高效離心式風機三維流場的數值模擬

（冀東日彰節(jié)能風機制造有限公司，唐山 063210）

周海軍 劉慧琴

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高效離心式風機三維流場的數值模擬

（冀東日彰節(jié)能風機制造有限公司，唐山 063210）

周海軍 劉慧琴

摘 要：以離心式風機為主要研究對象，簡要介紹離心式風機的結構及工作原理，并在此基礎上，采用PRO/E軟件，對集風器、葉輪和蝸殼進行三維模型的建立，同時應用ANYSY軟件對模型進行網格劃分，確定計算流域及邊界條件，最后利用其求解器進行模擬計算，得出其內部流動的特性。結果表明：模擬的風機效率高、氣體流動性好，為下一步離心式風機的節(jié)能改造提供了重要的理論依據。

關鍵詞：離心式 風機 三維 數值模擬

引言

隨著新興經濟體國家向工業(yè)化邁進的步伐加快，發(fā)展中國家城鎮(zhèn)化突飛猛進［1］。從建材行業(yè)的水泥窯外分解、回轉窯尾排氣，到火力發(fā)電系統(tǒng)中鍋爐的送風、引風，再到冶金行業(yè)的高爐煉鐵、轉爐煉鋼，石油化工行業(yè)的三大合成以及煤炭工業(yè)的礦井通風和大型建筑物的空調等［2］，各行各業(yè)對離心式風機的應用日漸廣泛。目前，由于環(huán)境污染和能源緊缺所引發(fā)的一系列自然災害，向人類敲響了警鐘。因此，設計高效率、低成本的風機具有十分重要的意義。

1 風機結構及工作原理

風機主要由流通部件（集風器、葉輪、蝸殼和出風口）、傳動部件（主軸、聯軸器和軸承）和支撐部件（軸承座和底座）組成［3］。工作原理為：葉輪高速旋轉，將經過集流器的氣體沿軸向吸入葉輪，折轉90°后經葉道排出葉輪，最后由蝸殼將葉輪排出的氣體集中，并導流后從出風口排出。由于葉片的作用，氣體的壓力和動能均增加。本文主要對集流器、葉輪及蝸殼主要部件進行分析。

1.1 集流器

集流器俗稱進風口，是將氣體均勻導入葉輪的裝置。為保證氣體的流動損失小和葉輪效率高，集流器的形狀通常被精心地設計為筒形、弧形、筒錐形、弧錐形等。

集流器的設計原則如下［2］：

（1）為提高離心式風機的葉輪效率，入口處應避免出現渦流區(qū)，要保證均勻的進口速度；

（2）在葉輪入口處，盡量保證均勻的進口速度，即氣體速度的大小和方向均保持不變；

（3）集流器裝置本身對氣體流動性的影響越小越好。

1.2 葉輪

葉輪作為風機的核心部件，通常由前盤、后盤、葉片和輪轂等部分組成［4］。其中，葉輪的型線、尺寸、葉片數及制造精度均對風機的性能和效率有很大影響。

風機的葉輪根據葉片出口角的不同，可分為前向葉輪、徑向葉輪和后向葉輪。在目前的風機設計中，這三種葉片形式的葉輪均有應用。當取流量和轉速均相同時，選用前向葉輪可使葉輪的直徑最小，但效率較低；采用后向葉輪可使風機獲得最大效率，但葉輪直徑最大；徑向葉輪的應用效果介于以上兩者之間。

平板形、圓弧形和機翼形是風機葉片的三種常見形狀。平板形葉片的制造工藝簡單，但空氣動力特性較差。機翼形葉片因其模仿了鳥翼的形狀，具有優(yōu)良的空氣動力特性，且葉片強度高，氣動效率高，只是工藝性較為復雜。圓弧形葉片的性能介于機翼形葉片和平板型葉片之間。其中，圓弧形葉片根據葉片徑向和軸向尺寸的大小，又可分為圓弧寬葉片和圓弧窄葉片。因此，在高效風機的設計中，多選用圓弧形葉片。

1.3 蝸殼

風機結構中，能夠將氣體的動壓有效轉化為靜壓的裝置稱為蝸殼［5］。氣體則在蝸殼的引導下被輸送到風機出口處。蝸殼主要由蝸板和左右兩塊側板焊接或鉚接而成，其中蝸板是一條對數螺旋線。

2 風機的數值模擬

首先應用PRO/E軟件對離心式風機的集流器、葉輪和蝸殼建立三維幾何模型，然后完成其網格的劃分和邊界條件的設定，繼而應用ANSYS軟件對離心式風機的內部流道進行動力學模擬仿真，最后對計算結果進行研究分析。

2.1 數學模型

式中，ρ為氣體的密度，kg/m3；μ為氣體的動力粘度系數，N·s/m2；Gk是由于平均速度梯度引起的動能k的產生項；YM為可壓湍流中脈動擴張的貢獻；、、為經驗常數；Sk和為用戶定義的源項。

2.2 幾何模型

將所繪制的風機進氣箱、葉輪和蝸殼裝配在一起，就可以得到完整的離心式風機的三維實體模型。

2.3 網格劃分

文章所建立的風機集流器結構簡單，形狀規(guī)則，可以采用能夠節(jié)省內存的六面體結構化網格來劃分。而葉輪和蝸殼形狀復雜，可采用適應性強的非結構化四面體網格來劃分。

2.4 邊界條件

離心式風機內部流動壓力較小，可以把氣體假設成不可壓縮流體，同時忽略重力的影響。根據離心式風機的運動特性，將整個風機分為靜止區(qū)域和旋轉區(qū)域。這里，蝸殼和集流器被定義為靜止區(qū)域，葉輪被定義為旋轉區(qū)域，給定轉速為580r/min。

邊界條件設定如下：

（1）模型底面和側面定義為“WALL”邊界條件；

（2）流體區(qū)域類型為“FLUID”，其他部分類型均為“SOLID”；

（3）對稱面采用“SYMMERY”邊界條件，此面上各參數梯度均為零；

（4）在集流器處，流動現象基本是穩(wěn)定的，給定入口條件為速度入口。為了使氣體充分流動，給定出口為自由流動。

2.5 模擬結果及分析

根據動力學仿真結果，針對質量流量取60kg/s離心式風機的流線、馬赫數及靜壓進行分析，依據這些參數的變化了解到風機內部的流動情況，為優(yōu)化設計提供理論指導資料。

在離心式風機蝸舌處，存在一個較小的漩渦區(qū)，在此流線圖上可以看出有流動分離現象。另外，在風機的流道內，其流動性較好，流場均勻，風機效率較高。

馬赫數是指氣流速度與當地聲速的比值。從葉輪進口到出口的區(qū)域內，隨著馬赫數的不斷升高，流體的速度也逐漸增大，而超出此區(qū)域的流道內，其速度緩慢降低。其中，計算風機葉輪通道流場的時候，假設每個葉輪通道都相同是不精確的。

離心式風機從進口到出口的流域范圍內，其靜壓逐漸變化。由于風機出口處的流動損失而導致擴壓下降，因此在蝸殼外壁面處其靜壓達到最大。另外，由于風機集風器的拐彎和蝸舌處的形狀復雜而導致了靜壓較高。

根據數值模擬的后處理器，可以得出風機的一些特性參數。對數據進行處理后，應用ORIGN畫圖軟件繪制出質量流量與風機效率、軸功率和輸出功率及全壓的關系曲線，并作簡要分析。

隨著風機質量流量的逐漸增大，其全壓效率和葉輪效率均不斷增加。其中，全壓效率1在流量為45～55kg/s的范圍內變化幅度較大，且全壓效率1均高于全壓效率2。葉輪效率2在規(guī)定的質量流量變化范圍內出現振蕩現象。另外，葉輪效率始終優(yōu)于全壓效率。

隨著風機質量流量的逐漸增大，其功率均不斷增加，且基本成線性關系。其中，軸功率均高于輸出功率。

風機全壓隨著質量流量的不斷增大而逐漸減小。另外，全壓特性曲線2變化的幅度較大，且在質量流量為60kg/s時，存在最優(yōu)的風機全壓。

3 結論

（1）文章，模擬的離心式風機結果表明，質量流量45～80kg/s范圍內變化時，風機整機效率均大于85%。根據《通風機能效限定值及能效等級-GB 19761-2009》這一國家標準可判斷，此類離心式風機屬于一級能效節(jié)能風機。

（2）通過研究分析得出，冀東日彰節(jié)能風機所模擬的此類風機結構合理，在保證風機效率的基礎上，流場均勻，流動性較好，在實際風機設計與制造中可以應用。

參考文獻

［1］石雪松，邱明杰.新型工業(yè)化時期我國離心風機行業(yè)發(fā)展趨勢分析［J］.通用機械，2009，（1）：15-21.

［2］董全林，孟凡念，王鵬飛，王巖.高效風機的設計及CFX仿真分析［J］.風機技術，2014，（12）：54-60.

［3］張濤，孟憲舉，李健.離心式通風機的數值模擬［J］.河北理工大學學報，2011，（1）：86-90.

［4］李俊.高效低噪聲離心式通風機的數值模擬與優(yōu)化設計［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學，2009.

［5］KV Karanth，NY Sharma. Numerical Analysis of a Centrifugal Fan for Performance Enhancement Using Boundary Layer Suction Slots［J］. Mechanical Engineering Science，2009，（224）：165-178.

Three-dimensional Flow Field Numerical Simu lation of Highly Centrifugal Fan

ZHOU Haijun，LIU Huiqin
（Jidong Rizhang SES-Fan Manufacture Co.Ltd， Tangshan 063210）

Abstract:Puts the centrifugal fan as the main research object and understands the basic structure and main parts of the centrifugal fan， on the basis of this， using PRO/E software to set the 3D model of wind collector， impeller and volute， at the tome using ANYSY for meshing of the model to determine the calculation of watershed and its boundary condition， at last， using the solver to conduct numerical simulation and obtain the internal flow characteristics to be analyzed. Simulation results show that the efficiency of designed fan is highly， the stream is equality， which can provide important theory bas is for the fan’s next energysaving transformation.

Key words:Centrifugal， Fan； Three-dimensional， Numerical simulation