多翼離心風機的數(shù)值模擬

周曉

摘要：采用CFD軟件分析了風機內(nèi)部的流動特征，并結合經(jīng)驗理論對離心機結構參數(shù)進行數(shù)值模擬，探討了葉片出口安放角、蝸舌半徑、葉片數(shù)等結構參數(shù)變化對離心風機性能的影響。仿真結果顯示：風機進風集中在出風口側，在蝸殼和出風罩接口處左側存在氣流“死區(qū)”；在經(jīng)驗值給定范圍內(nèi)，風機全壓效率隨安放角增大近似成線性減小，隨蝸舌半徑增大成指數(shù)減，隨葉片數(shù)的增加呈拋物線狀變化；允許條件下輪徑比可適當往小的取，安放角往大的取，風機葉片數(shù)最佳值在60片附近。

關鍵詞：離心風機；窩舌；風機性能

一、引言

多翼離心風機因其體積小、噪聲低等優(yōu)點，被廣泛用于家用電器、空氣調(diào)節(jié)及各種通風換氣等領域。目前，通風機的傳統(tǒng)設計方法和思想都來自于大量實驗，通過這樣的方法能夠得到較好的風機基本技術參數(shù)。但對通風機內(nèi)部流場的認識有待深入。隨著流體力學理論，特別是計算流體力學（CFD）方法的發(fā)展，將傳統(tǒng)設計模式中的繁復且耗費昂貴的部分，可以用先進的CFD技術代替，利用計算流體力學進行數(shù)值模擬已逐步成為了解流體機械內(nèi)部流動狀況的重要手段。

結合前人研究的理論[1-8]，本文采用CFD軟件多翼離心風機的結構進行模擬分析，通過“數(shù)值試驗”認識風機內(nèi)流動規(guī)律。單一改變多翼風機結構參數(shù)，定性研究葉片出口安放角、蝸舌半徑、葉片數(shù)對風機性能的影響。為多翼離心風機的結構優(yōu)化，內(nèi)部空氣流動分析提供參考。

二、風機有限元計算模型

多翼離心風機結構主要分為4大區(qū)域：進風區(qū)域，蝸殼區(qū)域，葉輪區(qū)域，出風管區(qū)域。風機系統(tǒng)通過葉輪的高速旋轉帶動空氣流動實現(xiàn)吸、排風動作，根據(jù)其工作原理簡化所得的流域模型如圖1所示。分析過程做了如下處理：1）忽略風機中空氣密度變化，假設流動為不可壓，物性為常數(shù)；2）不考慮進口損失，設進口總壓為標準大氣壓；3）假設流動中無熱量交換。

根據(jù)多翼風機的流域特性，風機兩端口形狀規(guī)則采用Hex/Wedge cooper方式劃分六面體網(wǎng)格，葉輪和蝸殼形狀比較復雜采用Tet/Hybrid Tgrid方式劃分四面體非結構網(wǎng)格，得如圖2所示。風機的邊界條件和湍流模型：1）電機外壁、蝸殼、葉輪設置為Wall，進、出口分別為壓力進出口；2）將葉輪為動區(qū)域，其他為靜區(qū)域，固壁均滿足無滑移條件；3）湍流模型選取RNG型的K-ε模型。計算控制方法和收斂判定：1）采用分離隱式計算方法，湍流動能、湍流耗散項、動量方程的差分格式都采用二階迎風格式；2）壓力、速度耦合采用SIMPLE算法；3）對各變量的殘差進行監(jiān)視， 如x、y、z 3個方向上的速度值、湍動能等， 當這些變量的殘差都降到10e- 3以下時， 可認為計算收斂。

三、有限元模擬試驗結果分析

（一）多翼離心風機流場

根據(jù)多翼離心風機的工作特性，設置葉輪動區(qū)域為繞Z軸以95.77rad/s的旋轉速運動。算平后截取中心等值面觀察風機內(nèi)部流體狀態(tài)及壓力分布，得其流體靜壓如圖3所示。

從圖中可知離心風機的靜壓沿蝸殼周向分布不均勻；蝸殼外壁面的靜壓相對較高，這主要是由于葉片屬于前向式，氣流被甩向蝸殼壁面造成；由于進風口的吸氣，導致靠近出風口一側形成低壓，進而可知進風主要集中進風口圈靠近出口一側。

圖6 多翼風機內(nèi)部速度流線

圖4為空氣在風機內(nèi)部的速度分布，有圖可知沿徑向風速逐漸增大，沿著蝸殼型線從最小間隙處到出風口風速依次增強。蝸殼和出風罩接口處左側存在氣流“死區(qū)”，即氣流速度很低的區(qū)域。由圖5、圖6可知在蝸舌切風口處，少量出口氣體重新被帶入蝸殼流道，損耗了部分能量；分割式葉輪大葉片部分流線強度明顯要強于小葉平部分，梯度分布明顯。

（二）風機結構參數(shù)對全壓效率的影響

多翼風機系統(tǒng)把原動機的機械能傳給氣體的過程中，要克服各種損失，其中只有一部分是有用功。通常用全壓效率 來反映損失的大小，其計算公式為：

式中： 為風機的全壓（Pa）； 為流量（m3/s）；P為主電機輸入功率（W）。

為提高計算速度，根據(jù)風機三維流域的模型截取其中心平面，處理模型建立二維多翼風機系統(tǒng)仿真模擬系統(tǒng)，單一改變風機結構參數(shù)研究各參數(shù)對全壓效率的影響。根據(jù)前人研究的結論及相關的經(jīng)驗值，一般設計常用的結構參數(shù)范圍如表1所示。

單一改變?nèi)~片出口安放角，保持進口角等其他參數(shù)不變，得出口安放角與全壓效率的曲線如圖7所示。由圖可知隨著出口安放角的增大而增大，這主要由于葉片傾斜度增大，相鄰葉片之間的間隙減小，由連續(xù)性定理可知，出口截面的速度會增大，同等時間內(nèi)輸出的風量增大，即葉輪的做功能力增大，輸出的有效功率增多，效率η也隨之變大，但是，湍流情況也會惡化，可能會導致風機噪聲增加。

通過保持葉輪外徑D2不變，改變?nèi)~輪內(nèi)徑與外徑比值（輪徑比），可得圖8所示曲線。減小輪徑比即減小內(nèi)徑，也就相當于加長了葉片。這提高了葉片做功能力，使風機的流量實現(xiàn)提升，進而使有效輸出功率增大，最終使全壓效率η的增大。由此可見在條件允許的情況下，可適當下調(diào)輪徑比提高風機做功能力。

圖9為單一改變?nèi)~片數(shù)得葉片數(shù)與全壓效率的曲線，由圖可知葉片數(shù)對全壓效率的影響不是單調(diào)的。葉片數(shù)過少，雖然理論上可以使葉輪的過流通道面積增大，但由于葉片對氣流的引導作用減弱，流道中氣流自由度大，容易產(chǎn)生旋渦脫流，使風機通風量減少；另一方面，葉片數(shù)過少時整個葉輪對流體做功減少，也將導致風機出風量減少。同時，葉輪的做功能力雖然會隨著葉片數(shù)的增大而增大，但是，葉片數(shù)增大之后相鄰葉片之間的間隙也會減小，到達一定程度后，會導致進風量減小，使得效率η反而下降，故葉片數(shù)對全壓效率的影響呈拋物線，峰值在60片附近。

四、結論

通過建立多翼風機系統(tǒng)的流域模型，定性分析了風機內(nèi)部流動特性。在此基礎上建立二維模型分析了葉片出口安放角、輪徑比、葉片數(shù)對全壓效率的影響。有限元模擬實驗結果分析顯示：

1） 風機靜壓沿蝸殼周向分布不均，同一徑向處外壁面相對較高。吸氣主要集中于靠近出口一側的進風口。

2） 蝸殼和出風罩接口處左側存在氣流“死區(qū)”， 少量出口氣體在蝸舌風流處重新被帶入蝸殼流道，降低了有效功率。

3） 在經(jīng)驗定義域內(nèi)，全壓效率隨葉片出口安放角的增大而增大，隨輪徑比的減小而增大，隨葉片數(shù)的增大呈拋物狀變化，最佳值在60片附近取得。

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