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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