周曉
摘要:采用CFD軟件分析了風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特征,并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)理論對(duì)離心機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,探討了葉片出口安放角、蝸舌半徑、葉片數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能的影響。仿真結(jié)果顯示:風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)集中在出風(fēng)口側(cè),在蝸殼和出風(fēng)罩接口處左側(cè)存在氣流“死區(qū)”;在經(jīng)驗(yàn)值給定范圍內(nèi),風(fēng)機(jī)全壓效率隨安放角增大近似成線性減小,隨蝸舌半徑增大成指數(shù)減,隨葉片數(shù)的增加呈拋物線狀變化;允許條件下輪徑比可適當(dāng)往小的取,安放角往大的取,風(fēng)機(jī)葉片數(shù)最佳值在60片附近。
關(guān)鍵詞:離心風(fēng)機(jī);窩舌;風(fēng)機(jī)性能
一、引言
多翼離心風(fēng)機(jī)因其體積小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于家用電器、空氣調(diào)節(jié)及各種通風(fēng)換氣等領(lǐng)域。目前,通風(fēng)機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和思想都來自于大量實(shí)驗(yàn),通過這樣的方法能夠得到較好的風(fēng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)。但對(duì)通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的認(rèn)識(shí)有待深入。隨著流體力學(xué)理論,特別是計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法的發(fā)展,將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中的繁復(fù)且耗費(fèi)昂貴的部分,可以用先進(jìn)的CFD技術(shù)代替,利用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬已逐步成為了解流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)狀況的重要手段。
結(jié)合前人研究的理論[1-8],本文采用CFD軟件多翼離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析,通過“數(shù)值試驗(yàn)”認(rèn)識(shí)風(fēng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)規(guī)律。單一改變多翼風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù),定性研究葉片出口安放角、蝸舌半徑、葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響。為多翼離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,內(nèi)部空氣流動(dòng)分析提供參考。
二、風(fēng)機(jī)有限元計(jì)算模型
多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要分為4大區(qū)域:進(jìn)風(fēng)區(qū)域,蝸殼區(qū)域,葉輪區(qū)域,出風(fēng)管區(qū)域。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)空氣流動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸、排風(fēng)動(dòng)作,根據(jù)其工作原理簡(jiǎn)化所得的流域模型如圖1所示。分析過程做了如下處理:1)忽略風(fēng)機(jī)中空氣密度變化,假設(shè)流動(dòng)為不可壓,物性為常數(shù);2)不考慮進(jìn)口損失,設(shè)進(jìn)口總壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;3)假設(shè)流動(dòng)中無熱量交換。
根據(jù)多翼風(fēng)機(jī)的流域特性,風(fēng)機(jī)兩端口形狀規(guī)則采用Hex/Wedge cooper方式劃分六面體網(wǎng)格,葉輪和蝸殼形狀比較復(fù)雜采用Tet/Hybrid Tgrid方式劃分四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,得如圖2所示。風(fēng)機(jī)的邊界條件和湍流模型:1)電機(jī)外壁、蝸殼、葉輪設(shè)置為Wall,進(jìn)、出口分別為壓力進(jìn)出口;2)將葉輪為動(dòng)區(qū)域,其他為靜區(qū)域,固壁均滿足無滑移條件;3)湍流模型選取RNG型的K-ε模型。計(jì)算控制方法和收斂判定:1)采用分離隱式計(jì)算方法,湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)、動(dòng)量方程的差分格式都采用二階迎風(fēng)格式;2)壓力、速度耦合采用SIMPLE算法;3)對(duì)各變量的殘差進(jìn)行監(jiān)視, 如x、y、z 3個(gè)方向上的速度值、湍動(dòng)能等, 當(dāng)這些變量的殘差都降到10e- 3以下時(shí), 可認(rèn)為計(jì)算收斂。
三、有限元模擬試驗(yàn)結(jié)果分析
(一)多翼離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)
根據(jù)多翼離心風(fēng)機(jī)的工作特性,設(shè)置葉輪動(dòng)區(qū)域?yàn)槔@Z軸以95.77rad/s的旋轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)。算平后截取中心等值面觀察風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體狀態(tài)及壓力分布,得其流體靜壓如圖3所示。
從圖中可知離心風(fēng)機(jī)的靜壓沿蝸殼周向分布不均勻;蝸殼外壁面的靜壓相對(duì)較高,這主要是由于葉片屬于前向式,氣流被甩向蝸殼壁面造成;由于進(jìn)風(fēng)口的吸氣,導(dǎo)致靠近出風(fēng)口一側(cè)形成低壓,進(jìn)而可知進(jìn)風(fēng)主要集中進(jìn)風(fēng)口圈靠近出口一側(cè)。
圖6 多翼風(fēng)機(jī)內(nèi)部速度流線
圖4為空氣在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的速度分布,有圖可知沿徑向風(fēng)速逐漸增大,沿著蝸殼型線從最小間隙處到出風(fēng)口風(fēng)速依次增強(qiáng)。蝸殼和出風(fēng)罩接口處左側(cè)存在氣流“死區(qū)”,即氣流速度很低的區(qū)域。由圖5、圖6可知在蝸舌切風(fēng)口處,少量出口氣體重新被帶入蝸殼流道,損耗了部分能量;分割式葉輪大葉片部分流線強(qiáng)度明顯要強(qiáng)于小葉平部分,梯度分布明顯。
(二)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)全壓效率的影響
多翼風(fēng)機(jī)系統(tǒng)把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳給氣體的過程中,要克服各種損失,其中只有一部分是有用功。通常用全壓效率 來反映損失的大小,其計(jì)算公式為:
式中: 為風(fēng)機(jī)的全壓(Pa); 為流量(m3/s);P為主電機(jī)輸入功率(W)。
為提高計(jì)算速度,根據(jù)風(fēng)機(jī)三維流域的模型截取其中心平面,處理模型建立二維多翼風(fēng)機(jī)系統(tǒng)仿真模擬系統(tǒng),單一改變風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究各參數(shù)對(duì)全壓效率的影響。根據(jù)前人研究的結(jié)論及相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值,一般設(shè)計(jì)常用的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍如表1所示。
單一改變?nèi)~片出口安放角,保持進(jìn)口角等其他參數(shù)不變,得出口安放角與全壓效率的曲線如圖7所示。由圖可知隨著出口安放角的增大而增大,這主要由于葉片傾斜度增大,相鄰葉片之間的間隙減小,由連續(xù)性定理可知,出口截面的速度會(huì)增大,同等時(shí)間內(nèi)輸出的風(fēng)量增大,即葉輪的做功能力增大,輸出的有效功率增多,效率η也隨之變大,但是,湍流情況也會(huì)惡化,可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)噪聲增加。
通過保持葉輪外徑D2不變,改變?nèi)~輪內(nèi)徑與外徑比值(輪徑比),可得圖8所示曲線。減小輪徑比即減小內(nèi)徑,也就相當(dāng)于加長(zhǎng)了葉片。這提高了葉片做功能力,使風(fēng)機(jī)的流量實(shí)現(xiàn)提升,進(jìn)而使有效輸出功率增大,最終使全壓效率η的增大。由此可見在條件允許的情況下,可適當(dāng)下調(diào)輪徑比提高風(fēng)機(jī)做功能力。
圖9為單一改變?nèi)~片數(shù)得葉片數(shù)與全壓效率的曲線,由圖可知葉片數(shù)對(duì)全壓效率的影響不是單調(diào)的。葉片數(shù)過少,雖然理論上可以使葉輪的過流通道面積增大,但由于葉片對(duì)氣流的引導(dǎo)作用減弱,流道中氣流自由度大,容易產(chǎn)生旋渦脫流,使風(fēng)機(jī)通風(fēng)量減少;另一方面,葉片數(shù)過少時(shí)整個(gè)葉輪對(duì)流體做功減少,也將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出風(fēng)量減少。同時(shí),葉輪的做功能力雖然會(huì)隨著葉片數(shù)的增大而增大,但是,葉片數(shù)增大之后相鄰葉片之間的間隙也會(huì)減小,到達(dá)一定程度后,會(huì)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)量減小,使得效率η反而下降,故葉片數(shù)對(duì)全壓效率的影響呈拋物線,峰值在60片附近。
四、結(jié)論
通過建立多翼風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的流域模型,定性分析了風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性。在此基礎(chǔ)上建立二維模型分析了葉片出口安放角、輪徑比、葉片數(shù)對(duì)全壓效率的影響。有限元模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析顯示:
1) 風(fēng)機(jī)靜壓沿蝸殼周向分布不均,同一徑向處外壁面相對(duì)較高。吸氣主要集中于靠近出口一側(cè)的進(jìn)風(fēng)口。
2) 蝸殼和出風(fēng)罩接口處左側(cè)存在氣流“死區(qū)”, 少量出口氣體在蝸舌風(fēng)流處重新被帶入蝸殼流道,降低了有效功率。
3) 在經(jīng)驗(yàn)定義域內(nèi),全壓效率隨葉片出口安放角的增大而增大,隨輪徑比的減小而增大,隨葉片數(shù)的增大呈拋物狀變化,最佳值在60片附近取得。
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