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        基于數(shù)值仿真的離心風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2020-01-03 05:25:24陳加瑞劉之雷黃忠文
        關(guān)鍵詞:全壓動(dòng)壓云圖

        陳加瑞,黃 昭,劉之雷,黃忠文

        武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430205

        離心風(fēng)機(jī)是一種提供氣體動(dòng)力的流體機(jī)械,廣泛應(yīng)用于通風(fēng)、排塵、冷卻等工業(yè)生產(chǎn)過程中[1]。離心風(fēng)機(jī)的主要零部件為葉輪、蝸殼、進(jìn)氣口、擴(kuò)散器等[2],其中葉輪是關(guān)鍵部件,離心風(fēng)機(jī)的工作狀況主要取決于葉輪的具體結(jié)構(gòu)[3-4]。對(duì)離心風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效地降低離心風(fēng)機(jī)的能耗,這對(duì)于我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的實(shí)際意義[5-7]。

        本文以9-26-10D型離心風(fēng)機(jī)為具體研究對(duì)象,利用相關(guān)軟件進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分以及計(jì)算,最后根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果對(duì)離心風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        1 離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)研究

        理論分析法、實(shí)驗(yàn)研究法和數(shù)值模擬法是研究離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三種主要方法[8]。目前應(yīng)用最為廣泛的方法為數(shù)值模擬法,這種方法可以較為直觀的觀察到流體機(jī)械的內(nèi)部流場(chǎng)[9],實(shí)踐表明通過數(shù)值模擬得到的計(jì)算結(jié)果精度高,而且計(jì)算時(shí)間短,研究成本低。所以,采用數(shù)值模擬法來研究離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)是一種較為可靠的方法。

        1.1 流體力學(xué)的基本方程

        1)在本文中假設(shè)離心風(fēng)機(jī)的氣體為理想可壓縮氣體,則質(zhì)量守恒方程為:

        引入矢量符號(hào)div(a)=式(1)可寫成:

        式(1)中:ρ為流體密度,單位kg/m3;t為流體流動(dòng)時(shí)間,單位 s;U為速度矢量;u、v、w為速度矢量U在x,y和z方向的分量。方程(2)也可作為可壓縮氣體的連續(xù)方程。

        2)離心風(fēng)機(jī)中的氣體遵循動(dòng)量守恒定律。動(dòng)量守恒方程為:

        式(3)~(5)中:p為作用在流體上的壓力,單位:Pa;τxx,τxy,τxz為粘性應(yīng)力在 x,y,z方向上的分量;Fx、Fy、Fz為體積力在x,y,z方向上的分量。

        3)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣體也要滿足能量守恒定律。能量守恒方程為

        式(6)中:cp為流體的定壓比熱容,單位為J/kg·K;T為流體的溫度,單位為K;k為流體的導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/(m·K);ST為流體內(nèi)部熱源,也稱為黏性耗散項(xiàng)。

        1.2 湍流模型

        標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是應(yīng)用最為普遍、最有效的湍流模型[10]。該模型計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確,而且計(jì)算收斂快。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的運(yùn)輸方程為:

        2 離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬仿真

        2.1 建立模型與網(wǎng)格劃分

        由于9-26-10D型離心風(fēng)機(jī)采用的是二元葉片,故對(duì)風(fēng)機(jī)回轉(zhuǎn)截面進(jìn)行建模。該離心風(fēng)機(jī)原始模型中,葉片數(shù)目為16片,進(jìn)口角度為38°,出口角度為126°,葉片圓弧段半徑為125 mm,葉片厚度為3 mm,葉輪的轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。離心風(fēng)機(jī)的模型及尺寸如圖1所示。

        圖1 離心風(fēng)機(jī):(a)計(jì)算模型,(b)葉片相關(guān)尺寸圖Fig.1 Centrifugal fan:(a)calculation model,(b)dimensions of blades

        對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分:通過內(nèi)部面將流場(chǎng)分為靜止區(qū)域和流動(dòng)區(qū)域兩個(gè)部分,其中流動(dòng)區(qū)域的流場(chǎng)較為復(fù)雜,因此只將這一區(qū)域的網(wǎng)格密度劃分得更加細(xì)密,這樣可以使得計(jì)算速度更快,并且計(jì)算精度不會(huì)受到影響[11-15]。

        2.2 內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

        離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)比較復(fù)雜,需要設(shè)定多重坐標(biāo)系來模擬離心風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng),葉輪流動(dòng)區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,蝸殼區(qū)域?yàn)殪o止網(wǎng)格,兩區(qū)域之間的交界面設(shè)置為interface。

        利用相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

        圖2 離心風(fēng)機(jī):(a)靜壓分布云圖,(b)動(dòng)壓分布云圖,(c)全壓分布云圖,(d)速度矢量云圖Fig.2 Centrifugal fan:(a)nephogram of static pressure,(b)nephogram of dynamic pressure,(c)nephogram of total pressure ,(d)nephogram of velocity vector

        圖2(a)為離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部靜壓云圖,靜壓是因流體在葉片前后產(chǎn)生壓力差所致,其大小與出入口尺寸和葉片轉(zhuǎn)速有關(guān)。在風(fēng)機(jī)進(jìn)口處靜壓為負(fù)值,然后沿徑向逐漸增加,并且離葉輪區(qū)域越遠(yuǎn)靜壓越大,距離葉輪最遠(yuǎn)處的蝸殼區(qū)域靜壓增到最大。

        圖2(b)為離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部動(dòng)壓分布云圖,由于動(dòng)壓與流體速度的二次方成正比,因此流速的變化對(duì)動(dòng)壓有顯著的影響。氣體進(jìn)入流道后,越靠葉輪外側(cè)動(dòng)壓越高。氣體進(jìn)入蝸殼后,動(dòng)壓減小,動(dòng)壓在距離蝸殼最遠(yuǎn)處最低。

        圖2(c)為離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部全壓分布云圖,全壓為動(dòng)壓與靜壓的總和。全壓的變化規(guī)律與靜壓、動(dòng)壓變化規(guī)律基本一致,也是沿著葉輪徑向逐漸增加,在葉輪尾部全壓最大,葉片工作處的全壓比葉片背面處的壓力大。

        圖2(d)為離心風(fēng)機(jī)的速度分布云圖,其分布規(guī)律和動(dòng)壓分布云圖相似,從圖2(d)中可以看出靠近葉輪尾部速度很大。氣體以較高的流速流入蝸殼流道后,隨著流道截面面積逐漸變大,氣體速度開始變小,氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力勢(shì)能。

        3 優(yōu)化計(jì)算分析

        在原始離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的分析基礎(chǔ)上,改變?nèi)~片數(shù)量和葉片圓弧半徑,然后繼續(xù)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算,最后根據(jù)數(shù)值模擬獲得的離心風(fēng)機(jī)性能數(shù)值進(jìn)行葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        3.1 不同葉片數(shù)量的計(jì)算分析

        以9-26-10D型離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象,將葉片數(shù)量分別更改為10片、12片、14片、16片、18片、20片、22片,保持葉片的其它參數(shù)不變。通過數(shù)值模擬計(jì)算得出的性能曲線圖如圖3所示。

        圖3(a)為離心風(fēng)機(jī)在不同葉片數(shù)量下的流量—全壓曲線圖,由圖3(a)可知:風(fēng)機(jī)的全壓會(huì)隨著流量的增加而減小。另外,可以明顯的看出當(dāng)葉片從12片依次增加到18片時(shí),風(fēng)機(jī)的全壓也增加了,增幅比較明顯。當(dāng)葉片從18片依次增加到22片時(shí),風(fēng)機(jī)的全壓雖然也增加了,但是增幅并不顯著。

        圖3(b)為離心風(fēng)機(jī)在不同葉片數(shù)量下的流量—效率曲線圖,從圖3(b)可知:風(fēng)機(jī)的效率隨著流量的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)葉片數(shù)量從12葉片依次增加到18葉片時(shí),風(fēng)機(jī)的效率增加得比較明顯,當(dāng)繼續(xù)增加葉片數(shù)量時(shí),風(fēng)機(jī)的效率并沒有加大幅度的提升。

        圖3 離心風(fēng)機(jī)性能曲線:(a)流量-全壓性能曲線,(b)流量-效率性能曲線Fig.3 Curves of centrifugal fan performances:(a)flow-full pressure,(b)flow-efficiency

        葉片數(shù)量越多,離心風(fēng)機(jī)的摩擦損失就會(huì)越來越大,會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能造成較大的影響。綜合考慮風(fēng)機(jī)的效率和成本,最終選擇的風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量?jī)?yōu)化模型為18葉片。

        該型號(hào)離心風(fēng)機(jī)的流量在19 000 m3/h附近時(shí),效率較高。在流量為19 000 m3/h處,其主要性能參數(shù)如表1所示。

        表1 不同葉片數(shù)量在風(fēng)機(jī)流量為19 000 m3/h時(shí)的主要性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of different blades at flow rate of 19 000 m3/h

        由表1可知:當(dāng)葉片數(shù)量為18片時(shí),風(fēng)機(jī)全壓為5 805.57 Pa,效率為77.98%;對(duì)于葉片數(shù)量為16片的原始模型,其風(fēng)機(jī)全壓為5 675.50 Pa,效率為76.23%。因此,與原始模型相比,風(fēng)機(jī)的全壓提高了130.70 Pa,效率提高了1.75%。

        3.2 不同葉片型線的計(jì)算分析

        以9-26-10D型離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象,只改變?nèi)~片的圓弧半徑,保持葉片的其它參數(shù)不變。原始離心風(fēng)機(jī)的葉片圓弧半徑r為125 mm,現(xiàn)將圓 弧 半 徑進(jìn)行改變,分 別 為 87.5、100、112.5、137.5、150 mm。通過數(shù)值模擬計(jì)算得到的性能曲線圖如圖4所示。

        圖4 離心風(fēng)機(jī)性能曲線:(a)流量-全壓性能曲線,(b)流量-效率性能曲線Fig.4 Performance curves of centrifugal fan:(a)flow-full pressure;(b)flow-efficiency

        圖4(a)為不同葉片型線方案流量—全壓性能曲線圖,由圖4(a)可知:不斷地增加離心風(fēng)機(jī)的流量時(shí),風(fēng)機(jī)的全壓會(huì)隨著減小。通過離心風(fēng)機(jī)性能曲線可以得知,當(dāng)葉片圓弧半徑為112.5 mm時(shí),風(fēng)機(jī)模型內(nèi)部流場(chǎng)的全壓明顯高于原始模型和其他方案。

        圖4(b)為不同葉片型線方案流量—效率曲線圖,由圖4(b)可知:離心風(fēng)機(jī)的效率隨著流量的增加而呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。在小流量階段,氣體只占葉片流道的一部分,容易產(chǎn)生渦流和回流等現(xiàn)象,這會(huì)造成一定的流動(dòng)損失,因此這一階段的效率不高。當(dāng)離心風(fēng)機(jī)達(dá)到合適的氣體流量時(shí),氣體被充分利用,此時(shí)的效率就會(huì)較高。當(dāng)流量較大時(shí),多余的氣體會(huì)造成摩擦損失,這時(shí)效率就會(huì)減小。所以,離心風(fēng)機(jī)的效率隨著流量的增加而呈現(xiàn)出先增加后減小。通過對(duì)比分析可以看出,當(dāng)圓弧半徑為112.5 mm時(shí),風(fēng)機(jī)模型的最高效率高于原始模型和其他改造方案風(fēng)機(jī)模型的最高效率。

        該型號(hào)離心風(fēng)機(jī)的流量在19 000 m3/h附近時(shí),效率較高。在流量為19 000 m3/h處,其主要性能參數(shù)如表2所示。

        表2 不同葉片圓弧半徑在風(fēng)機(jī)流量為19 000 m3/h時(shí)的主要性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of different blade arc radius at flow rate of 19 000 m3/h

        由表2可知:當(dāng)葉片圓弧半徑為112.5 mm時(shí),風(fēng)機(jī)全壓為6 348.26 Pa,效率為85.28%;對(duì)于葉片圓弧半徑為125 mm的原始模型,其風(fēng)機(jī)全壓為5 918.93 Pa,效率為79.51%。因此,與原始模型相比,風(fēng)機(jī)的全壓提高了429.33 Pa,效率提高了5.77%。

        4 結(jié) 語

        1)通過觀察風(fēng)機(jī)全壓云圖可知,在葉片流道中的壓力梯度最大,在葉輪尾部壓力最大。全壓的變化規(guī)律與靜壓、動(dòng)壓的變化規(guī)律基本一致。

        2)葉輪流道內(nèi)氣體的速度沿著流動(dòng)方向不斷提高,直至蝸殼流道擴(kuò)大,速度開始逐漸減小,最終在風(fēng)機(jī)出口處氣體速度降到最低。

        3)根據(jù)數(shù)值模擬獲得的風(fēng)機(jī)性能數(shù)值可以看出,離心風(fēng)機(jī)的全壓和效率會(huì)隨著葉片數(shù)目的增多而提高,當(dāng)葉片數(shù)量達(dá)到18片時(shí),該型號(hào)離心風(fēng)機(jī)的效率得到明顯提高,繼續(xù)增加葉片數(shù)量,效率雖會(huì)增加,但是增加得并不明顯。

        4)通過改變?nèi)~片型線,對(duì)離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知,將原離心風(fēng)機(jī)葉片的圓弧段半徑改變?yōu)?12.5 mm時(shí),可以有效提高離心風(fēng)機(jī)效率。

        5)對(duì)于各種型號(hào)離心風(fēng)機(jī)的葉片,也可以通過這種方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

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