某除雪車用風機內流場仿真分析與優(yōu)化

覃紫瑩 廖抒華 陸潤明 趙國灰

摘要：為改善風機的內部氣流流動情況，提高風機出口流量，對原始風機內部流場進行分析，得到風機內部流場流動情況;根據(jù)流場分析，提出了相應的改進方案。通過優(yōu)化葉片安裝傾角、葉片長度和風機殼體形狀對內部流場進行改善。結果表明：通過優(yōu)化葉片結構和風機殼體，有效地減少了氣流在殼體內部的動能損失，提高了風機出口流量。

關鍵詞：風機;內部流場;數(shù)值模擬;氣流分析

中圖分類號：TH442;U418.326DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.012

0引言

除雪風機是除雪車的關鍵部件之一，其性能會直接影響除雪作業(yè)的效率。而風機的性能提升，最主要的手段是改善風機內部氣流流動情況。在實際生產中，難以觀測到風機內部流場變化情況，無法進行有效改進。利用計算流體力學的數(shù)值計算方法進行模擬分析，能更好地了解風機內部流體流動狀況，指導設計與優(yōu)化。近幾年的實踐證明，運用數(shù)值計算方法，能夠得出很準確的計算結果，并且利用數(shù)值優(yōu)化方法，能有效地使風機氣動性能得到改善。

為改善風機的內部氣流流動情況，提高風機的T作性能，本文采用數(shù)值模擬方法，對風機原始流場進行計算與分析，得到風機內部氣流的流動情況、壓力分布、渦量等基本情況，分析原始模型的設計缺陷，并以此為依據(jù)提出相應的改善措施，對葉片的切風角、葉片尺寸和蝸殼形狀進行了修改，并對不同的優(yōu)化方案的優(yōu)化結果進行了比較分析。

1建立風機計算模型

1.1幾何模型

本次數(shù)值模擬對風機幾何模型進行適當處理，只保留風機葉輪和風機內部流域表面。處理后的結構如圖1所示。根據(jù)風機的尺寸建立計算域，為了更精確地計算風機內部及風機進出口附近的流動情況，在風機周圍區(qū)域設置網格加密區(qū)，建立計算模型如圖2所示。

1.2分析方法

由于壁面區(qū)流動情況變化較大，幾乎無湍流應力作用，為得到更準確的數(shù)值計算結果和更實用湍流模型，對于近壁面附近的區(qū)域采用壁面函數(shù)法處理，即將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)內相應的物理量聯(lián)系起來。

風機內部流動為三維問題，在三維直角坐標系中，其基本控制方程如下：

連續(xù)性方程：

式中，p——流體密度;u——某一方向速度;x——坐標變量，i、j——坐標軸方向;u——動力黏度;T——溫度;λ——導熱系數(shù);Cp——比定壓熱容。

1.3模型選擇和邊界條件設置

本次仿真忽略流場的溫度變化，采用三維定常不可壓雷諾時，采用Navier-Stokes方程和RNGK-ε湍流方程。葉輪旋轉采用MRF模型進行模擬，葉輪與蝸殼間采用交界面聯(lián)系進行數(shù)據(jù)交換，壁面采用無滑移條件，葉輪旋轉速度為3000rad/min。計算設置邊界條件如表1所示。

2原始模型流場分析與優(yōu)化設計

2.1對稱面風機壓力分析

空氣進入風機后，經葉片旋轉帶動，扇葉對氣體做功，空氣的動能和壓力增加，導致風機內壓力變化。從圖3中可以看出，軸心區(qū)為人風口，壓力較低;隨著離心力的作用在遠離軸心處壓力逐漸增加，在接近渦輪的出口地方壓力達到最大。風機內部靠近蝸殼流道中形成的高壓有利于將氣流送出出風口，但出口蝸道因截面突然增大，由動能轉換的壓力動能不足以維持平衡;壓力在出口通道逐漸降低接近大氣壓，蝸道出口擴大區(qū)中間的扇葉產生的氣流大部分流入出口;因此，此處出現(xiàn)局部低壓區(qū)。

2.2對稱面速度分析

由圖4可以看出，扇葉產生的氣流在流道中由接近蝸舌處到下蝸道出口擴大處逐漸增加，在下蝸道出口擴大地方達到最大值;且與出口通道接近的這兩扇葉之間的區(qū)域為主要送風區(qū)，該兩扇葉間部分氣流與流道下方的氣流沿出口流道下方送風;隨壓力的降低和能量的損耗，該區(qū)域的氣流速度大小很大程度上影響出口的平均速度，但由于蝸舌附近流道距離葉片較遠，該處流道的部分氣流又隨扇葉旋轉進入蝸殼流道內。因此，這也是影響出口平均速度的另一個因素。

2.3對稱面湍流動能分析

從圖5對稱面湍流動能圖中可明顯看出，流道與出口蝸道地方，由于流道突然擴大，氣流在靠近葉輪與出口蝸道地方速度較大。因此，在這個區(qū)域形成較大的湍流動能，且隨出口流道方向減小。

2.4優(yōu)化設計

通過對原始模型風機內部流場分析可知，由于蝸舌附近流道過大，使一部分氣流重新流向旋轉區(qū)域，使出風效果下降;且在流道與出口蝸道地方，由于流道突然擴大，在這個區(qū)域形成較大的湍流動能;同時，考慮到此風機的入風口位于軸心區(qū)，葉片的切風角會影響進風量和進風速度。所以，為提高進風量和進風速度，同時減少風機內壓力能和能量的損失，提出相應的改進方案如下：

1）改變葉片傾角傾斜度，影響葉片的切風角。本次仿真分別將風機葉片的切風角似設為-20°、-10°、0°、10°、20°，分析改變葉片傾角對風機內部流場的影響;

2）在不改變葉片弧度的情況下加長葉片，增大扇葉的面積同時減小葉片與殼體的間隙，確定較好的間隙距離;

3）改變蝸舌附近流道的大小，使氣流更多地流向出口通道。

3結果對比分析

本次仿真將葉片傾角分別修改為-20°、-10°、0°、10°、20°進行數(shù)值模擬分析。試驗結果表明葉片傾角向前傾20°時，風機出口平均速度最大。因此，將葉片前傾20°作為葉片傾角優(yōu)化結果說明對象。

從圖6（b）可知，改變葉片傾角有利于增加空氣從進風口流入風機內部，提高風機內部氣體的動能和壓力能，因此在接近蝸殼處的流道內形成的壓力能更大;由圖6（c）可見，縮小蝸舌附近流道，使與出口通道接近的這兩扇葉之間的區(qū)域形成局部低壓，這主要是因為送風區(qū)的氣流速度提高的緣故，因此與原始模型相比該處低壓區(qū)范圍較大;由圖6（d）可知，加長葉片長度有利于提高扇葉做功面積，因此流道內形成的壓力動能也有所增大，蝸道出口擴大區(qū)中間的扇葉產生的氣流也比原始模型更大，因此這一區(qū)域的低壓區(qū)范圍也較原始模型大。

由圖7（b）可知，在流道下方靠近出口擴大處和主要送風區(qū)，以及沿出口段下方的高速氣流區(qū)明顯比原始模型大，在該處形成高速氣流，有利于提高出口平均速度;由圖7（c）模型縮小蝸舌附近流道可見，風機內部高速氣流分布區(qū)明顯比原始模型大，雖然靠近扇葉出口擴大地方產生小范圍的旋渦，但出口處平均速度比原始模型大;由圖7（d）可明顯看出加長葉片后的風機內部流道氣流與原始模型相比，幾乎都為流速較高的氣流，有利于將更多氣流送出出風口;但由于蝸道與出口擴大截面的擴大，導致該處氣體動能與壓力能分布不均及此處氣流較大，因此，在該區(qū)域形成小范圍死水區(qū)，但總的出口平均風速仍比原始模型有所提高。

從圖8（a）至圖8（b）可以看出，在風機的主要送風區(qū)域產生的湍流動能減小且湍流動能范圍縮減，可降低氣流流阻，使送風更加順暢。

由表2可以看出，葉片前傾20°、縮小蝸舌附近流道和加長葉片，與原始風機相比，風機出口速度分別增加了9.78%、19.83%和18%，風機流量有了明顯的提升。

4結論

本文運用數(shù)值模擬方法，針對原始風機的內部流場情況，提出了相對應的解決方案，對葉片的切風角、葉片尺寸和蝸殼形狀進行了修改，并通過仿真試驗驗證優(yōu)化結果，得到如下結論：

1）通過對原始風機內部流場進行仿真分析，獲得風機內部速度、壓力和湍流動能的分布情況，對流場情況進行分析，并以此為依據(jù)提出改進措施，有效提高風機工作性能。

2）風機葉片的切風角、葉片尺寸和蝸殼形狀對風機的內部流場影響較大，通過合理的設計能減小風機內部氣流能量的損失，從而提高風機的出風量。