無蝸殼風機分析與優(yōu)化設(shè)計

李建森+朱與倫+王磊

摘 要：對某型號無蝸殼風機的三維流場進行數(shù)值模擬，使用CFD軟件獲得葉輪、各種優(yōu)化方案葉輪的氣動性能參數(shù)和流動內(nèi)部詳細的氣動參數(shù)，提高相同靜壓下葉輪的流量和效率。對原型葉輪進行變工況計算，分析內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)，基于數(shù)值模擬結(jié)果，以圖表形式給出了氣動性能參數(shù)和流場內(nèi)部的細節(jié)，詳細分析了葉輪內(nèi)的主要流動特性以及流道內(nèi)流場的損失來源，通過對比分析得出比較理想的葉片中弧線型線，有效的削弱的流動分離，減小流動損失，在設(shè)計點附件效率提高了約7個百分點。

關(guān)鍵詞：無蝸殼風機；流場分析；葉片型線

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.16.090

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，在工程設(shè)備領(lǐng)域的研發(fā)中，數(shù)值的計算方法也更加科學(xué)化。在對旋轉(zhuǎn)機械性能預(yù)測、內(nèi)部流動數(shù)值模擬、研發(fā)改型等方面，CFD技術(shù)已被廣泛采用。在國外，CFD技術(shù)也被廣泛運用于工程產(chǎn)品的預(yù)研和設(shè)備改造，并取得了良好的經(jīng)濟效益。實驗研究及數(shù)值模擬是探索葉輪機械內(nèi)部流動規(guī)律的科學(xué)研究方法，通過運用CFD技術(shù)還可以發(fā)現(xiàn)在試驗研究和理論分析中無法預(yù)見的新的流動現(xiàn)象，從而為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)?；谝陨险J識，可依據(jù)葉輪機械全三維流場數(shù)值計算技術(shù)，對無蝸殼風機進行優(yōu)化，改進其葉輪中弧線，以提高其性能。

1 算例簡介

原型直徑為3.9米的左旋葉輪，葉片數(shù)為9葉，葉片厚度為3mm，配有進風口。進口接測試管道，出口直通大氣。在大氣壓力101325Pa，溫度20℃，轉(zhuǎn)速3495r/min時，指定靜壓下達不到所需流量，并且效率過低，因此對模型進行分析，觀察流場中存在流動損失的部位，進行優(yōu)化。

2 網(wǎng)格劃分

從子午面網(wǎng)格可以看出，計算區(qū)域可以分為進風口區(qū)、葉輪流道區(qū)以及前后延伸區(qū)三個區(qū)域。其中葉輪流道是通過NUMECA葉輪機械部分的網(wǎng)格生成模塊AutoGrid來對網(wǎng)格進行整體劃分的。在網(wǎng)格生成的過程中，根據(jù)選擇的S-A湍流模型，葉輪近壁面第一層網(wǎng)格距離選取0.01mm，將Y+值控制在一定的低雷諾數(shù)湍流模型要求的范圍之內(nèi)，位于壁面附近的網(wǎng)格是沿壁面法向方向呈幾何級數(shù)加密的，其數(shù)量是該方向網(wǎng)格總數(shù)的1/3左右，網(wǎng)絡(luò)總數(shù)約為163萬，而邊界層外的網(wǎng)格分布均勻。在計算的過程中，需考慮進出口與離心葉輪的間隙以及出口等截面延伸，以防止計算域的出口截面回流，影響計算收斂性；根據(jù)離心風機的流動特點可知，一般而言后盤流動較為均勻，主要的流動問題集中在前盤，因此位于后盤的輪轂對整體流動的影響偏小，故對輪轂的型線做簡化處理，僅保證其面積基本不變，以模擬其對流體通道的堵塞作用。

3 邊界條件及數(shù)值方法

通過將NUMECA/FINE軟件包的Euranus求解器應(yīng)用于數(shù)值計算，利用Jameson的有限體積差分格式與Spalart-Allmaras湍流模型相結(jié)合的方法，來求解相對坐標系下的三維雷諾平均Navier-Stokes方程。S-A湍流模型是連接代數(shù)零方程Baldwin-Lomax模型和兩方程模型的橋梁，擁有能夠處理復(fù)雜流動的能力，具有較好的魯棒性，在旋轉(zhuǎn)機械領(lǐng)域得到廣泛運用。其一方面利用顯式四階Runge-Kutta法時間推進以獲得定常解，為了提高計算效率，將二階和四階人工粘性項加入進去，可以較好的消除偽數(shù)值振蕩。另一方面，也采取了多種加速收斂措施，如局部時間步長、多重網(wǎng)格法、殘差光順等。在旋轉(zhuǎn)坐標系下對葉輪網(wǎng)格求解時，假設(shè)風機葉輪在圓周方向上是周期的，可采用單流道葉輪網(wǎng)格進行計算，進、出口延伸段定義為無粘的歐拉壁面，計算軸向推力和扭矩時選擇計算域中旋轉(zhuǎn)的固體壁面。在定常三維流場計算中對每一個工況點分別進行計算，進口給定總溫，總壓和氣流角，出口給定靜壓。通過改變進口總壓來獲得不同工況點的氣動性能參數(shù)，變工況計算采用試驗測量參數(shù)作為邊界條件。工質(zhì)為空氣，并做低速流動預(yù)處理。

4 收斂曲線和計算結(jié)果

計算網(wǎng)格的質(zhì)量對于收斂曲線的計算的準確性有著直接影響。因此，為了降低因為網(wǎng)格計算所導(dǎo)致的誤差，需要通過對網(wǎng)格無關(guān)性的分析和研究來達到科學(xué)計算網(wǎng)格的目的。同時計算網(wǎng)格數(shù)為163萬和86萬的情況。在相同條件下，靜壓為1930Pa，網(wǎng)格數(shù)163萬時計算得到的質(zhì)量流量為2.4785kg/s，網(wǎng)格數(shù)為86萬時質(zhì)量流量為2.47980kg/s，可以看出網(wǎng)格導(dǎo)致的誤差很小。

收斂標準為：隨著迭代次數(shù)的增加，進出口質(zhì)量流量應(yīng)控制在0.1%以下，在迭代步數(shù)的增加，壓比、效率、扭矩等性能參數(shù)保持穩(wěn)定，不發(fā)生改變。

通過測試數(shù)據(jù)與變工況計算結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果均低于數(shù)值模擬結(jié)果，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果最接近的地方出現(xiàn)在設(shè)計工況點附近。經(jīng)過研究可以發(fā)現(xiàn)，效率在大流量區(qū)是不斷加大的，而在小流量區(qū)是不斷縮小的。分析發(fā)現(xiàn)是S-A湍流模型在模擬大分離工況時不準確造成的，進一步分析也發(fā)現(xiàn)S-A湍流模型在設(shè)計工況模擬時準確度較高。同時，根據(jù)離心通風機的性能曲線特點，在大流量區(qū)域壓比變化大，流量變化小，應(yīng)該用給定壓力條件計算流量；而在小流量區(qū)域，流量變化大，壓比變化小，這時候應(yīng)該用流量條件來計算。

5 流場分析

流體最棘手的問題仍然是粘性，粘性不僅僅影響到葉片出口的葉片尾跡旋渦，同時，在環(huán)壁通道表面和葉片表面也有粘性邊界層的存在，并且有強烈的相互作用產(chǎn)生，出現(xiàn)所謂“二次流”。周向二次流與葉片通道內(nèi)壓、吸力面之間的壓差有直接關(guān)系。在葉輪機環(huán)壁通道壁面的邊界層內(nèi)，氣流相對速度比主流區(qū)內(nèi)的相對速度要低得多，由于氣流折轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力不足以平衡上述壓差，這時，環(huán)壁邊界層內(nèi)就會產(chǎn)生附加的由壓力面到吸力面的周向流動分量，并在葉片出口處形成一對旋渦。原始模型吸力面一側(cè)的分離渦幾乎堵塞整個流道。從子午面來看，輪盤附近的氣流最容易分離、惡化。因此對90%相對葉高截面（即S1流面）的流動進行了后處理。原型葉輪在吸力面的葉片中部就開始有較大分離，形成局部的低速流團，對流通面積造成一定的阻塞，這可能是該風機效率較低的原因之一。葉輪橫向壓力梯度在葉片（沿流向）中部附近開始明顯增大，波動幅度較大。在吸力面尾緣附近，由于分離區(qū)尾跡區(qū)的影響，梯度變化劇烈。葉片之間氣流流線發(fā)生分離，存在通道渦，這點從相對馬赫數(shù)云圖上得也到了驗證。

6 優(yōu)化分析

6.1 性能對比

優(yōu)化模型所采取的計算方法和邊界條件等均與原型相同，設(shè)定靜壓，計算流量并進行對比。優(yōu)化后的雙圓弧葉型與原型相比，流量和效率在全工況范圍內(nèi)均有提升。原型風機數(shù)值模擬的最高效率工況點在靜壓1930Pa附近，效率為61.2%；優(yōu)化葉型后效率為68.5%，效率提高了7.3個百分點。流量在設(shè)計點附近提高顯著。

6.2 優(yōu)化后葉輪流場分析

對比原型與優(yōu)化后葉輪的靜壓等值線圖，在相同的數(shù)值范圍內(nèi)布置相同的等值線數(shù)目，我們可以得到其靜壓梯度的大小。通過對優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)原型葉輪在流道內(nèi)有壓力波動和反復(fù)現(xiàn)象出現(xiàn)，優(yōu)化后的葉型也無法完全消除這種現(xiàn)象，但其波動的幅度降低了很多，靜壓變化均勻有規(guī)律；而且相對于原始葉輪而言，其吸力面?zhèn)鹊牡退賲^(qū)大大減小，從而其附面層損失、流動損失均比原型葉片小，所以氣動參數(shù)和效率較高。對風機性能，特別是效率改善明顯。

7 研究結(jié)論

（1）本文針對某型號無蝸殼風機通過數(shù)值模擬及優(yōu)化，較為準確的取得了該離心風機的流量范圍和性能曲線，也體現(xiàn)出數(shù)值模擬的應(yīng)用優(yōu)勢。

（2）通過對計算結(jié)果的分析，獲得了葉輪內(nèi)部的氣流流動特點。由于二次流的存在，使得在離心風機葉片吸力面尾緣附近，以及流道內(nèi)靠近前盤區(qū)域都存在著較大的分離和高損失；隨著工作點偏離設(shè)計點，該損失區(qū)加大，導(dǎo)致總損失增加。二次流引起吸力面邊界層加厚和分離后，必然影響主流的流動，使靠近吸力面的相對速度降低。

（3）優(yōu)化改型以及葉輪性能提高后，葉輪內(nèi)部的氣流流線科學(xué)性和合理性進一步提高，大幅降低了靜壓梯度反復(fù)次數(shù)以及波動的幅度，進一步降低流道內(nèi)部流動損失。

（4）在葉輪各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，葉片出、入口直徑等等保持不變的前提下，葉輪效率在全工況線得到了提升，說明設(shè)計良好的葉片型線可明顯降低葉輪通道內(nèi)的流動損失。

參考文獻

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