基于fluent仿真與分析葉片數(shù)量對離心蝸殼性能的影響

周駿堯

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528300）

引言

隨著時代的進步和我國工業(yè)化、城市化的高速發(fā)展，人們對生活環(huán)境要求也不斷提升。吸油煙機作為人民生活必不可少的廚房電器設(shè)備之一，其吸煙效果直接影響到人們的生活質(zhì)量及身體健康。多翼離心風機具有大風量、高靜壓、尺寸小等優(yōu)點，常常作為核心部件應(yīng)用在家用吸油煙機中。多翼離心風機的工作原理是，電機帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)將氣體加速,然后氣體在蝸殼內(nèi)部減速、改變流向，使動能轉(zhuǎn)換成勢能（壓力）的過程；家用吸油煙機一般采用單級離心風機，烹飪所產(chǎn)生的有害煙氣從軸向進入轉(zhuǎn)動的葉輪，氣流經(jīng)過葉輪時改變成徑向，最后排除室外。作為多翼離心風機的核心性能部件——葉輪，它是由若干弧形葉片所組成。葉片沿著一定圓周角度均勻分布在圓形蓋板上，它們之間所形成的空間就是葉輪的流道。

葉輪的流道形狀主要取決于三個因素：葉片數(shù)、葉片型線和葉片厚度，葉輪的流道形狀與多翼離心風機性能優(yōu)劣密切相關(guān)。較少的葉片數(shù)可以增大過流面積，降低加工精度，但會弱化葉輪對于流體的控制能力，進而影響風機的壓力與效率；葉片數(shù)過多雖可降低各葉片所受負荷，但會使葉片相鄰間距減少，增加空化機率，影響風機性能。成心德運用動量守恒理論對離心葉輪的葉片數(shù)量進行深入分析，并最終得到葉片數(shù)量的選取公式（選取σ=2.2～3.5適宜）[1]。

本文利用仿真軟件Fluent對吸油煙機的離心風機系統(tǒng)進行工作狀態(tài)數(shù)值模擬及仿真分析，探究在不同葉片數(shù)量狀態(tài)下的截面速度、壓力、速度動能分布等，得出最佳葉片數(shù)量及相關(guān)結(jié)論。

1 仿真建模

1.1 內(nèi)流場建模

常用吸油煙機的多翼離心風機主要有以下幾個部分組成：電機、葉輪、導風圈、蝸殼所組成，其中蝸殼有蝸殼圍板、蝸舌、蝸殼支架等，實際生產(chǎn)是通過鉚接、焊接等工藝把蝸殼鈑金拼接而成部件，所以對流場影響不大的縫隙進行簡化。建立三維離心風機系統(tǒng)模型及參數(shù)如圖1及表1所示。

表1 離心風機流道模型參數(shù)

圖1 離心風機系統(tǒng)三維模型圖

葉片數(shù)量選用公式：

根據(jù)公式（1）得到葉片數(shù)量范圍51～80 葉，考慮到葉片太多會增加安裝精度，故建立葉片數(shù)為52 葉、56 葉、60 葉、64 葉、68 葉的葉輪模型，分別進行其工作狀態(tài)進行仿真分析。

1.2 網(wǎng)格劃分

把三維模型導入到ANSYS中，使用SpaceClaim打開并編輯，利用體積抽取命令，提取蝸殼殼體內(nèi)流體域作為蝸殼區(qū)域。通過boolean運算刪去蝸殼區(qū)域內(nèi)的葉輪等實體模型，創(chuàng)建葉輪集合拓撲結(jié)構(gòu)定義為葉輪區(qū)域；為使空氣流入蝸殼速度更均勻，以及蝸殼出口動能充分轉(zhuǎn)化為壓力能，提高數(shù)據(jù)準確性，對蝸殼進口及出口添加延長段并把它劃分為進口和出口延長區(qū)域；這樣整個離心蝸殼的計算區(qū)域分為進口區(qū)域、葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域、出口區(qū)域。定義進口壁in和出口壁out，其他壁面wall，待網(wǎng)格生成后進行光順和網(wǎng)格質(zhì)量檢查，計算流體域網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

對葉輪區(qū)域進行加密網(wǎng)格劃分，定義最小單元位2 mm，邊緣膨脹為5 層，增長率為1.2，各個葉輪與蝸殼流域間通過 interface 連接。采用逐漸加密網(wǎng)格的方式，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，發(fā)現(xiàn)計算網(wǎng)格劃分質(zhì)量逐漸趨于穩(wěn)定，為保證計算結(jié)果準確性的同時加快求解速度，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為 156 萬，網(wǎng)格單元質(zhì)量0.823。

1.3 求解模型及計算方法

本文所建立的離心風機系統(tǒng)流動仿真過程不考慮熱交換，假設(shè)空氣在蝸殼內(nèi)流動是穩(wěn)定的,并且旋轉(zhuǎn)域與蝸殼域作用效果是近似平均,只需要求系統(tǒng)的近似解場合，故選擇 MRF 多重參考系方法，SIMPLEC 算法；湍流耗散項、湍流動能和動量方程的離散均采用二階迎風格式，RNG k-湍流模型對風機進行數(shù)值模擬。在 Fluent軟件中同時監(jiān)控了迭代殘差、關(guān)鍵截面的壓力、葉輪的無量綱扭矩等。當觀察迭代殘差降低趨勢情況，同時監(jiān)視的風機出口的流出空氣質(zhì)量變化量少于0.5 %時，則認為收斂，計算結(jié)束，如圖3所示。

圖3 出口質(zhì)量變化曲線圖

1.4 仿真結(jié)果分析

因該型號離心蝸殼系統(tǒng)是通過上、下進風方式，以蝸殼中間面建立參考平面分別得到不同葉片數(shù)量工作狀態(tài)的靜壓云圖。從圖4的靜壓云圖，可見蝸殼內(nèi)部壓力沿著葉輪依次減少，這是因為空氣流過葉片后，流速漸漸降低，動能轉(zhuǎn)化為勢能；當氣流不斷擠壓到蝸殼壁面時，又使蝸殼壁面壓力不斷增大。隨著氣流沿著壁面流動，到達蝸殼出口處，流速又開始增大，靜壓降低。

從圖4不同葉片數(shù)量的靜壓分布圖可得到，Z=52葉輪所產(chǎn)生的靜壓較低，隨著葉片數(shù)量增加，葉片對外產(chǎn)生靜壓也不斷增大；但是當葉片數(shù)量增加到64 葉以上，隨著葉片之間的流道流入口體積減少，葉片對氣流做工降低，流速下降，從而導致整個蝸殼產(chǎn)生靜壓降低。葉片數(shù)量在60 葉左右，其靜壓達到最大值。

圖4 不同葉片數(shù)量的靜壓云圖

從圖5可見，Z=60比Z=56的最大速度有明顯的提升，且葉片附近速度流場分布更加均勻；Z=56在蝸舌附近出現(xiàn)較大范圍的回流區(qū)域。可見葉片數(shù)量為60 葉的離心蝸殼系統(tǒng)，能較有效把機械能轉(zhuǎn)化成勢能。

圖5 流速圖

1.5 性能分析

離心蝸殼效率公式：

式中：

Q—蝸殼出口流量；

H—離心蝸殼全壓；

ω—葉輪轉(zhuǎn)速；

M—旋轉(zhuǎn)葉輪的扭矩。

旋轉(zhuǎn)葉輪的扭矩公式:

式中：

ρ—流體的密度；

U—特征速度；

A—特征面積；

L—特征長度；

Cm—無剛量的扭矩系數(shù)。

蝸殼系統(tǒng)全壓、出口流量、旋轉(zhuǎn)葉輪扭矩均可直接從fluent中讀取，見圖6。

圖6 葉輪扭矩

根據(jù)公式（2），以Z=60的離心蝸殼系統(tǒng)為算例，可得效率為：

按照以上步驟，分別得到不同葉片數(shù)量在80 rad/s下的蝸殼系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)及其效率，如表2所示。

表2 不同數(shù)量葉片的蝸殼流量、全壓、扭矩數(shù)值

從上表結(jié)果來看，當葉片數(shù)量小于60 葉時，蝸殼內(nèi)部產(chǎn)生的全壓較低，而且在蝸舌附近產(chǎn)生回流區(qū)域，影響導致出口流量較少；葉片數(shù)量大于60 葉時，由于葉片間距減少導致流道體積減少，葉片扭矩降低，流速下降，導致系統(tǒng)效率不高；當葉片數(shù)量Z=60時，扭矩，出口流量、效率達到駱峰，這表明此時離心蝸殼性能達到最佳狀態(tài)。

圖7 不同數(shù)量葉片的離心蝸殼效率變化曲線

3 結(jié)論

本文通過fluent三維仿真軟件對某型號離心風機工作狀態(tài)進行模擬，針對不同葉片數(shù)量葉輪對風機內(nèi)部系統(tǒng)影響，得到以下結(jié)論：

在相同轉(zhuǎn)速下，隨著葉片數(shù)量的增加，離心蝸殼內(nèi)部的全壓、出口流量也隨之增加，增加一定數(shù)量葉片能強化控制流動能力；但隨著葉片數(shù)量不斷增加，會造成葉片之間的流道體積減少，降低葉輪對空氣做功能力增加空化率，因此在離心葉輪的葉片數(shù)量上是存在一個最優(yōu)數(shù)量值。

在實際離心風機系統(tǒng)設(shè)計過程中，可先根據(jù)理論公式，計算出離心風機葉片數(shù)量范圍，再結(jié)合fluent進行工作模擬，得到葉片最優(yōu)數(shù)量值，能有效縮短離心風機開發(fā)設(shè)計周期。