng)的速度分量；A為控制體積的界面面積；b為動(dòng)量方程源項(xiàng)部分；a為系數(shù)。

2）壓力修正方程式中，p′為壓力修正值。

1.3 基本假設(shè)和邊界條件假設(shè)如下：

1）計(jì)算過(guò)程在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，忽略重力及氣體浮力；

2）流體均勻且連續(xù)的；

3）風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體屬于湍流流動(dòng)，采用湍流模型求解風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體場(chǎng)；

4）風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體為不可壓縮流體，忽略溫度影響。

對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行邊界定義：給定人口速度大小和方向以及定湍流強(qiáng)度和水利直徑；給定出口壓力大小為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0Pa，設(shè)定回流湍流密度和水利直徑；一、二級(jí)葉輪定義為旋轉(zhuǎn)壁面，其他為靜止壁面，采用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系MRF（multiple refer-enee frame）方法解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，旋轉(zhuǎn)域之間和旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間使用interface交界面，壁面處設(shè)為無(wú)滑移邊界。

2 數(shù)值仿真

2.1 網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Tet/Hybrid對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化，圖6所示，一、二級(jí)葉輪處的旋轉(zhuǎn)流體域網(wǎng)格最密，兩側(cè)網(wǎng)格逐漸變疏。風(fēng)機(jī)中的兩臺(tái)型號(hào)相同的電機(jī)分別安裝在一級(jí)和二級(jí)內(nèi)筒中，與葉輪直接連接。