空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)流場(chǎng)計(jì)算及喘振分析

岳婷 李聰 張蒙 高楓 王成木

摘要：通過對(duì)空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)全流道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)其外特性曲線與測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得到的外特性參數(shù)與測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致;對(duì)內(nèi)部壓力、速度、溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，并得到了鼓風(fēng)機(jī)的喘振及阻塞曲線，結(jié)果顯示，該鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)順暢，效率高，性能好;從得到的喘振及阻塞曲線可知，在多種運(yùn)行轉(zhuǎn)速工況下，轉(zhuǎn)速越接近額定轉(zhuǎn)速，有效運(yùn)行范圍越寬。

關(guān)鍵詞：高速離心鼓風(fēng)機(jī);喘振;阻塞

0 ? ?引言

高速離心鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在10 000 r/min以上，空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)因其效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、壽命長、成本適宜等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)污水處理廠[1-3]。該類高速離心鼓風(fēng)機(jī)采用高速永磁電機(jī)直聯(lián)單級(jí)離心葉輪，軸承采用空氣懸浮軸承[4]。

目前，國內(nèi)外對(duì)通風(fēng)機(jī)、離心鼓風(fēng)機(jī)及離心壓縮機(jī)的研究很多，但對(duì)空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)的研究較少。丁可金等人采用CFD軟件對(duì)離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并將外特性結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法與系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[5-8]。趙斌等人對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并針對(duì)小流量、大流量工況進(jìn)行了離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性分析[9-13]。寧遠(yuǎn)釗等人應(yīng)用CFX軟件及標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，對(duì)兩級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了整機(jī)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬，進(jìn)而預(yù)測(cè)出整機(jī)的性能曲線[14]。張陽柳等人研究了不同轉(zhuǎn)速加裝葉輪對(duì)單級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)全流場(chǎng)的影響，為風(fēng)機(jī)改造提供了指導(dǎo)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[15-16]。代彬等人提出了高壓比葉輪離心鼓風(fēng)機(jī)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)高壓比單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了研究，對(duì)葉輪進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，指出了其效率低的原因，并提出了改進(jìn)方法[17-18]。

目前的研究針對(duì)單級(jí)的、高轉(zhuǎn)速的離心鼓風(fēng)機(jī)較少，為了更清晰地了解空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)的空氣流動(dòng)有更加直觀的認(rèn)識(shí)，本文以某空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其全流道進(jìn)行定常數(shù)值計(jì)算，與樣機(jī)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)和外特性進(jìn)行了研究。

1 ? ?模型及計(jì)算方法

1.1 ? ?幾何模型

本文研究的空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)計(jì)算流場(chǎng)由蝸殼、葉輪、吸入室三部分組成，如圖1所示。

該鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量58 m3/min，壓比約為1.7，轉(zhuǎn)速33 000 r/min，葉片數(shù)12個(gè)（6長6短），葉輪直徑D=192 mm。

1.2 ? ?網(wǎng)格劃分

針對(duì)該流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在劃分過程中，考慮葉頂間隙的影響，在該間隙內(nèi)布置三層網(wǎng)格進(jìn)行加密[19-20]，并保證其他部分網(wǎng)格質(zhì)量足夠好，滿足計(jì)算所需網(wǎng)格質(zhì)量要求。本次計(jì)算模型使用的網(wǎng)格數(shù)量為640萬，Y+值小于10，劃分好的計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示。

1.3 ? ?計(jì)算方法及邊界條件

本文中選取可壓縮的理想空氣為介質(zhì)，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型和Scalable壁面函數(shù)，壓力方程的離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能與耗散率輸運(yùn)方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式。在計(jì)算時(shí)通過監(jiān)測(cè)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣室進(jìn)口截面的質(zhì)量流量和蝸殼出口截面的平均總溫的穩(wěn)定程度，判斷計(jì)算是否收斂。

邊界條件：進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口，出口邊界條件采用質(zhì)量流量。選取額定轉(zhuǎn)速下的計(jì)算參數(shù)，即進(jìn)口溫度為45.2 ℃，出口溫度為117.9 ℃，進(jìn)口壓力101 325 Pa（1 atm），出口流量58 m3/min。

由于鼓風(fēng)機(jī)流動(dòng)域是由多個(gè)部件裝配而成的，在不同部件相交接的地方，均需設(shè)置交接面（Interface）。當(dāng)靜止部件和葉輪交接時(shí)，需采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型（Frozen Rotor）。

2 ? ?數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 ? ?數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果分析比較

本文利用多變效率來計(jì)算葉片的效率，多變效率計(jì)算公式如下：

式中：k為等熵指數(shù);p2為出口壓力;p1為進(jìn)口壓力;T2為出口溫度;T1為進(jìn)口溫度。

圖3為額定轉(zhuǎn)速下數(shù)值計(jì)算得到的Q-Δp（流量—壓差）、Q-η（流量—效率）曲線與測(cè)試結(jié)果對(duì)比情況，從圖中可以看到，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相差較小，最大誤差在5%以內(nèi)。從圖中還可以看到，轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，隨著流量增大，風(fēng)機(jī)的升壓逐漸減少，效率呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，符合風(fēng)機(jī)外特性變化規(guī)律。因此，認(rèn)為此次數(shù)值計(jì)算結(jié)果是可信的。

2.2 ? ?內(nèi)部流場(chǎng)分析

通過軟件后處理，得到高速離心鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況。

圖4為整個(gè)計(jì)算域內(nèi)部的流線分布圖，從圖中可以看到，氣體從進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)過葉片的旋流作用產(chǎn)生加速，經(jīng)過蝸殼的旋流作用流出蝸殼，從流線的流動(dòng)來看，本次計(jì)算流動(dòng)是合理的。

圖5是葉片最低端水平截面速度矢量圖，如圖所示，氣體流過葉片速度增加，形成流動(dòng)的旋流，流動(dòng)區(qū)域的最大流速在270 m/s左右，說明該風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)速度很高，完全處于可壓縮狀態(tài)。氣流流出葉片后，通過蝸殼，形成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。

圖6是葉片頂部區(qū)域水平截面速度矢量圖，由于頂部無分流葉片，在這部分只有葉片的旋流作用，氣流在葉片間形成旋流流動(dòng)，離圓心越遠(yuǎn)，受旋轉(zhuǎn)速度的影響，氣流速度越大。

圖7是葉片最低端水平截面壓力分布云圖，從葉片進(jìn)口到出口，壓力成梯度式遞增分布，符合離心鼓風(fēng)機(jī)壓力分布形式。

圖8是葉片通道的速度矢量圖，可以發(fā)現(xiàn)，在葉片與分流葉片段，速度增速最大，其他區(qū)域速度相對(duì)變化較小。最大流速可以達(dá)到301 m/s左右，因此在設(shè)計(jì)該風(fēng)機(jī)時(shí)，需要考慮氣動(dòng)力對(duì)風(fēng)機(jī)帶來的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響和氣流振動(dòng)影響。