（冀東日彰節(jié)能風(fēng)機(jī)制造有限公司，唐山 063210）

周海軍 劉慧琴

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高效離心式風(fēng)機(jī)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬

（冀東日彰節(jié)能風(fēng)機(jī)制造有限公司，唐山 063210）

周海軍 劉慧琴

摘 要：以離心式風(fēng)機(jī)為主要研究對(duì)象，簡(jiǎn)要介紹離心式風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，并在此基礎(chǔ)上，采用PRO/E軟件，對(duì)集風(fēng)器、葉輪和蝸殼進(jìn)行三維模型的建立，同時(shí)應(yīng)用ANYSY軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定計(jì)算流域及邊界條件，最后利用其求解器進(jìn)行模擬計(jì)算，得出其內(nèi)部流動(dòng)的特性。結(jié)果表明：模擬的風(fēng)機(jī)效率高、氣體流動(dòng)性好，為下一步離心式風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造提供了重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離心式 風(fēng)機(jī) 三維 數(shù)值模擬

引言

隨著新興經(jīng)濟(jì)體國(guó)家向工業(yè)化邁進(jìn)的步伐加快，發(fā)展中國(guó)家城鎮(zhèn)化突飛猛進(jìn)［1］。從建材行業(yè)的水泥窯外分解、回轉(zhuǎn)窯尾排氣，到火力發(fā)電系統(tǒng)中鍋爐的送風(fēng)、引風(fēng)，再到冶金行業(yè)的高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼，石油化工行業(yè)的三大合成以及煤炭工業(yè)的礦井通風(fēng)和大型建筑物的空調(diào)等［2］，各行各業(yè)對(duì)離心式風(fēng)機(jī)的應(yīng)用日漸廣泛。目前，由于環(huán)境污染和能源緊缺所引發(fā)的一系列自然災(zāi)害，向人類敲響了警鐘。因此，設(shè)計(jì)高效率、低成本的風(fēng)機(jī)具有十分重要的意義。

1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

風(fēng)機(jī)主要由流通部件（集風(fēng)器、葉輪、蝸殼和出風(fēng)口）、傳動(dòng)部件（主軸、聯(lián)軸器和軸承）和支撐部件（軸承座和底座）組成［3］。工作原理為：葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將經(jīng)過(guò)集流器的氣體沿軸向吸入葉輪，折轉(zhuǎn)90°后經(jīng)葉道排出葉輪，最后由蝸殼將葉輪排出的氣體集中，并導(dǎo)流后從出風(fēng)口排出。由于葉片的作用，氣體的壓力和動(dòng)能均增加。本文主要對(duì)集流器、葉輪及蝸殼主要部件進(jìn)行分析。

1.1 集流器

集流器俗稱進(jìn)風(fēng)口，是將氣體均勻?qū)肴~輪的裝置。為保證氣體的流動(dòng)損失小和葉輪效率高，集流器的形狀通常被精心地設(shè)計(jì)為筒形、弧形、筒錐形、弧錐形等。

集流器的設(shè)計(jì)原則如下［2］：

（1）為提高離心式風(fēng)機(jī)的葉輪效率，入口處應(yīng)避免出現(xiàn)渦流區(qū)，要保證均勻的進(jìn)口速度；

（2）在葉輪入口處，盡量保證均勻的進(jìn)口速度，即氣體速度的大小和方向均保持不變；

（3）集流器裝置本身對(duì)氣體流動(dòng)性的影響越小越好。

1.2 葉輪

葉輪作為風(fēng)機(jī)的核心部件，通常由前盤、后盤、葉片和輪轂等部分組成［4］。其中，葉輪的型線、尺寸、葉片數(shù)及制造精度均對(duì)風(fēng)機(jī)的性能和效率有很大影響。

風(fēng)機(jī)的葉輪根據(jù)葉片出口角的不同，可分為前向葉輪、徑向葉輪和后向葉輪。在目前的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，這三種葉片形式的葉輪均有應(yīng)用。當(dāng)取流量和轉(zhuǎn)速均相同時(shí)，選用前向葉輪可使葉輪的直徑最小，但效率較低；采用后向葉輪可使風(fēng)機(jī)獲得最大效率，但葉輪直徑最大；徑向葉輪的應(yīng)用效果介于以上兩者之間。

平板形、圓弧形和機(jī)翼形是風(fēng)機(jī)葉片的三種常見(jiàn)形狀。平板形葉片的制造工藝簡(jiǎn)單，但空氣動(dòng)力特性較差。機(jī)翼形葉片因其模仿了鳥(niǎo)翼的形狀，具有優(yōu)良的空氣動(dòng)力特性，且葉片強(qiáng)度高，氣動(dòng)效率高，只是工藝性較為復(fù)雜。圓弧形葉片的性能介于機(jī)翼形葉片和平板型葉片之間。其中，圓弧形葉片根據(jù)葉片徑向和軸向尺寸的大小，又可分為圓弧寬葉片和圓弧窄葉片。因此，在高效風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，多選用圓弧形葉片。

1.3 蝸殼

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)怏w的動(dòng)壓有效轉(zhuǎn)化為靜壓的裝置稱為蝸殼［5］。氣體則在蝸殼的引導(dǎo)下被輸送到風(fēng)機(jī)出口處。蝸殼主要由蝸板和左右兩塊側(cè)板焊接或鉚接而成，其中蝸板是一條對(duì)數(shù)螺旋線。

2 風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬

首先應(yīng)用PRO/E軟件對(duì)離心式風(fēng)機(jī)的集流器、葉輪和蝸殼建立三維幾何模型，然后完成其網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定，繼而應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)離心式風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流道進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬仿真，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究分析。

2.1 數(shù)學(xué)模型

式中，ρ為氣體的密度，kg/m3；μ為氣體的動(dòng)力粘度系數(shù)，N·s/m2；Gk是由于平均速度梯度引起的動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；、、為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Sk和為用戶定義的源項(xiàng)。

2.2 幾何模型

將所繪制的風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱、葉輪和蝸殼裝配在一起，就可以得到完整的離心式風(fēng)機(jī)的三維實(shí)體模型。

2.3 網(wǎng)格劃分

文章所建立的風(fēng)機(jī)集流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀規(guī)則，可以采用能夠節(jié)省內(nèi)存的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)劃分。而葉輪和蝸殼形狀復(fù)雜，可采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格來(lái)劃分。

2.4 邊界條件

離心式風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)壓力較小，可以把氣體假設(shè)成不可壓縮流體，同時(shí)忽略重力的影響。根據(jù)離心式風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，將整個(gè)風(fēng)機(jī)分為靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域。這里，蝸殼和集流器被定義為靜止區(qū)域，葉輪被定義為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，給定轉(zhuǎn)速為580r/min。

邊界條件設(shè)定如下：

（1）模型底面和側(cè)面定義為“WALL”邊界條件；

（2）流體區(qū)域類型為“FLUID”，其他部分類型均為“SOLID”；

（3）對(duì)稱面采用“SYMMERY”邊界條件，此面上各參數(shù)梯度均為零；

（4）在集流器處，流動(dòng)現(xiàn)象基本是穩(wěn)定的，給定入口條件為速度入口。為了使氣體充分流動(dòng)，給定出口為自由流動(dòng)。

2.5 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，針對(duì)質(zhì)量流量取60kg/s離心式風(fēng)機(jī)的流線、馬赫數(shù)及靜壓進(jìn)行分析，依據(jù)這些參數(shù)的變化了解到風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)情況，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)資料。

在離心式風(fēng)機(jī)蝸舌處，存在一個(gè)較小的漩渦區(qū)，在此流線圖上可以看出有流動(dòng)分離現(xiàn)象。另外，在風(fēng)機(jī)的流道內(nèi)，其流動(dòng)性較好，流場(chǎng)均勻，風(fēng)機(jī)效率較高。

馬赫數(shù)是指氣流速度與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎怠娜~輪進(jìn)口到出口的區(qū)域內(nèi)，隨著馬赫數(shù)的不斷升高，流體的速度也逐漸增大，而超出此區(qū)域的流道內(nèi)，其速度緩慢降低。其中，計(jì)算風(fēng)機(jī)葉輪通道流場(chǎng)的時(shí)候，假設(shè)每個(gè)葉輪通道都相同是不精確的。

離心式風(fēng)機(jī)從進(jìn)口到出口的流域范圍內(nèi)，其靜壓逐漸變化。由于風(fēng)機(jī)出口處的流動(dòng)損失而導(dǎo)致擴(kuò)壓下降，因此在蝸殼外壁面處其靜壓達(dá)到最大。另外，由于風(fēng)機(jī)集風(fēng)器的拐彎和蝸舌處的形狀復(fù)雜而導(dǎo)致了靜壓較高。

根據(jù)數(shù)值模擬的后處理器，可以得出風(fēng)機(jī)的一些特性參數(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，應(yīng)用ORIGN畫(huà)圖軟件繪制出質(zhì)量流量與風(fēng)機(jī)效率、軸功率和輸出功率及全壓的關(guān)系曲線，并作簡(jiǎn)要分析。

隨著風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量的逐漸增大，其全壓效率和葉輪效率均不斷增加。其中，全壓效率1在流量為45～55kg/s的范圍內(nèi)變化幅度較大，且全壓效率1均高于全壓效率2。葉輪效率2在規(guī)定的質(zhì)量流量變化范圍內(nèi)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。另外，葉輪效率始終優(yōu)于全壓效率。

隨著風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量的逐漸增大，其功率均不斷增加，且基本成線性關(guān)系。其中，軸功率均高于輸出功率。

風(fēng)機(jī)全壓隨著質(zhì)量流量的不斷增大而逐漸減小。另外，全壓特性曲線2變化的幅度較大，且在質(zhì)量流量為60kg/s時(shí)，存在最優(yōu)的風(fēng)機(jī)全壓。

3 結(jié)論

（1）文章，模擬的離心式風(fēng)機(jī)結(jié)果表明，質(zhì)量流量45～80kg/s范圍內(nèi)變化時(shí)，風(fēng)機(jī)整機(jī)效率均大于85%。根據(jù)《通風(fēng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)-GB 19761-2009》這一國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可判斷，此類離心式風(fēng)機(jī)屬于一級(jí)能效節(jié)能風(fēng)機(jī)。

（2）通過(guò)研究分析得出，冀東日彰節(jié)能風(fēng)機(jī)所模擬的此類風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)合理，在保證風(fēng)機(jī)效率的基礎(chǔ)上，流場(chǎng)均勻，流動(dòng)性較好，在實(shí)際風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造中可以應(yīng)用。

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Three-dimensional Flow Field Numerical Simu lation of Highly Centrifugal Fan

ZHOU Haijun，LIU Huiqin
（Jidong Rizhang SES-Fan Manufacture Co.Ltd， Tangshan 063210）

Abstract:Puts the centrifugal fan as the main research object and understands the basic structure and main parts of the centrifugal fan， on the basis of this， using PRO/E software to set the 3D model of wind collector， impeller and volute， at the tome using ANYSY for meshing of the model to determine the calculation of watershed and its boundary condition， at last， using the solver to conduct numerical simulation and obtain the internal flow characteristics to be analyzed. Simulation results show that the efficiency of designed fan is highly， the stream is equality， which can provide important theory bas is for the fan’s next energysaving transformation.

Key words:Centrifugal， Fan； Three-dimensional， Numerical simulation