張 雷

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原030006）

目前局部通風(fēng)離心風(fēng)機基本上都采用尺寸小、噪聲低的多翼離心風(fēng)機配合蝸殼風(fēng)道。局部通風(fēng)用離心風(fēng)機及蝸殼的設(shè)計多是在滿足風(fēng)量要求的基礎(chǔ)上盡量降低噪聲〔1〕?，F(xiàn)在隨著計算流體動力學(xué)的發(fā)展，CFD方法逐漸應(yīng)用到離心風(fēng)機的研究開發(fā)當(dāng)中，通過數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比，不同方案的數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，進一步提出改善方案，選擇最優(yōu)方案，降低實驗成本，提高風(fēng)量，降低噪音。

本文針對某局部通風(fēng)離心風(fēng)機建立其全流場的流道分析模型，設(shè)計了多翼離心風(fēng)機及匹配的兩種蝸殼，建立了離心風(fēng)機整機三維全流場仿真模型，對不同蝸殼及風(fēng)機組合方案下的速度場及壓力場進行了詳細(xì)地對比分析，最終選定風(fēng)機及蝸殼的最優(yōu)組合方案。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

離心風(fēng)機及兩種蝸殼的幾何結(jié)構(gòu)（見圖1），其中（a）為原方案蝸殼，（b）為增大漸開度的優(yōu)化方案蝸殼。

圖1 離心風(fēng)機及蝸殼幾何模型

目前數(shù)值計算采用的網(wǎng)格可分為結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩大類，鑒于離心風(fēng)機葉片曲面形狀復(fù)雜，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對復(fù)雜及彎曲外形的適應(yīng)能力又非常強，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分整機流道〔2〕，整機流道的網(wǎng)格劃分結(jié)果（見圖2）。后續(xù)對比分析主要截面位置（見圖3），從右往左依次是Z1截面至Z4截面。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖3 主要分析截面

2 數(shù)值算法及邊界條件

離心風(fēng)機內(nèi)流場為湍流粘性流動，其控制方程為：

與之對應(yīng)的k及ε的控制方程為：

采用SIMPLE算法實現(xiàn)速度與壓力之間的耦合，采用分離式隱式方案求解三維時均雷諾N－S方程 ，就可以聯(lián)立方程組進行數(shù)值計算〔3〕。

進口采用壓力進口邊界條件，給定風(fēng)機進口的總壓，并定義流體流動方向給定進出口湍流動能和湍流動能耗散率。出口采用壓力出口邊界條件，給定風(fēng)機出口的靜壓。在回流中還包括其它的標(biāo)量，當(dāng)出現(xiàn)回流時，使用壓力出口邊界條件來代替質(zhì)量出口條件常常有更好的收斂速度〔4〕。采用運動參考坐標(biāo)系模型實現(xiàn)動－靜界面間的數(shù)據(jù)傳遞，完成定常流動下的數(shù)值計算〔5〕。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同蝸殼速度場對比分析

圖4～圖5依次為相同風(fēng)扇，兩種不同蝸殼工況下Z1～Z4截面的速度場對比，可以看出，兩種蝸殼的速度矢量在蝸殼型線外側(cè)貼附的較好，經(jīng)由葉輪的高速氣流緊貼蝸殼外側(cè)型線方向流出蝸殼，而在靠近蝸舌區(qū)域形成明顯的漩渦。對比之下，右側(cè)蝸殼在蝸舌附近形成的漩渦較小，而左側(cè)蝸殼在蝸舌區(qū)域存在明顯的漩渦，致使流量減小，蝸殼處輻射的噪音也會較大。這主要是因為優(yōu)化蝸殼蝸舌半徑較小，蝸舌與葉輪間隙減小。原蝸殼由于出口開度較小，致使蝸舌附近的一部分氣流由于受到風(fēng)機葉輪形成的負(fù)壓作用下流回葉輪，而無法順暢流出蝸殼出口，從而導(dǎo)致在蝸舌附近出口處形成回流〔6〕?；亓餍纬傻匿鰷u使蝸殼出口處的有效流通面積減小，導(dǎo)致蝸舌附近流道情況惡化，降低風(fēng)量，產(chǎn)生氣動噪音。因而，優(yōu)化蝸殼通過增大出口開度，合理設(shè)計蝸殼漸開型線，改小蝸舌半徑，改善蝸殼附近的流動狀況。

圖4 不同蝸殼Z1截面速度場對比

圖5 不同蝸殼Z2截面速度場對比

從圖6及圖7可以看出，Z3和Z4截面處蝸殼出口都存在較大回流區(qū)域，占據(jù)了較大的出口截面，這是因為離心風(fēng)機電機采用內(nèi)置于風(fēng)機輪轂內(nèi)結(jié)構(gòu)，增大了風(fēng)機底盤與后壁板的間隙，對風(fēng)機后盤處氣流有較為不利的影響，致使出口回流嚴(yán)重。由于優(yōu)化蝸殼漸開度增大，回流現(xiàn)象相比原蝸殼有所減弱。

圖6 不同蝸殼Z3截面速度場對比

圖7 不同蝸殼Z4截面速度場對比

3.2 不同蝸殼壓力場對比分析

從圖8～圖11兩種不同蝸殼Z1～Z4截面的壓力場對比可以看出，離心風(fēng)機右側(cè)靠近出風(fēng)口方向存在明顯的低壓區(qū)，這是因為氣流在此位置高速脫離葉片進入出口流道，速度較高，形成負(fù)壓區(qū)。兩種蝸殼型線下，在蝸舌附近都存在較小范圍的高壓區(qū)，這是由于氣流沖擊蝸舌，由于蝸殼的增壓作用造成的。相比之下，右側(cè)優(yōu)化蝸殼型線漸開度變化平緩，流道出口截面變化率較低，致使優(yōu)化蝸殼在緊貼蝸殼區(qū)域壓力變化梯度比較明顯，說明氣流對優(yōu)化蝸殼型線的貼附性較好〔7〕，流場變化較順暢。

整體蝸殼流道內(nèi)的壓力變化體現(xiàn)出氣流經(jīng)過葉輪做功到達蝸殼出口區(qū)域的靜壓逐步提升，體現(xiàn)出蝸殼集流增壓的作用〔8〕。整體上，流道內(nèi)的低壓區(qū)出現(xiàn)在靠近蝸殼出口處葉輪做功區(qū)。

圖8 不同蝸殼Z1截面的靜壓分布對比

圖9 不同蝸殼Z2截面的靜壓分布對比

圖10 不同蝸殼Z3截面的靜壓分布對比

圖11 不同蝸殼Z4截面的靜壓分布對比

4 結(jié)語

采用CFD方法完成了局部通風(fēng)多翼離心風(fēng)機與兩種蝸殼匹配組合方案下的數(shù)值計算，對比分析了內(nèi)流場內(nèi)速度場及壓力場的分布規(guī)律。數(shù)值分析結(jié)果揭示了離心風(fēng)機及蝸殼內(nèi)部流場的基本特征，對多翼離心風(fēng)機及蝸殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及噪聲控制提供了理論依據(jù)，具有重要參考意義。

〔1〕陳懷修，李 嵩 .利用三維數(shù)值模擬改進離心通風(fēng)機設(shè)計〔J〕.風(fēng)機技術(shù)，2003（2）：6－8.

〔2〕Velarde－Sandra.Numerical Prediction of The Aerodynamic Tonal Noise in A Centrifugal Fan〔J〕.Experimental Thermal and Fluid Science，2002，26（5）：421－434.

〔3〕余曉明，胡 迪 .多翼式離心空調(diào)通風(fēng)機流場數(shù)值模擬與分析〔J〕，流體機械，2007，35（7）：15－19.

〔4〕Karin H.A study on centrifugal impeller and diffuser flow〔J〕.ASME Journal of Engineering for Power，1981，103：688－697.

〔5〕Miyamoto Hiroyuki，Nakashima Yukitoshi.Effects of Splitter Blades on The Flows and Characteristics in Centrifugal Impeller〔J〕.JSME International Series 1992，35（2）：238－246.

〔6〕王維斌 .對旋式通風(fēng)機全流場內(nèi)壓力脈動及氣動噪聲特性的數(shù)值研究〔D〕.青島：山東科技大學(xué)，2009.

〔7〕Wan－Ho Jeon.A numerical study on the effects of design parameters on the performance and noise of a centrifugal fan〔J〕.Journal of Sound and Vibration，2003，Vol.265：221－230.

〔8〕Roland Ewert.Broadband slat noise prediction based on CAA and stochastic sound source from a fast random particlemesh（RPM）method〔J〕.Computers ＆Fluids，2008，37：369－387.