脫硫除塵用風(fēng)機流場模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李　凱，唐鈴鳳，辛厚智

(安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院， 安徽　蕪湖　241000)

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脫硫除塵用風(fēng)機流場模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李凱，唐鈴鳳，辛厚智

(安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院， 安徽蕪湖241000)

[摘要]對某脫硫除塵用離心風(fēng)機進行流場模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，設(shè)計了風(fēng)機葉輪結(jié)構(gòu)，建立脫硫除塵風(fēng)機的流道模型,通過FLUENT軟件對脫硫除塵離心風(fēng)機流場進行數(shù)值模擬.按照L9(34)正交表，選取葉輪進口直徑、葉輪直徑、葉片進口角、葉片出口角參數(shù)作為設(shè)計因素，設(shè)計了9組方案，通過正交試驗分析了4種幾何參數(shù)對風(fēng)機性能的影響，得出葉輪出口角是影響效率和噪音的主要因素，并提出優(yōu)化設(shè)計方案.以風(fēng)機效率最大為第一目標(biāo)函數(shù)，風(fēng)機噪音最低為第二目標(biāo)函數(shù)，以D1，D2，βb1，βb2，Z為設(shè)計變量加以約束條件，用遺傳算法對風(fēng)機噪音和效率進行多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了最優(yōu)葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，優(yōu)化后的脫硫除塵風(fēng)機效率高于原風(fēng)機，且噪音得到有效控制.

[關(guān)鍵詞]離心風(fēng)機；流場模擬；正交實驗；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

離心風(fēng)機是發(fā)電廠的大型回轉(zhuǎn)設(shè)備，是煙風(fēng)系統(tǒng)的動力源，其運行狀況直接關(guān)系到電廠的安全和經(jīng)濟運行.原煤緊缺導(dǎo)致火電廠發(fā)電成本攀升，鍋爐送風(fēng)機、引風(fēng)機作為發(fā)電廠重要的輔助設(shè)備，其耗電量約占用電的30﹪，消耗了大量的能源.因此，提高葉輪機械的效率、擴大其運行范圍，對于節(jié)約能源和二氧化碳減排具有舉足輕重的作用.葉輪作為風(fēng)機的主要部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響到風(fēng)機的性能[1].隨著計算機運算速度、內(nèi)存及并行技術(shù)的迅速發(fā)展以及數(shù)值計算主要環(huán)節(jié)如控制方程、湍流模型、網(wǎng)格劃分、數(shù)值算法和前后處理技術(shù)等的發(fā)展，利用CFD可以深入研究通過實驗不易獲得的各類復(fù)雜的流動現(xiàn)象，分析流動的物理機理和流體機械的工作性能[2].

本文以脫硫除塵用風(fēng)機為研究對象，采用數(shù)值流場模擬的方法，基于流場分析脫硫除塵用風(fēng)機葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響，構(gòu)造試驗樣本設(shè)計正交試驗，通過極差分析法研究葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對風(fēng)機性能影響的規(guī)律，利用遺傳算法對脫硫除塵用風(fēng)機的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化研究，并尋找出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合.

1風(fēng)機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1葉輪進口參數(shù)的確定

葉輪進口喉部直徑為：

(1)

上式中，ξ1為速度比，τ1為截面堵塞系數(shù)，μ0為葉輪入口截面氣流充滿系數(shù)，Qs為設(shè)計流量(單位m3/s)，ν為轂徑比，ηv為容積效率.

對于小比轉(zhuǎn)速的通風(fēng)機，一般進口直徑D1=(1-1.1)D0；確定葉輪入口直徑D1=0.32m.

1.2葉輪直徑

圓周速率為：

(2)

上式中，P為風(fēng)機壓力(單位Pa)，ρ為氣流的密度(單位kg/m3)，ψ為壓力系數(shù)，葉輪直徑D2為

1.3葉輪入口寬度

(3)

對于后向葉輪，葉輪入口前截面氣流充滿系數(shù)[3]μ1=0.85~0.95；確定選取μ1=0.9.確定進口寬度b1=0.13m.

1.4葉片出口角βb2、入口角βb1

βb2值與通風(fēng)機的壓力P關(guān)系密切.經(jīng)過多次試算，為保證獲得所需要的通風(fēng)機壓力，還要從風(fēng)機葉片的塵埃堆積和耐磨的角度考慮，我們確定β2=85°，葉片入口角β1=30°.

1.5葉片數(shù)Z

(4)

上式中，σ為葉柵密度，D1為葉道入口直徑(以m為單位)，D2為葉輪外徑(以m為單位)，βb1為葉片入口角，βb2為葉片出口角，確定Z=11.

1.6葉輪出口寬度b2

(5)

選取葉片厚度δ=δ1=δ2=0.004m，選取葉道出口截面氣流充滿系數(shù)[3]μ2=0.85.確定b2=0.031m.

2風(fēng)機的三維建模與流場模擬分析

2.1三維模型建立

基于上述參數(shù)進行風(fēng)機設(shè)計，用Proe軟件對風(fēng)機的葉輪和蝸殼進行三維建模，所得模型如圖1所示.

圖1　風(fēng)機三維圖

2.2網(wǎng)格劃分

對脫硫除塵用風(fēng)機流域進行三維建模(網(wǎng)格劃分)，建模的流域主要包括進風(fēng)口流域、葉輪流域和蝸殼流域3個流域[4].對風(fēng)機的進口流域采用四面體加上適當(dāng)位置用六面體及楔形網(wǎng)格等混合單元混合；對葉輪流域采用六面體及適當(dāng)位置用部分楔形網(wǎng)格；對蝸殼流域采用四面體加上適當(dāng)位置用六面體及楔形網(wǎng)格等混合單元混合，流域網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2　離心風(fēng)機的流域網(wǎng)格模型

2.3邊界條件

本文將離心風(fēng)機劃分為入口流域、葉輪流域和蝸殼流域3個流域.求解時將葉輪流域區(qū)域設(shè)定為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，給定旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)中心；將風(fēng)機的蝸殼流域和進口流域設(shè)定為靜止區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系.對于旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的交界面可采用交互面邊界條件，使得兩個區(qū)域的數(shù)據(jù)能在交互面上交換.風(fēng)機的進氣口截面設(shè)定為整個流體域的進口，蝸殼的出口截面定義為整個流體域的出口[5].

2.4模擬結(jié)果及分析

圖3為風(fēng)機流場的靜壓圖.在葉輪與進風(fēng)口接觸的位置，靜壓為負(fù).這是由于葉輪旋轉(zhuǎn)使空氣沿葉輪流道流向蝸殼，空氣減少，壓力降低.在蝸殼流域中，離旋轉(zhuǎn)中心越遠靜壓越大，說明隨流域體積的增大，速度減小，氣動能部分轉(zhuǎn)化為勢能(壓能).

圖3　風(fēng)機流場的靜壓

圖4為風(fēng)機流場的動壓圖.氣體從進口處流入葉輪流域后，動壓沿葉輪流域不斷增加，并在葉片工作表面形成一片高壓區(qū)，壓力比葉片背葉面高.氣體進入蝸殼后，動壓減小，離出風(fēng)口越近，流域界面積越大，動壓減小的區(qū)域也逐漸變大.

圖4　風(fēng)機流場的動壓

圖5為脫硫除塵用風(fēng)機內(nèi)截面流場的速度矢量圖，從圖中可以看出速度范圍和流動方向.風(fēng)機內(nèi)氣體的速度分布規(guī)律與動壓圖是相對應(yīng)的.在進風(fēng)口處，空氣速度比較紊亂無序，因為這部分空氣速度由軸向變成徑向，還伴隨葉輪旋轉(zhuǎn)、輪盤阻力等作用，氣體流動較復(fù)雜.空氣進入葉輪流域后，速度變得有規(guī)律，經(jīng)過葉輪流域加速，在葉片工作表面附近達到較大值；進入蝸殼流道后，沒有了加速作用且流道截面面積逐漸變大，空氣速度減小.

3正交實驗及離心風(fēng)機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1實驗因素及方案的確定

一般來說，葉輪的進口直徑D1、葉輪直徑D2、葉片進口角βb1、葉片出口角βb2、葉片數(shù)Z、葉片出口寬度b2和進口寬度b1等都是影響風(fēng)機效率的主要因素，而葉片出口寬度b2和進口寬度b1可由前面幾個因素決定，可以根據(jù)前幾個因素的最優(yōu)結(jié)果得出.本文選取葉輪的進口直徑D1、葉輪直徑D2、葉片進口角βb1、葉片出口角βb2為正交試驗的4個因素，研究對效率和噪音的影響因素[6].表1為因素水平表.

圖5　風(fēng)機內(nèi)流場的速度矢量圖

水平因素D1/mD2/mβb1/°βb2/°10.2128°78°20.31.130°80°30.41.232°82°

對于結(jié)果的處理采用極差分析[7].極差值的大小反映了試驗中的各個因素影響的大小.極差大，表明這個因素的影響大，通常為重要的影響因素；極差小，表明這個因素的影響小，通常為不重要的影響因素.正交試驗的極差分析如表3所示.

分析表3可以得出，各因素對效率η的影響順序為βb2>D2>D1>βb1；對噪音的影響順序為βb2>D1>D2>βb1.在綜合考慮高效率和低噪音以保證風(fēng)機性能的情況下，通過正交試驗對評價指標(biāo)的影響趨勢得到的最佳工藝參數(shù)不在試驗中[8]，再運用CFD進行數(shù)值模擬驗證.在綜合考慮效率和噪音以保證性能的情況下，得到的最佳組合為D1=0.3 m，D2=1.2 m，βb1=30°，βb2=82°.

表2　實驗方案及結(jié)果

表3　實驗結(jié)果分析

3.2遺傳算法優(yōu)化

3.2.1全局尋優(yōu)適應(yīng)度函數(shù)

本文的優(yōu)化目標(biāo)是風(fēng)機效率和風(fēng)機噪聲，因此是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題，故將適應(yīng)度函數(shù)線性求和，將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題[9].全局尋優(yōu)適應(yīng)度函數(shù)[10]：

minF=-mη-nl+k

(6)

上式中，η為風(fēng)機效率，L為風(fēng)機噪音，m、n分別為風(fēng)機效率和全壓的權(quán)重.其中m+n=1，k為常數(shù)，保證適應(yīng)度函數(shù)為正值.

3.2.2優(yōu)化參數(shù)及其約束條件

風(fēng)機的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能影響較大[11]，如葉輪的進/出口直徑、葉片數(shù)、進/出口安裝角、葉片進/出口寬度、集流器的形狀、蝸舌間隙等.這些參數(shù)對風(fēng)機性能的影響程度不同.根據(jù)理論及改進的實際分析，在葉型、蝸殼、集流器都不變的前提下，選取葉片數(shù)、葉片出口安裝角和葉輪出口寬度為優(yōu)化對象.考慮到風(fēng)機的流量范圍及數(shù)值模擬次數(shù)的限制，要對優(yōu)化變量限制一定范圍，否則可能導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果與實際不符.因此，各變量均在之前正交試驗所選定的極值范圍內(nèi)變動.

圖6為風(fēng)機效率的尋優(yōu)過程.由圖6可知，經(jīng)過約50多次進化計算得到風(fēng)機全壓和效率的最優(yōu)值，葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：葉片數(shù)11片，葉片出口安裝角83.26°，葉輪入口直徑0.31 m，葉片入口安裝角32.34°，葉輪直徑1.15 m，效率和噪音的優(yōu)化結(jié)果分別為73.02﹪和83.02 db.

圖6　風(fēng)機效率的尋優(yōu)過程

圖7為葉輪優(yōu)化前后的風(fēng)機性能曲線圖.由圖7可知，葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后風(fēng)機效率明顯提高，隨著流量的增加，效率提高的幅值略有增大，在設(shè)計工況處，效率提高；優(yōu)化后風(fēng)機效率比原始風(fēng)機高，并且隨著流量的增加，效率增高的值變大.

q/(m3/s)

圖8為葉輪優(yōu)化前后的風(fēng)機噪聲與流量的關(guān)系曲線圖.由圖8可知，風(fēng)機噪聲隨流量的增加先降低后增大.這是由于在給定工況流量下運行時，葉輪和蝸殼有較好的適配關(guān)系；而在小流量時，旋轉(zhuǎn)葉片掠過蝸舌時所引起的周期性的壓力和速度脈動大大增加使得風(fēng)機運行狀況惡化，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞性振動.與原風(fēng)機相比，葉輪優(yōu)化后的風(fēng)機噪聲降低.因此，葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在提高效率的同時有效控制了噪音.

圖8　風(fēng)機噪聲與流量曲線

3.3優(yōu)化后的流場分析

圖9~圖12為葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后葉輪流道內(nèi)部流場分布圖.

圖9　葉輪出口蝸殼處速度矢量圖

優(yōu)化后，葉輪流道內(nèi)靜壓和總壓整體升高，葉片吸力面上壓力梯度增大，葉片載荷增加，且葉輪流道內(nèi)的速度分布更為均勻.這是由于葉輪直徑變大，柵距減小，流道的擴散度減弱，降低了軸向渦流的影響，風(fēng)機性能得到改善.葉輪出口的射流—尾流結(jié)構(gòu)明顯減弱.這是由于在葉輪最高效率點附近影響射流—尾流結(jié)構(gòu)強化的最大因素是葉片出口角和葉輪速度.當(dāng)葉片出口角逐漸增大時，射流—尾流結(jié)構(gòu)逐漸減弱，直至完全消失.優(yōu)化葉輪中，葉輪速度不變，葉片出口角不斷增大，使得葉輪流道內(nèi)的尾流區(qū)逐漸減小及射流—尾流之間的剪層減少，流場得到改善.

圖10　葉輪流域靜壓圖

圖11　葉輪流域動壓圖

圖12　風(fēng)機流場速度云圖

4結(jié)論

對風(fēng)機內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機的內(nèi)部呈現(xiàn)出復(fù)雜的特性，風(fēng)機蝸殼內(nèi)的壓力分布不均勻，存在著渦流和回流的現(xiàn)象，影響了風(fēng)機內(nèi)氣流在葉輪前盤徑向的流動，進而影響脫硫除塵風(fēng)機的效率.本文基于脫硫除塵風(fēng)機的數(shù)值模擬技術(shù)，選擇風(fēng)機的效率、噪音作為風(fēng)機性能優(yōu)劣的評價指標(biāo)，設(shè)計了L9(34)正交試驗矩陣對風(fēng)機葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進行正交試驗.通過試驗結(jié)果分析得出各個影響因素對脫硫除塵風(fēng)機性能評價指標(biāo)的影響趨勢，優(yōu)化得出各個參數(shù)對單一質(zhì)量評價指標(biāo)的最佳工藝參數(shù)組合.運用遺傳算法進行葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，獲得最佳工藝參數(shù)組合下的效率為73.02﹪，噪聲83.02 db.此外，本文還對葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的風(fēng)機進行了特征分析.結(jié)果表明，風(fēng)機的性能得到改善，風(fēng)機效率高于原風(fēng)機，噪音得到有效控制.

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(責(zé)任編輯吳強)

Study on flow field simulation and structure optimization of desulfurization and dust removal

LI Kai, TANG Lingfeng, XIN Houzhi

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China)

Abstract：The flow field simulation and structural optimization were carried out on the centrifugal fan for a desulphurization. The structure of wind turbine impeller is designed, and the flow channel model of the desulphurization and dust removal fan is established. The numerical simulation of the flow field of the centrifugal fan in the centrifugal fan is carried out by FLUENT software. Using an orthogonal experiment of L9(34), which contains factors of impeller inlet diameter, impeller diameter, blade inlet angle, blade outlet angle, nine groups of schemes were designed. Four geometric parameters were used to analyze the influence on centrifugal fan performance by orthogonal experiments. Optimized design schemes were achieved, and we conclude that blade outlet angle is the main factor that affects the efficiency and noise. With the maximum efficiency of the fan as the first objective function, the minimum of the fan noise is second points, and the D1, D2, βspan, βspanand Z are used as the design variables. The genetic algorithm is used to optimize the noise and efficiency of the wind turbine. The optimum impeller structure parameters are obtained, and the efficiency of the optimized dust collector is higher than that of the original fan and the noise is effectively controlled.

Key words：centrifugal fan; flow field simulation; orthogonal experiment; structure optimization

[中圖分類號]TH16

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0109-07

[作者簡介]李凱(1991—)，男，安徽合肥人，碩士，主要從事流體機械方面的研究.

[基金項目]安徽省科技攻關(guān)項目：脫硫除塵過程裝備及其控制系統(tǒng)研發(fā)(12010402105)；蕪湖市科技計劃項目：數(shù)控機床液體靜壓導(dǎo)軌控制研究及其產(chǎn)業(yè)化(2103cxy08).

[收稿日期]2015-09-24