多翼离心式风机流场数值模拟
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-53-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Nov.2019·中国科技信息2019年第21期31万～60万◎
多翼离心式风机是一种叶轮机械，因为其噪音低、压力系数高得到广泛使用，在国防事业和国民经济中发挥着重要作用。多翼离心式风机的气动特性受到风机内部的尾流、压力脉动、边界层分离及旋涡脱落的很大影响； 同时其内流场的三维流动是全粘性的，要想准确地测试叶轮流道内的流动现象通过实验的手段是困难且很局限的。与多翼离心风机整机三维流场分析相关的数值模拟不多，而要想真实反映风机内部流动特性通过对某个流道或截面的数值计算是很难实现的。笔者首先使用solidworks建立风机整机模型，通过布尔运算得到风机内部流体模型，再使用ICEM CFD划分高质量混合网格，最后使用成熟的CFX软件对多翼离心风机整机的三维内部流场进行数值分析， 浅析了前置整流叶片对离心风机流场的作用，为离心式风机的改进优化提供依据。 模型建立及网格生成模型建立多翼离心式风机的叶轮结构如材料中图1（a）所示，根据统计资料，其主要结构参数所在范围（α＞60°， β≥154°，内外径比0.8～0.95，叶片数32～64），其性能较优，具体结构参数如表1所示，模型结构如图1所示。表1 叶轮主要结构参数参数符号值外径/mm2D155内外径比21DD0.85高度/mmH140进口安装角/（°）α90出口安装角/（°）β158叶片数43行业曲线linkindustryappraisementDOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2019.21.017可替代度影响力可实现度行业关联度真实度再次使用solidworks通过布尔运算建立风机全流场模型，如图2所示，其中包括进气口部分、蜗壳内及离心叶轮流道的流体域，计算模型中对进气口进行了少量延伸。网格划分多翼离心式风机结构复杂且复杂曲面较多，所以笔者选择使用非结构化网格进行化分，充分利用其适应能力强且易于局部控制的优点，网格划分质量对模拟结果准确性至关重要，同时为减少计算量，笔者选择使用混合网格并对叶轮流道及交界面的网格进行加密。流体域网格分布如图3所示，网格总数2643322，其中进气口到叶轮之间流体域网格数为803984，离心叶轮流道流体域网格数为1288055，蜗壳内流体域网格数551283，网格数量较大，且质量良好。数值计算方法控制方程及计算方法本文以雷诺时均Navier－Stockes方程和标准 k－ε 双方程湍流模型为基础。假设空气是理想气体，可以得到质量守恒方程，同时风机中流动的气体要遵循动量守恒定律，由此定律可以推出x，y和z方向的动量守恒方程，具体方程与材料中控制方程相同。使用有限体积法离散上面的控制方程，以压力－速度隐式修正 SIMPLE 算法为压力和速度耦合方式，收敛残差设为 0.0001，风机内介质为25℃空气。 边界条件及其他设置进口的设定是压力入口，总压为101325Pa，湍流强度设定为 5%。出口的设定是压力出口，设置静压为张阳柳（1998-）男，陕西省榆林人，汉，本科，研究方向：机械自动化。西北工业大学张阳柳 多翼离心式风机流场数值模拟作为一种通风设备多翼离心式风机在日常生活中被普遍使用。为达到节能减排目标，提高风机的效率，给多翼离心式风机添加前置整流叶片减少能量损失。现采用 SIMPLE 算法，以雷诺时均Navier－Stockes方程和标准 k－ε双方程湍流模型为基础，通过ANSYS CFX软件，对一台采用单圆弧叶型的多翼离心式风机流场进行数值模拟研究，揭示了其内部流动的主要特征，检验添加整流叶片的可行性，为离心风机的优化设计提供有效依据。
图1 模型结构图中国科技信息2019年第21期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Nov.2019
-54-◎31万～60万121325Pa。将风机内部分为一动两静3个区域，进气口部分、蜗壳内流体静止，离心叶轮流道的流体旋转，旋转速度为2950 r/min，因为3个区域网格单独生成高质量网格，相邻两区域的交界面不共节点，因此生成interfaces，利用插值交换信息，旋转域与静止域交界面间的耦合作用采用“冻结转子法”（Frozen Rotor）处理。结果分析本文着眼于多翼离心风机整机的三维内部流场，旨在探究添加整流叶片后风机内部流场的压力与速度，为此笔者将流场高度为140mm的流体域划分为10层，分别于14mm，28mm，42mm，56mm，70mm，84mm，98mm，112mm，126mm高度处设置观测面，进行压力与速度分析。离心风机内部流场不同高度的压力云图如图4所示。离心风机内部流场不同高度的速度云图如图5所示。H=126mm离心风机内部流场三个不同高度的速度矢量图如图6所示。从压力云图中可以看出流场压力的分布情况，从流场不同高度压力云图的对比中可以看出前置整流叶片将流场分割为数块区域，各区域的压力差别较大，风机流场高度越低压力分布越均匀，且压力分布更集中；从速度云图可以看出风机进口气体流动速度较大，前置整流叶片区域流速较快的地方集中在出口前的两块区域，前向叶轮导致不同程度的气体回流，前置整流叶片对气体产生阻滞，加重回流情况，从三个高度的速度矢量图可以看出有漩涡产生，在蜗舌附近气体图2 离心式风机全流场计算域图3
H=126mmH=14mmH=28mmH=42mmH=56mmH=70mmH=84mmH=98mmH=112mm图4
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阻滞加重，能量损失较大。结语本文通过数值模拟的方法对一台添加前置整流叶片的离心式风机的内部流场进行分析研究，揭示了风机内部压力与速度分布，虽然计算存在一定的偏差，但是依然可以进行简单地定性分析，通过对得到的压力云图、速度云图以及速度矢量图的分析，可以得出结论，前置整流叶片的添加并不能起到明显的整流作用，反而因为前置整流叶片的添加出现了气流的阻滞，同时因为采用前向叶片气体回流后受到阻滞出现漩涡，增大了能量的耗散，使离心风机的效率愈发降低，并未实现离心风机效率提高的目标。H=112mmH=126mmH=14mmH=28mmH=42mmH=56mmH=56mmH=70mmH=84mmH=98mm图5图6H=14mmH=70mm
