基于FLUENT的離心風機中無厚度風輪模擬研究*

黃 樸，肖林輝，烏勝斌

(廣東中山百得廚衛(wèi)有限公司，廣東 中山 528478)

0 引 言

隨著計算流體力學(CFD)的發(fā)展，在風道系統(tǒng)開發(fā)時，工程師會運用CFD技術(shù)進行流體仿真分析，通過仿真模擬得到氣體在風機中的流動狀態(tài)，從而為實際生產(chǎn)優(yōu)化提供理論支持[1]。羅凱[2]采用FW-H聲學模型結(jié)合大渦模擬，計算了蝸舌半徑、葉片數(shù)、葉片進口角度對離心風機風量和噪聲的影響。陳昊[3]利用FLUENT軟件對吸油煙機內(nèi)部流場進行了研究，所得仿真結(jié)果與實驗所測數(shù)據(jù)誤差在6.5%以內(nèi)，并結(jié)合流場流動狀態(tài)提出了噪聲優(yōu)化的主要方向。

在CFD技術(shù)中，模型的前處理和網(wǎng)格劃分要花費80%的時間和精力，特別是針對于離心風輪這種相對尺寸很小的模型，在網(wǎng)格劃分過程中將會使網(wǎng)格數(shù)量非常大，且網(wǎng)格質(zhì)量難以提升，從而大大地影響計算和收斂[4]。

基于FLUENT，筆者對一款離心風機進行風輪無厚度模擬，在CREO前處理過程中，忽略風輪的厚度將其作為曲面進行處理，并導(dǎo)入ICEM中進行非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格生成，然后在FLUEN中進行風量、噪聲的模擬計算，并與有厚度風輪及實際測量數(shù)據(jù)對比，研究風輪的厚度在模擬過程中所帶來的影響。

1 模型前處理

1.1 模型簡化

離心風機一般由風柜、風輪、出風口座和電機組成，其模型如圖1所示。

圖1 離心風機模型

其主要的幾何參數(shù)有：

風輪外徑D0=250 mm；蝸殼厚度B=132 mm；葉片數(shù)量Z=60；葉片厚度h=0.4 mm；進風口直徑d=209 mm；出風口座出口直徑d1=170 mm。

筆者利用CREO軟件對離心風機進行結(jié)構(gòu)簡化后，提取了內(nèi)部流動區(qū)域；同時為防止回流現(xiàn)象的發(fā)生，在進口處增加了兩個流體域，并延長了出口流體域，最后得到了仿真模型。

1.2 網(wǎng)格劃分

筆者采用ICEM進行流體域網(wǎng)格的生成，考慮風機模型的復(fù)雜性，對于風輪旋轉(zhuǎn)的動域?qū)⒉捎梅墙Y(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，對于風柜靜域采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分。

風輪風柜網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 風輪風柜網(wǎng)格模型

無厚度風輪最終生成的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格數(shù)量為3.63×106，最低網(wǎng)格質(zhì)量為0.27，所花費的時間約為5 min。在同樣的全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置下，有厚度風輪生成的非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格數(shù)量為4.85×106，最低網(wǎng)格質(zhì)量為0.2，花費時間也延長為10 min。風柜靜域生成的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格數(shù)量為2.2×105，網(wǎng)格質(zhì)量達到0.64。

綜上所述，無厚度風輪在ICEM非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格生成過程中，相比于有厚度風輪具有明顯優(yōu)勢。

無厚度風輪網(wǎng)格劃分優(yōu)勢如表1所示。

表1 無厚度風輪網(wǎng)格劃分優(yōu)勢

2 FLUENT模型算法

2.1 流場算法

基于FLUENT，采用RANS[5]方程進行流場計算，求解器類型選擇為壓力求解器(pressure based)。為便于后續(xù)分析，筆者引入張量中的指標符號，得到其運動方程如下：

用張量指標形式表示的時均連續(xù)方程為：

(1)

Reynolds方程為：

(2)

標量Φ的時均輸運方程為：

(3)

其中，以上各方程中，i，j的取值范圍為(1，2，3)。

上述方程中，共有6個Reynolds應(yīng)力和5個時均未知量，所以方程組不封閉，需要引入新的湍流模型[6]。

筆者采用RNG k-ε湍流模型[7]，壓強-速度關(guān)聯(lián)采用SIMPLEC算法，更易收斂，離散格式采用二階迎風格式，松弛因子保持默認[8]；邊界條件均采用壓力進口和壓力出口，相對壓力設(shè)為0；風機動靜域之間的耦合采用多重參考系模型Frame Motion，動域轉(zhuǎn)速設(shè)置為760 r/min，轉(zhuǎn)速為實際所測量的風輪轉(zhuǎn)速；風輪設(shè)置為Moving Wall，采用無滑移的壁面條件[9]，旋轉(zhuǎn)絕對速度也設(shè)置為760 r/min，輸出結(jié)果設(shè)置Volume flow rate(風量)監(jiān)控。

2.2 噪聲場算法

在定常計算的基礎(chǔ)上，筆者采用大渦模擬(LES)計算非定常湍流流場，得到噪聲聲源項，然后采用FW-H[10]聲類比方程，得到遠場噪聲場。

FW-H方程是將Navier-Stokes方程按波動方程的形式重新整理而成，經(jīng)過嚴謹?shù)耐茖?dǎo)及數(shù)學演繹，具有廣泛的適用性，表示如下[11]：

(4)

式中：H(f)—Heaviside廣義函數(shù)[12]；C0—音速；t—時間；p—聲壓；▽2—拉普拉斯算子；ρ0—未擾動空氣密度；pij—壓應(yīng)力張量；Tij—Light hill應(yīng)力張量。

離心風機動靜域之間的耦合采用滑移網(wǎng)格Mesh Motion，時間步長Δt設(shè)為0.000 2 s，其他設(shè)置與流場算法一致。

以上設(shè)置得到的是噪聲的時域解，在實際后處理過程中，通過傅里葉變換可以將其轉(zhuǎn)換為噪聲頻域解[13]。

噪聲的計算步長Δt和捕捉噪聲的最高頻率fs關(guān)系如下[14]：

(5)

式中：fs—噪聲最高頻率；k—噪聲讀寫頻率，通常設(shè)為1；Δt—計算步長。

人類所能聽到的聲音最大頻率為20 000 Hz，此處最大的捕捉案例可算得為2 500 Hz。遠場噪聲接收點由全球包絡(luò)法[15]確定，以風機中心為中心點，畫一個半徑為1.414 m的球面，4個測試點A(前)、B(左)、C(后)、D(右)分別處于比風機中心低1 m的水平平面上，與球面表面相交形成均勻分布的4個位置。此處風機模型坐標原點即為中心，可得4個噪音接收點位置坐標分別為：(0,-1,1)，(-1,-1,0)，(0,-1,-1)，(1,-1,0)。

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 流場分析

基于CFD-POST，筆者對離心風機內(nèi)部氣流流動狀態(tài)進行分析，得到風輪速度云圖如圖3所示。

圖3 風輪速度云圖

從圖3中可以看出：

(1)兩者的速度云圖相差甚小，表明在模擬過程中，忽略葉片的厚度進行模擬計算，對風機內(nèi)部的整體流場不會有很大影響；(2)風機內(nèi)部氣流最大速度可達30 m/s，位置位于靠近風機出口的風輪外邊緣處；(3)無厚度風輪在出口的氣流速度平均值為15.26 m/s，而有厚度風輪在出口的氣流速度平均值為15.38 m/s，相差甚小。

風輪葉片往往對風機性能有很大的影響。筆者對葉片附近氣流流動進行了分析，得到風輪葉片的速度矢量圖如圖4所示。

圖4 風輪葉片速度矢量圖

從圖4中可以看出：有厚度風輪葉片處的氣流比無厚度風輪葉片處的氣流流動得更加紊亂，并且在葉片圓弧處的渦流現(xiàn)象會更加明顯。

FLUENT中忽略風輪厚度進行模擬時，計算得到的風量與有厚度風輪基本一致，數(shù)值為18.9 m3/min。對裸風機進行實驗時，得到風量實測值為18.6 m3/min，誤差僅1.6%，這也從側(cè)面驗證了筆者仿真模型和模擬方法的準確性。

3.2 噪聲場分析

從機理的角度上，氣動噪聲可以劃分為湍流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲[16-18]。

風輪表面噪聲源分布如圖5所示。

圖5 風輪表面噪聲源分布

從圖5中可以看出：有厚度風輪和無厚度風輪表面的噪聲源分布基本一致，但無厚度風輪最大噪聲源值為67.8 dB，而有厚度風輪最大噪聲源值達到了75.5 dB，分布在風輪細小的厚度區(qū)域。其主要原因是相比于無厚度風輪，有厚度風輪的葉片邊緣處氣體湍流更加強烈(由圖4也可看出)，所以其湍流噪聲往往較之更加強烈。

渦量是描寫漩渦運動最重要的物理量，而氣體旋渦運動是旋轉(zhuǎn)噪聲的主要來源。

風輪表面渦量分布如圖6所示(其渦量強度都為2 000 s-1)。

圖6 風輪表面渦量分布

從圖6中可看出，在同一渦量強度下，有厚度風輪比無厚度風輪在葉片處的渦量分布會更加密集，即會產(chǎn)生更多的渦流，所以有厚度風輪表面噪聲源會更大[19]。

在FLUENT中，通過大渦模擬LES結(jié)合FW-H聲學方程，可自動捕捉聲源附近的壓力脈動信息，隨后將捕捉得到的信息導(dǎo)入波動方程中，計算得到遠場監(jiān)測點的聲壓級大小。

因為人耳對不同頻率的噪聲感受不一樣，為了使計算得到的聲壓級和人耳聽到的感覺一樣，筆者在FLUENT中對噪聲進行A計權(quán)[20]。

A計權(quán)噪聲1/3倍頻圖如圖7所示。

圖7 A計權(quán)噪聲1/3倍頻圖

從圖7中可以看出，經(jīng)過A計權(quán)計算后風機噪聲基本集中在500 Hz～2 000 Hz之間，無厚度風輪與有厚度風輪聲壓級噪聲值大小及其變化趨勢基本相同。

將其聲壓值取平均值后轉(zhuǎn)換為聲功率值，其聲壓值和聲功率值關(guān)系如下[21]：

LW=LP+10lg(4πr2)

(6)

式中：LW—聲功率值；LP—聲壓值；r—聲源點到監(jiān)控點的距離。

筆者通過數(shù)值模擬得到風輪噪聲值后，與實驗測量的噪聲值進行比較，得到了風輪的噪聲值如表2所示。

表2 風輪噪聲值

從表2中可以看出：無厚度風輪模擬噪聲聲功率值為69.04 dB，有厚度風輪模擬噪聲聲功率值為70.98 dB，相比增大了1.94 dB，這是由于有厚度風輪在葉片邊緣產(chǎn)生的湍流噪聲較大的緣故。

依據(jù)國際標準IEC 651 TYPE II，筆者用噪聲儀進行了風機噪聲實際測量，最終得到噪聲功率值為69.4 dB，這與無厚度風輪模擬出的噪聲值69.04 dB十分接近，誤差僅為0.52%。

雖然模擬得到的聲功率噪聲值與實際測量值差別微小，但是仿真得到的4個監(jiān)控點噪聲值與實際測量的4個監(jiān)控點噪聲值，并未有一一對應(yīng)的趨勢，其每個點的仿真誤差都在4.3%左右。這也是因為FLUENT軟件在模擬遠場噪聲時存在局限性，無法精確地捕捉到遠場監(jiān)控點的具體噪聲值。

4 結(jié)束語

針對離心風機在仿真模擬過程中的準確性和簡便性問題，基于FLUENT，筆者對一款離心風機進行了風輪無厚度模擬，研究了風輪的厚度在模擬過程中所帶來的影響。得到以下結(jié)論：

(1)在非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分的數(shù)量、質(zhì)量及簡便性方面，無厚度風輪比有厚度風輪更具優(yōu)勢；

(2)在模擬計算中，無厚度風輪與有厚度風輪產(chǎn)生的內(nèi)部流場幾乎一致，但是有厚度風輪葉片附近渦流更加明顯，兩者模擬出的風量均為18.9 m3/min，與實際值誤差僅為1.6%；

(3)離心風機A計權(quán)噪聲集中在中頻500 Hz～2 000 Hz區(qū)域，有厚度風輪比無厚度風輪噪音值高1.94 dB，無厚度風輪噪聲值為69.04 dB，更接近實際測量的噪聲值，誤差僅為0.52%。