葉福民，馮 露，陳文杰，趙海東

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

離心風(fēng)機(jī)是一種葉輪機(jī)械，在現(xiàn)代工業(yè)中用途廣泛，其性能好壞對節(jié)能降耗影響重大.風(fēng)機(jī)的性能取決于氣動設(shè)計，可以利用計算機(jī)對風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，以便更深入了解風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場.同時，還可以檢驗已有設(shè)計是否滿足設(shè)計需求.據(jù)統(tǒng)計，我國目前使用中的風(fēng)機(jī)80%存在著性能差、效率低及噪聲大的問題［1］.今后開展風(fēng)機(jī)研究的主要熱點是高效、低噪聲風(fēng)機(jī)的理論研究［2］.要想實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的降噪化設(shè)計，對風(fēng)機(jī)噪聲的預(yù)估是必不可少的.

文中運用Fluent流體分析軟件，對某型離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行內(nèi)部流場分析，獲得了風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的詳細(xì)流動情況，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲預(yù)估，為氣動噪聲優(yōu)化提供依據(jù).

1 離心風(fēng)機(jī)的CFD仿真分析

1.1 離心風(fēng)機(jī)的流場仿真

由于數(shù)值模擬分析的對象是三維的流體介質(zhì)，因此所建立的模型應(yīng)該是流體介質(zhì)所經(jīng)過的區(qū)域，并非是通常所看到的風(fēng)機(jī)三維模型.風(fēng)機(jī)流場模型分4個部分:進(jìn)口區(qū)、過渡區(qū)、葉輪和蝸殼.以往分析風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場忽略了蝸殼與葉輪之間的流動規(guī)律.文中對風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行處理時，保留了蝸殼與葉輪之間的區(qū)域.同時，建立通流區(qū)模型時嚴(yán)格按照風(fēng)機(jī)性能試驗要求，即:進(jìn)口區(qū)按照風(fēng)機(jī)吸氣試驗要求將長度設(shè)為大于入口管道直徑的6倍;出口區(qū)按照風(fēng)機(jī)出氣試驗要求將長度設(shè)為大于出口管道直徑的10倍［12］.文中研究對象為某型后向板型離心風(fēng)機(jī)，葉片的厚度為3 mm，葉輪直徑為600mm，葉片的出口安裝角為60°，葉片數(shù)z=12.考慮到誤差的影響，在建立葉輪時，使其盡可能地接近風(fēng)機(jī)葉片外徑，如圖1.

圖1 風(fēng)機(jī)的流場模型Fig.1 Flow model of fan

將風(fēng)機(jī)流場模型先在三維建模軟件Pro/E中以parasolid(*.xt)格式存盤，然后導(dǎo)入到Fluent的前處理軟件Gambit中，進(jìn)行后續(xù)處理.

2 )風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

在風(fēng)機(jī)流道中流動的介質(zhì)是空氣，風(fēng)機(jī)運動區(qū)域內(nèi)的流體屬于湍流運動，內(nèi)部流體可認(rèn)為是不可壓縮氣體，不考慮能量守恒方程，采用定常計算，忽略重力對流場的影響.文中采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，其湍流動能k方程和湍動耗散率ε方程分別為［13］

式中:Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;Gb為由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項;YM代表可壓湍流中的脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn);C1ε，C2ε和C3ε均為經(jīng)驗常數(shù);μt為湍動粘度;σk和σε分別是與湍動能相對應(yīng)的湍流普朗特數(shù);Sk和Sε為用戶定義的源項.

3 )計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接決定計算結(jié)果的準(zhǔn)確度.考慮到風(fēng)機(jī)仿真模型的復(fù)雜性以及在gambit軟件中采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的工作量較大，網(wǎng)格的劃分采用四面體與六面體混合的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，對重要的區(qū)間網(wǎng)格的大小取值小點，非重要的區(qū)域網(wǎng)格的大小取稍微大些，以避免整個模型的網(wǎng)格數(shù)量太大.整個風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格數(shù)大約為60萬，網(wǎng)格模型如圖2.

一般而言，自我價值感主要界定于社會人際、社會心理、社會道德、社會家庭、個人人際、個人心理、個人道德等方面，根據(jù)自我觀、法治觀、群體觀等價值感進(jìn)行劃分，評析價值觀與自我價值感之間的關(guān)系。根據(jù)問卷調(diào)查分析的結(jié)果，大致可以了解到，自我觀除了與個人取向中的自我人際價值觀存在明顯的正相關(guān)關(guān)系外，其他自我價值感均與價值觀存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖2 風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格模型Fig.2 M esh model of fan

4 )流場仿真邊界條件的設(shè)定

流場分析的邊界條件有多種，例如壓力進(jìn)口、流量出口等.根據(jù)文中所研究的風(fēng)機(jī)，具體的邊界設(shè)置為:①進(jìn)口條件 文中給定流量進(jìn)口，流量為1800m3/h;②出口條件 出口處采用自由出流;③旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)置 葉輪的旋轉(zhuǎn)采用無滑移邊界條件，轉(zhuǎn)速為2900 r/min.

5 )風(fēng)機(jī)流場計算仿真及收斂性判斷

模擬仿真離心風(fēng)機(jī)的流場時，選用ANSYS軟件自帶的Fluent模塊進(jìn)行流場計算，求解器采用SEGREGATED分離式隱式求解器;湍流能、湍流耗散項、動量守恒方程都采用一階迎風(fēng)格式離散，采用simple方法求解控制方程.當(dāng)所監(jiān)控的物理量達(dá)到預(yù)設(shè)的數(shù)值時，認(rèn)為計算收斂，求解得到離心風(fēng)機(jī)各流動參數(shù)在整個流場中的分布情況.

1.2 風(fēng)機(jī)流場計算結(jié)果

根據(jù)上述一系列的參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過約470次迭代運算后計算達(dá)到收斂，可獲得分析結(jié)果.圖3為葉輪的速度矢量分布圖，圖4為葉輪的速度梯形云圖.

圖3 葉輪的速度矢量分布圖Fig.3 Velocity vector distribution of impeller

圖4 葉輪的速度梯形云圖Fig.4 Speed trapezoidal contour of im peller

由圖3，4可見，葉片根部氣體的速度最小且流動均勻，速度最小為2.63m/s，與葉輪的回轉(zhuǎn)軸線相距越遠(yuǎn)的地方流動速度越大，直至葉片邊緣處速度最大，速度最大為8.93m/s.氣體進(jìn)入葉輪后，氣流流經(jīng)葉片時，由于葉輪的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生了垂直于葉片表面的相對速度，葉輪對氣流做功，使得氣體流速增加，氣體速度變化比較均勻，從葉輪進(jìn)口至出口，速度梯度變化平緩遞增.

圖5為葉輪的全壓云圖，圖6為葉輪的靜壓云圖.

圖5 葉輪的全壓云圖Fig.5 Total pressure contours of im peller

圖6 葉輪的靜壓云圖Fig.6 Hydrostatic cloud of impeller

由圖5，6可見，在葉片壓力從葉輪內(nèi)緣至外緣逐漸增大，葉根到葉片中部為負(fù)壓，即，此部分從進(jìn)口吸入空氣后壓力逐漸增大;靜壓分布從葉輪進(jìn)口至葉輪出口，壓力明顯遞增，葉輪出口處壓力達(dá)到最大;壓力梯度變化在葉片正表面高于負(fù)面.

圖7為風(fēng)機(jī)內(nèi)部的z=35mm截面上速度矢量圖.

圖7 z=35mm截面速度矢量圖Fig.7 Velocity vector of section w ith z=35mm

由圖7可見，氣流經(jīng)過葉輪的帶動，以較高的流速流入蝸殼，速度順著渦殼流道從小到大的方向逐漸減小，最后以很小的速度勻速流出風(fēng)機(jī)出風(fēng)口.

圖8～10分別為蝸殼的全壓云圖、靜壓云圖和動壓云圖.

圖8 蝸殼的全壓云圖Fig.8 Total pressure contours of volute

圖9 蝸殼的靜壓云圖Fig.9 Hydrostatic cloud of volute

圖10 蝸殼的動壓云圖Fig.1 0 Dynam ic pressure cloud of volute

由圖8～10可見，蝸殼整體全壓分布基本穩(wěn)定，只是在蝸殼內(nèi)側(cè)的靜壓與全壓均偏低，此部分為蝸殼與葉輪的中間區(qū)域.風(fēng)機(jī)的蝸舌部分是一個比較敏感的區(qū)域，圖9顯示蝸殼的靜壓在蝸舌區(qū)域發(fā)生突變，而在圖10中蝸舌地帶動壓分布復(fù)雜，在葉輪與蝸舌附近一側(cè)，是動壓力較高的區(qū)域，在蝸舌與出口較近的一側(cè)，是動壓力最低的一側(cè).

上述流場的分析結(jié)果，相比較不考慮葉輪與蝸殼之間區(qū)域的流場分析結(jié)果［14］而言，更加貼合實際情況.

2 風(fēng)機(jī)的氣動噪聲預(yù)估

對于同一結(jié)構(gòu)形式的通風(fēng)機(jī)或同一系列通風(fēng)機(jī)，若已知其比A聲級LSA，則各機(jī)號的A聲級LA可按公式計算

式中:qv為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，ptF為風(fēng)機(jī)的全壓.

文中的研究對象為某型后向板型葉片離心風(fēng)機(jī)，由《通風(fēng)機(jī)噪聲限值》可知，式(3)中的LSA取值為27［15］.

前面已經(jīng)對離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了風(fēng)機(jī)在流量1800m3/h，工況轉(zhuǎn)速為2900 r·m1下的流場結(jié)果，由于建立流場模型時加長了進(jìn)氣口以及出氣口，所以流場模型中的進(jìn)氣口及出氣口并非真實的進(jìn)氣口與出氣口，需要在真實的進(jìn)氣口與出氣口位置建立兩個面，即建立真實情況下的進(jìn)出口面.

3 結(jié)論

1 )考慮了蝸殼與葉輪之間的區(qū)域，建立了更加貼合實際的風(fēng)機(jī)流場模型，計算得到的流場更加接近實際工況;

2 )葉片根部氣體的速度最小且流動均勻，與葉輪的回轉(zhuǎn)軸線相距越遠(yuǎn)流動速度越大，直至葉片邊緣處速度最大.葉輪對氣流做功，使得氣體流速增加，氣體速度變化比較均勻，從葉輪進(jìn)口至出口，速度梯度變化平緩遞增;

3 )氣流經(jīng)過葉輪的帶動，以較高的流速流入蝸殼，速度順著蝸殼流道從小到大的方向逐漸減小，最后以較小的速度勻速流出風(fēng)機(jī)出風(fēng)口;

4 )蝸殼整體全壓分布基本穩(wěn)定，只是在蝸殼內(nèi)側(cè)的靜壓與全壓均偏低，此部分為蝸殼與葉輪的中間區(qū)域;

5 )風(fēng)機(jī)的蝸舌部分是一個比較敏感的區(qū)域，蝸殼的靜壓與動壓在蝸舌區(qū)域均發(fā)生突變.

References)

［1］ 鄭孝東.提高煤礦主通風(fēng)機(jī)效率的途徑及措施［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2001(5):5355.

Zheng Xiaodong.Improve the efficiency of mine main ways and measures［J］.Fan Technology，2001(5):5355.(in Chinese)

［2］ 李悅.中國風(fēng)機(jī)行業(yè)發(fā)展分析報告［EB/OL］.［20080902］.http:∥www.efenji.org.

［3］ 李建鋒，呂俊復(fù).風(fēng)機(jī)流場的數(shù)值模擬［J］.流體機(jī)械，2006，34(4):1013.

Li Jianfeng，Lv Junfu.Numerical simulation of flow field for the fan［J］.Fluid Machinery，2006，34(4):1013.(in Chinese)

［4］ 袁鳳東，由世俊，高立江.基于CFD的地鐵用軸流風(fēng)機(jī)性能模擬［J］.流體機(jī)械，2006，34(5):2630.

Yuan Fengdong，You Shijun，Gao Lijiang.Based on CFD simulation performance axial fan for Subway［J］.Fluid Machinery，2006，34(5):2630.(in Chinese)

［5］ 方開翔，李豪杰，高慧.基于Fluent6.0的風(fēng)機(jī)流場模擬與噪聲預(yù)估［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，22(4):4247.

Fang Kaixiang，Li Haojie，Gao Hui.Simulation of inside flow field and noise forecast for a fan based on Fluent 6.0［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2008，22(4):4247.(in Chinese)

［6］ Martin Gabi，Toni Klemm.Numerical and experimental investigations of cross:flow fans［J］.Journal of Computational and Applied，2004，5(2):251261.

［7］ Juniehiro Fukutomi，Rei Nakamura.Performance and internal flow of cross:flow fan with inlet guide vane［J］.JSME International Journal，2005，48(4):763769.

［8］ 胡俊偉，丁國良，趙立，等.貫流風(fēng)機(jī)流場模擬與性能分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2004，40(4):6266.

Hu Junwei，Ding Guoliang，Zhao Li，et al.Cross flow fan flow field simulation and performance analysis［J］.Chinese Journal ofMechanical Engineering，2004，40(4):6266.(in Chinese)

［9］ 毛義軍，祁大同.葉輪機(jī)械氣動噪聲的研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2009，39(2):189202.

Mao Yijun，Qi Datong.Turbomachinery aerodynamic noise research［J］.Mechanics Development，2009，39 (2):189202.(in Chinese)

［10］ 王東寶，呂鍵，黃東濤，等.低壓軸流風(fēng)機(jī)噪聲的數(shù)值預(yù)估［J］.流體機(jī)械，2001，29(5):2527.

Wang Dongbao，Lv Jian，Huang Dongtao，et al.Low noise axial fan numerical prediction［J］.Fluid Machinery，2001，29(5):2527.(in Chinese)

［11］ 王東寶，李嵩，李孝寬，等.低壓軸流風(fēng)機(jī)噪聲頻譜預(yù)估及實測［J］.流體機(jī)械，2004，32(1):79.

Wang Dongbao，Li Song，Li Xiaokuan，et al.Low pressure axial fan noise spectrum estimation and measurement［J］.Fluid Machinery，2004，32(1):79.(in Chinese)

［12］ 吳玉林，陳慶光，劉樹紅.通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005:300301.

［13］ 王福軍.計算流體動力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:250251.

［14］ 周侶勇.風(fēng)機(jī)振動噪聲分析與數(shù)值模擬研究［D］.湖北武漢:武漢理工大學(xué)，2007:4041.

［15］ 商景泰.通風(fēng)機(jī)實用技術(shù)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:320321.