覃紫瑩 廖抒華 陸潤明 趙國灰

摘要：為改善風(fēng)機(jī)的內(nèi)部氣流流動情況，提高風(fēng)機(jī)出口流量，對原始風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行分析，得到風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場流動情況;根據(jù)流場分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。通過優(yōu)化葉片安裝傾角、葉片長度和風(fēng)機(jī)殼體形狀對內(nèi)部流場進(jìn)行改善。結(jié)果表明：通過優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)殼體，有效地減少了氣流在殼體內(nèi)部的動能損失，提高了風(fēng)機(jī)出口流量。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī);內(nèi)部流場;數(shù)值模擬;氣流分析

中圖分類號：TH442;U418.326DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.012

0引言

除雪風(fēng)機(jī)是除雪車的關(guān)鍵部件之一，其性能會直接影響除雪作業(yè)的效率。而風(fēng)機(jī)的性能提升，最主要的手段是改善風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流流動情況。在實(shí)際生產(chǎn)中，難以觀測到風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場變化情況，無法進(jìn)行有效改進(jìn)。利用計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行模擬分析，能更好地了解風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體流動狀況，指導(dǎo)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。近幾年的實(shí)踐證明，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，能夠得出很準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，并且利用數(shù)值優(yōu)化方法，能有效地使風(fēng)機(jī)氣動性能得到改善。

為改善風(fēng)機(jī)的內(nèi)部氣流流動情況，提高風(fēng)機(jī)的T作性能，本文采用數(shù)值模擬方法，對風(fēng)機(jī)原始流場進(jìn)行計(jì)算與分析，得到風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流的流動情況、壓力分布、渦量等基本情況，分析原始模型的設(shè)計(jì)缺陷，并以此為依據(jù)提出相應(yīng)的改善措施，對葉片的切風(fēng)角、葉片尺寸和蝸殼形狀進(jìn)行了修改，并對不同的優(yōu)化方案的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

1建立風(fēng)機(jī)計(jì)算模型

1.1幾何模型

本次數(shù)值模擬對風(fēng)機(jī)幾何模型進(jìn)行適當(dāng)處理，只保留風(fēng)機(jī)葉輪和風(fēng)機(jī)內(nèi)部流域表面。處理后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)風(fēng)機(jī)的尺寸建立計(jì)算域，為了更精確地計(jì)算風(fēng)機(jī)內(nèi)部及風(fēng)機(jī)進(jìn)出口附近的流動情況，在風(fēng)機(jī)周圍區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū)，建立計(jì)算模型如圖2所示。

1.2分析方法

由于壁面區(qū)流動情況變化較大，幾乎無湍流應(yīng)力作用，為得到更準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和更實(shí)用湍流模型，對于近壁面附近的區(qū)域采用壁面函數(shù)法處理，即將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)相應(yīng)的物理量聯(lián)系起來。

風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動為三維問題，在三維直角坐標(biāo)系中，其基本控制方程如下：

連續(xù)性方程：

式中，p——流體密度;u——某一方向速度;x——坐標(biāo)變量，i、j——坐標(biāo)軸方向;u——動力黏度;T——溫度;λ——導(dǎo)熱系數(shù);Cp——比定壓熱容。

1.3模型選擇和邊界條件設(shè)置

本次仿真忽略流場的溫度變化，采用三維定常不可壓雷諾時(shí)，采用Navier-Stokes方程和RNGK-ε湍流方程。葉輪旋轉(zhuǎn)采用MRF模型進(jìn)行模擬，葉輪與蝸殼間采用交界面聯(lián)系進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，壁面采用無滑移條件，葉輪旋轉(zhuǎn)速度為3000rad/min。計(jì)算設(shè)置邊界條件如表1所示。

2原始模型流場分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1對稱面風(fēng)機(jī)壓力分析

空氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)后，經(jīng)葉片旋轉(zhuǎn)帶動，扇葉對氣體做功，空氣的動能和壓力增加，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)壓力變化。從圖3中可以看出，軸心區(qū)為人風(fēng)口，壓力較低;隨著離心力的作用在遠(yuǎn)離軸心處壓力逐漸增加，在接近渦輪的出口地方壓力達(dá)到最大。風(fēng)機(jī)內(nèi)部靠近蝸殼流道中形成的高壓有利于將氣流送出出風(fēng)口，但出口蝸道因截面突然增大，由動能轉(zhuǎn)換的壓力動能不足以維持平衡;壓力在出口通道逐漸降低接近大氣壓，蝸道出口擴(kuò)大區(qū)中間的扇葉產(chǎn)生的氣流大部分流入出口;因此，此處出現(xiàn)局部低壓區(qū)。

2.2對稱面速度分析

由圖4可以看出，扇葉產(chǎn)生的氣流在流道中由接近蝸舌處到下蝸道出口擴(kuò)大處逐漸增加，在下蝸道出口擴(kuò)大地方達(dá)到最大值;且與出口通道接近的這兩扇葉之間的區(qū)域?yàn)橹饕惋L(fēng)區(qū)，該兩扇葉間部分氣流與流道下方的氣流沿出口流道下方送風(fēng);隨壓力的降低和能量的損耗，該區(qū)域的氣流速度大小很大程度上影響出口的平均速度，但由于蝸舌附近流道距離葉片較遠(yuǎn)，該處流道的部分氣流又隨扇葉旋轉(zhuǎn)進(jìn)入蝸殼流道內(nèi)。因此，這也是影響出口平均速度的另一個因素。

2.3對稱面湍流動能分析

從圖5對稱面湍流動能圖中可明顯看出，流道與出口蝸道地方，由于流道突然擴(kuò)大，氣流在靠近葉輪與出口蝸道地方速度較大。因此，在這個區(qū)域形成較大的湍流動能，且隨出口流道方向減小。

2.4優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對原始模型風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場分析可知，由于蝸舌附近流道過大，使一部分氣流重新流向旋轉(zhuǎn)區(qū)域，使出風(fēng)效果下降;且在流道與出口蝸道地方，由于流道突然擴(kuò)大，在這個區(qū)域形成較大的湍流動能;同時(shí)，考慮到此風(fēng)機(jī)的入風(fēng)口位于軸心區(qū)，葉片的切風(fēng)角會影響進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)速度。所以，為提高進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)速度，同時(shí)減少風(fēng)機(jī)內(nèi)壓力能和能量的損失，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案如下：

1）改變?nèi)~片傾角傾斜度，影響葉片的切風(fēng)角。本次仿真分別將風(fēng)機(jī)葉片的切風(fēng)角似設(shè)為-20°、-10°、0°、10°、20°，分析改變?nèi)~片傾角對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的影響;

2）在不改變?nèi)~片弧度的情況下加長葉片，增大扇葉的面積同時(shí)減小葉片與殼體的間隙，確定較好的間隙距離;

3）改變蝸舌附近流道的大小，使氣流更多地流向出口通道。

3結(jié)果對比分析

本次仿真將葉片傾角分別修改為-20°、-10°、0°、10°、20°進(jìn)行數(shù)值模擬分析。試驗(yàn)結(jié)果表明葉片傾角向前傾20°時(shí)，風(fēng)機(jī)出口平均速度最大。因此，將葉片前傾20°作為葉片傾角優(yōu)化結(jié)果說明對象。

從圖6（b）可知，改變?nèi)~片傾角有利于增加空氣從進(jìn)風(fēng)口流入風(fēng)機(jī)內(nèi)部，提高風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣體的動能和壓力能，因此在接近蝸殼處的流道內(nèi)形成的壓力能更大;由圖6（c）可見，縮小蝸舌附近流道，使與出口通道接近的這兩扇葉之間的區(qū)域形成局部低壓，這主要是因?yàn)樗惋L(fēng)區(qū)的氣流速度提高的緣故，因此與原始模型相比該處低壓區(qū)范圍較大;由圖6（d）可知，加長葉片長度有利于提高扇葉做功面積，因此流道內(nèi)形成的壓力動能也有所增大，蝸道出口擴(kuò)大區(qū)中間的扇葉產(chǎn)生的氣流也比原始模型更大，因此這一區(qū)域的低壓區(qū)范圍也較原始模型大。

由圖7（b）可知，在流道下方靠近出口擴(kuò)大處和主要送風(fēng)區(qū)，以及沿出口段下方的高速氣流區(qū)明顯比原始模型大，在該處形成高速氣流，有利于提高出口平均速度;由圖7（c）模型縮小蝸舌附近流道可見，風(fēng)機(jī)內(nèi)部高速氣流分布區(qū)明顯比原始模型大，雖然靠近扇葉出口擴(kuò)大地方產(chǎn)生小范圍的旋渦，但出口處平均速度比原始模型大;由圖7（d）可明顯看出加長葉片后的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流道氣流與原始模型相比，幾乎都為流速較高的氣流，有利于將更多氣流送出出風(fēng)口;但由于蝸道與出口擴(kuò)大截面的擴(kuò)大，導(dǎo)致該處氣體動能與壓力能分布不均及此處氣流較大，因此，在該區(qū)域形成小范圍死水區(qū)，但總的出口平均風(fēng)速仍比原始模型有所提高。

從圖8（a）至圖8（b）可以看出，在風(fēng)機(jī)的主要送風(fēng)區(qū)域產(chǎn)生的湍流動能減小且湍流動能范圍縮減，可降低氣流流阻，使送風(fēng)更加順暢。

由表2可以看出，葉片前傾20°、縮小蝸舌附近流道和加長葉片，與原始風(fēng)機(jī)相比，風(fēng)機(jī)出口速度分別增加了9.78%、19.83%和18%，風(fēng)機(jī)流量有了明顯的提升。

4結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)值模擬方法，針對原始風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場情況，提出了相對應(yīng)的解決方案，對葉片的切風(fēng)角、葉片尺寸和蝸殼形狀進(jìn)行了修改，并通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，得到如下結(jié)論：

1）通過對原始風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，獲得風(fēng)機(jī)內(nèi)部速度、壓力和湍流動能的分布情況，對流場情況進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)提出改進(jìn)措施，有效提高風(fēng)機(jī)工作性能。

2）風(fēng)機(jī)葉片的切風(fēng)角、葉片尺寸和蝸殼形狀對風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場影響較大，通過合理的設(shè)計(jì)能減小風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流能量的損失，從而提高風(fēng)機(jī)的出風(fēng)量。