何小笛，紀(jì)愛(ài)敏，彭利平，龍登燕，王 豪

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引 言

離心通風(fēng)機(jī)作為一種通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于金屬礦山、煤炭工業(yè)、鋼鐵工業(yè)和電力行業(yè)。研究提高風(fēng)機(jī)性能的方法，減少風(fēng)機(jī)用電量對(duì)節(jié)約能源具有重要意義。

離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的流場(chǎng)備受?chē)?guó)內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，劉小民等[1]研究了兩種內(nèi)凹式蝸舌對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，得出內(nèi)凹式蝸舌有效的增加了相應(yīng)風(fēng)機(jī)的流量；周水清等[2]獲得了前彎離心風(fēng)機(jī)集流器最佳的偏心位置；方挺等[3]對(duì)通過(guò)改變蝸殼安裝位置來(lái)提高離心風(fēng)機(jī)性能；李輝等[4]進(jìn)行了3組不同葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的探討的仿真分析；kim，Jin-hyvk[5]進(jìn)行了分離葉片對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能更有益的分析；Polansk,Jirí[6]對(duì)前向葉片離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)分析；簡(jiǎn)曉書(shū)等[7]確定了一款小型后向離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片出口寬度尺寸。這些研究進(jìn)一步表明離心風(fēng)機(jī)各部件對(duì)整機(jī)性能有顯著影響，而不同的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律也不盡相同，當(dāng)前對(duì)于離心內(nèi)部流場(chǎng)的研究成果通用性不足。

本文主要研究一種新型風(fēng)機(jī)ME103內(nèi)部流場(chǎng)的規(guī)律，采用風(fēng)機(jī)進(jìn)口試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值分析結(jié)合的方法，進(jìn)一步闡述風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的特性。

1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果分析

本次研究用風(fēng)機(jī)是某公司型號(hào)為ME103的一款離心通風(fēng)機(jī)。

該風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 離心通風(fēng)機(jī)ME103示意圖1—集流器；2—蝸殼；3—葉輪；4—電機(jī)；5—底座

該離心風(fēng)機(jī)主要是由葉輪、蝸殼、電機(jī)以及集流器等幾部分組成。葉輪為平盤(pán)式，采用后向型葉片，蝸殼的氣流出口處采用圓形出口，與傳統(tǒng)的離心風(fēng)機(jī)矩形出口不同，在進(jìn)行性能分析的過(guò)程中要充分考慮到圓形出口對(duì)于風(fēng)機(jī)流體損失的影響。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1236-2000，筆者對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行了進(jìn)氣試驗(yàn)，測(cè)試如圖2所示。

圖2 離心風(fēng)機(jī)ME103進(jìn)氣試驗(yàn)

本研究按照風(fēng)機(jī)手冊(cè)[8]對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，得出風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果，離心風(fēng)機(jī)ME103進(jìn)氣試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)是在大氣氣壓101 370 Pa，空氣密度為1.19 kg/m3，溫度22.2 ℃的條件下進(jìn)行的。從表1中可以得出，該風(fēng)機(jī)效率最高約為75.56%，對(duì)應(yīng)工況空氣流量約為1 300 m3/h，風(fēng)機(jī)全壓達(dá)到2 019 Pa，轉(zhuǎn)速為2 937 r/min，進(jìn)氣口氣流的平均速度為14.09 m/s，進(jìn)氣口靜壓為-1 794.79 Pa。對(duì)于進(jìn)氣口風(fēng)機(jī)測(cè)試試驗(yàn)，由于風(fēng)機(jī)出口與大氣直接相連，因而風(fēng)機(jī)出口處?kù)o壓為0。在工作流量為560 m3/h處，風(fēng)機(jī)全壓達(dá)到2 514 Pa，轉(zhuǎn)速2 964 r/min，進(jìn)口速度6.02 m/s，進(jìn)氣口靜壓為-2 472.06 Pa。

2 數(shù)值分析模型

2.1 流道幾何模型

首先筆者采用三維建模軟件UG，對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行幾何建模，建模過(guò)程中，對(duì)原有風(fēng)機(jī)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略一些次要的倒角、圓角特征以及一些間隙。之后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行離心風(fēng)機(jī)流道建模，流道幾何模型即是空氣從離心風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口的過(guò)程中，氣體流過(guò)空間的三維模型。將流道模型分為進(jìn)風(fēng)口流道、葉輪流道以及蝸殼流道3個(gè)部件模型，最終裝配在一起形成離心風(fēng)機(jī)流道模型。為保證進(jìn)口氣流的真實(shí)工況，特別將進(jìn)口流道模型拉伸了200 mm。

流道模型如圖3所示。

圖3 離心風(fēng)機(jī)ME103流道模型

2.2 網(wǎng)格模型

筆者在完成風(fēng)機(jī)流道模型后將其保存成stp格式，導(dǎo)入到前處理器ANSYS ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中集流器以及進(jìn)口管道流道模型部分采用六面體網(wǎng)格，葉輪流道以及蝸殼流道采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法[9]。風(fēng)機(jī)葉輪主要尺寸為流道進(jìn)氣口直徑140 mm，流道外徑為380 mm，厚度為40 mm；蝸殼流道的厚度為102 mm，螺旋線相對(duì)于30 mm的等邊基方的最大半徑和最小半徑分別為216.6 mm和413 mm。劃分網(wǎng)格時(shí)，將進(jìn)口流道、葉輪流道以及風(fēng)機(jī)流道的Element size分別設(shè)置為5 mm、2 mm和3.5 mm。風(fēng)機(jī)流道模型共劃分為5.57×106個(gè)網(wǎng)格單元，其中葉輪流道網(wǎng)格2.92×106。

風(fēng)機(jī)流道網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)流道網(wǎng)格模型

為保證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，筆者對(duì)葉輪和蝸殼流道的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。完成網(wǎng)格劃分后，對(duì)離心風(fēng)機(jī)相應(yīng)的表面，包括進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口以及風(fēng)機(jī)的壁面等進(jìn)行標(biāo)記。

2.3 數(shù)值方法及邊界條件確定

在完成風(fēng)機(jī)流道網(wǎng)格劃分后，筆者主要通過(guò)FLUENT對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以及風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分析。根據(jù)進(jìn)氣試驗(yàn)過(guò)程中的空氣條件對(duì)流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的空氣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。速度與壓力耦合方式選擇SIMPLE算法，采用湍流模型對(duì)旋轉(zhuǎn)區(qū)域與非旋轉(zhuǎn)區(qū)域進(jìn)行耦合計(jì)算[10-12]。對(duì)風(fēng)機(jī)流道進(jìn)行凍結(jié)轉(zhuǎn)子法(multiple reference frame，MRF)[13-14]，也就是多坐標(biāo)參考系設(shè)置。

由于要對(duì)兩個(gè)不同流量下的風(fēng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行分析，筆者分別進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置。對(duì)于葉輪流道，分別添加2 937 r/min、2 964 r/min旋轉(zhuǎn)速度，蝸殼流道以及集流器流道靜止不動(dòng)。對(duì)于邊界條件的設(shè)置，集流器進(jìn)口采用速度進(jìn)口，分別設(shè)置速度為14.09 m/s、6.02 m/s，靜壓為-1 794.49 Pa、2 472.06 Pa；蝸殼流道出口處采用壓力出口，即設(shè)定出口的靜壓為0；將集流器與葉輪流道，葉輪流道與蝸殼流道的接觸面設(shè)置為交界面(INTERFACE)；葉輪流道的壁面設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度與葉輪流道相關(guān)，滑移速度設(shè)置為0；蝸殼以及集流器其他的面都設(shè)置為固定壁面。

3 流場(chǎng)狀態(tài)分析

本研究完成相應(yīng)的邊界設(shè)置，將流場(chǎng)初始化，分別計(jì)算出離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部各流道在工作流量1 300 m3/h、560 m3/h處的速度與壓力分布詳情。

3.1 數(shù)值分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由于對(duì)于離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行的是進(jìn)氣試驗(yàn)，在添加邊界條件的過(guò)程也是按照進(jìn)氣試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定的，這就導(dǎo)致離心風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)仿真反映的是風(fēng)機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣口試驗(yàn)時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)的詳情。在進(jìn)行流場(chǎng)分析前需要先對(duì)流場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)氣口測(cè)試試驗(yàn)得出離心風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口氣流速度以及表壓值，在根據(jù)風(fēng)機(jī)手冊(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，最終得出在工作流量1 300 m3/h、560 m3/h處，離心風(fēng)機(jī)出口平面的平均速度分別為30.51 m/s、13.04 m/s。在進(jìn)行仿真分析過(guò)程時(shí)，本研究將風(fēng)機(jī)葉輪輪盤(pán)外表面與葉輪軸線相交點(diǎn)設(shè)置為原點(diǎn)，建立了以輪盤(pán)外表面為XY平面，葉輪軸線為Z軸的坐標(biāo)系。風(fēng)機(jī)出口平面在工作流量1 300 m3/h、560 m3/h處，在Z軸對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的速度分布分別如圖5、圖6所示。

例如在出口平面上有一條線段的坐標(biāo)是z=0，劃分網(wǎng)格的過(guò)程可以看作這條線段分為很多點(diǎn)組成，而每個(gè)點(diǎn)的速度不同，最終形成圖5和圖6所示的速度分布圖。經(jīng)分析，出口速度數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相符，即表示出口動(dòng)壓以及風(fēng)機(jī)全壓與試驗(yàn)結(jié)果基本相符。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)速度分布和壓力分布的分析。

圖5 工作流量1 300 m3/h時(shí)出口速度分布

圖6 工作流量560 m3/h時(shí)出口速度分布

3.2 速度場(chǎng)分析

離心通風(fēng)機(jī)分別在工作流量1 300 m3/h、560 m3/h時(shí)的風(fēng)機(jī)內(nèi)部速度分布圖如圖7所示。

(a) 流量1 300 m3/h時(shí)速度分布

(b) 流量560 m3/h時(shí)的速度分布

首先從速度范圍進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)在工況流量1 300 m3/h處的最大速度73.8 m/s大于風(fēng)機(jī)在流量560 m3/h處的最大速度69.8 m/s，結(jié)合速度分布圖可以發(fā)現(xiàn)流量大時(shí)流場(chǎng)相應(yīng)的速度值也偏大。氣流在蝸殼處的速度分布特征為在葉輪與蝸殼交接面處較為紊亂；氣流在蝸殼出口處速度的變化梯度最大；最大的氣流速度出現(xiàn)在蝸舌處；在蝸殼型線起始端，氣流發(fā)生較為明顯的氣流逆流現(xiàn)象；經(jīng)過(guò)蝸舌部分的氣流在出口前出現(xiàn)渦流現(xiàn)象；在蝸殼輪廓型線處，出現(xiàn)氣流大面積速度大致相同，氣流方向也較為紊亂。

離心通風(fēng)機(jī)葉輪分別在工作流量1 300 m3/h、560 m3/h時(shí)的內(nèi)部速度分布圖如圖8所示。

(a) 流量1 300 m3/h時(shí)速度分布

(b) 流量560 m3/h時(shí)的速度分布

風(fēng)機(jī)葉輪作為風(fēng)機(jī)最為關(guān)鍵的部分，風(fēng)機(jī)葉輪的性能一定程度反映了風(fēng)機(jī)的整體性能。通過(guò)對(duì)兩種不同流量下的葉輪速度分布進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，大流量下葉輪中的整體速度較大，在工況流量1 300 m3/h處，氣流在葉輪輪蓋入口處產(chǎn)生渦流，在葉輪出口處，尤其是在蝸殼出口相反的一側(cè)，產(chǎn)生特別明顯的渦流現(xiàn)象。而在非工況流量下，可以發(fā)現(xiàn)氣流的紊亂主要發(fā)生在氣流從集流器流道進(jìn)入葉輪流道的過(guò)程。

3.3 壓力場(chǎng)分析

離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)和葉輪流道流場(chǎng)分別在工作流量1 300 m3/h、560 m3/h處的靜壓分布詳情如圖9、圖10所示。

(b) 流量560 m3/h時(shí)的靜壓分布

(a) 流量1 300 m3/h時(shí)靜壓分布

(b) 流量560 m3/h時(shí)的靜壓分布

從圖中可以看到：由于離心風(fēng)機(jī)是按照進(jìn)氣試驗(yàn)過(guò)程中的離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行仿真，因而在風(fēng)機(jī)出口處氣流和大氣層相同，靜壓為0，而在進(jìn)氣口時(shí)，風(fēng)機(jī)的靜壓為負(fù)。風(fēng)機(jī)最大靜壓出現(xiàn)在蝸殼流道外側(cè)，尤其是氣流出口的相反側(cè)靜壓最大，與速度分布圖相對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn)靜壓增大的主要原因是隨著流道體積的變大，速度減小。而在蝸殼的氣流出口處，氣流速度增大靜壓逐漸較小。在蝸殼的蝸舌處，出現(xiàn)靜壓為負(fù)，以及氣流經(jīng)過(guò)蝸舌處后靜壓相對(duì)較低，表明在蝸舌部分，靜壓有所減小，能量損失較為明顯。對(duì)比風(fēng)機(jī)集流器進(jìn)口可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)在工作流量為560 m3/h處時(shí)，進(jìn)口靜壓的負(fù)壓值更小，表明風(fēng)機(jī)在低流量處產(chǎn)生更大的吸力。風(fēng)機(jī)的功率是和風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能相關(guān)的變量，因而在實(shí)際運(yùn)用風(fēng)機(jī)的時(shí)候，需要綜合所需流量和壓力以及風(fēng)機(jī)的性能來(lái)進(jìn)行選擇。在葉輪靜壓分布圖中，可以觀察到由于葉輪葉片的旋轉(zhuǎn)對(duì)氣流不斷地做功，風(fēng)機(jī)的靜壓值是逐步遞增的。在葉輪進(jìn)氣口處，葉片的背壓面有明顯的邊界層出現(xiàn)，結(jié)合速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，貼近該壁面處出現(xiàn)速度倒流，產(chǎn)生分離損失。

離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)和葉輪流道流場(chǎng)分別在工作流量1 300 m3/h、560 m3/h處的全壓分布詳情如圖11、圖12所示。

(a) 流量1 300 m3/h時(shí)全壓分布

(b) 流量560 m3/h時(shí)的全壓分布

離心風(fēng)機(jī)的全壓值為風(fēng)機(jī)出氣口的全壓值與風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口的全壓值的差值。風(fēng)機(jī)出口處的全壓與氣流在出口處的速度相關(guān)，在進(jìn)氣試驗(yàn)過(guò)程中的風(fēng)機(jī)流場(chǎng)中，風(fēng)機(jī)出口處的全壓就是風(fēng)機(jī)的動(dòng)壓。結(jié)合風(fēng)機(jī)葉輪全壓圖，在接近葉輪流道最外側(cè)時(shí)全壓值最大，主要是因?yàn)樵谠撎庯L(fēng)機(jī)葉輪流道截面積變大，產(chǎn)生較典型的二次流損失[15]，在背離風(fēng)機(jī)氣流出口的葉輪側(cè)此現(xiàn)象更為明顯。在風(fēng)機(jī)非工況流量處工作時(shí)，二次流現(xiàn)象更為明顯。在葉輪流道進(jìn)口處，工作流量下風(fēng)機(jī)進(jìn)口低壓區(qū)主要集中在輪盤(pán)進(jìn)口的局部，而非工作流量下風(fēng)機(jī)的葉輪流道進(jìn)口處出現(xiàn)大面積低壓區(qū)域，表明非工況流量下風(fēng)機(jī)的效率較低主要是受氣流從集流器流道流入葉輪流道過(guò)程中的沖擊損失影響。

(a) 流量1 300 m3/h時(shí)全壓分布

(b) 流量560 m3/h時(shí)全壓分布

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)一種新型風(fēng)機(jī)ME103，提出以進(jìn)氣試驗(yàn)與FLUENT仿真相結(jié)合的方法來(lái)探索其內(nèi)部流場(chǎng)的規(guī)律，結(jié)果表明:

(1)該離心風(fēng)機(jī)蝸殼張度不夠大，葉輪在蝸殼中的安裝位置不佳，導(dǎo)致葉輪在出口側(cè)伸出長(zhǎng)度不夠，蝸舌間隙過(guò)大，增大了風(fēng)機(jī)的流動(dòng)損失；

(2)平盤(pán)式的風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)，致使葉輪流道內(nèi)截面積逐步增加，在葉輪流道出口處極易產(chǎn)生二次流，增大流體損失，但考慮到該葉輪為裝配型葉輪，在工藝上較難實(shí)現(xiàn)錐形葉輪，可以考慮輪蓋開(kāi)隙的優(yōu)化方法；

(3)通過(guò)對(duì)比工況流量下和非工況流量下風(fēng)機(jī)的速度矢量圖、靜壓和全壓分布矢量圖，得到了風(fēng)機(jī)流量對(duì)效率影響的主要因素，得到了風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的一般規(guī)律。

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