李紀(jì)行

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院）

0 引言

隨著時代的進(jìn)步和我國工業(yè)化、城市化的發(fā)展，環(huán)境問題得到了人們的廣泛關(guān)注。城市園林綠化建設(shè)帶動了園林器械的發(fā)展。吹吸機是園林機械的一種，市場需求十分旺盛[1]。離心式吹吸機作為離心式風(fēng)機的一種，研究分析好離心式吹吸機對以后研究相關(guān)的離心式風(fēng)機有很大幫助。

離心風(fēng)機主要由葉輪、進(jìn)風(fēng)口及蝸殼組成。當(dāng)葉輪跟隨電機提供的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動時，空氣由于受到離心力的作用而被甩出。甩出的氣體被擠到機殼中使得機殼內(nèi)部氣壓增強，最終從導(dǎo)向口排出。氣體被排出后，葉輪中心部分的壓強降低，外界氣體就能從風(fēng)機的吸入口通過葉輪前盤中央的孔口吸入，源源不斷地輸送氣體[2]。

風(fēng)機的研究有很多種方法，最主要的就是實驗研究、理論研究和數(shù)值模擬這三種方法[3]。由于數(shù)值模擬研究具有成本低、降低優(yōu)化難度等特點，被人們廣泛應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的出現(xiàn)，以及應(yīng)用計算機技術(shù)解決物理問題精確值算法的發(fā)展，計算流體動力學(xué)成為計算流體力學(xué)的一種很重要的方式。本文中通過CFD 對此吹吸機中的關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析，對其進(jìn)行優(yōu)化，提高風(fēng)機的效率，從而減少樣機制造和實驗所需的資源及時間成本。

1 建立離心式風(fēng)機有限元模型

因為模型的建立必須遵循物理的真實性和數(shù)學(xué)的可行性這兩個原則，所以本文討論如圖1（a）所示的Homelite 的TTI7A 系列的離心式吹吸機，為了滿足后續(xù)網(wǎng)格劃分和流場特性計算，簡化模型如圖1（b）所示。

圖1 動力學(xué)模型的建立Fig.1 Establishment of the dynamic model

將SolidWorks 建立的風(fēng)機簡化模型另存為Iges 格式，再用HyperMesh 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的前處理——網(wǎng)格劃分[4]，離心式風(fēng)機各部件采用的是四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分主要細(xì)節(jié)如表1所示，劃分的網(wǎng)格如圖2 所示，效果示意圖如圖3 所示。

表1 離心式風(fēng)機各部件的網(wǎng)格劃分尺寸Tab.1 Mesh size of each component of a centrifugal fan

圖2 體網(wǎng)格生成示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid generation in body

圖3 離心式風(fēng)機網(wǎng)格劃分效果示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid division effect of centrifugal fan

2 有限元仿真結(jié)果分析

2.1 基于Fluent 計算求解

選擇Standard k-ε的湍流模型[5]，定義風(fēng)機材料為氣體，水力直徑分別是進(jìn)風(fēng)口1 為70 mm、進(jìn)風(fēng)口2 為56 mm、出風(fēng)口為38 mm，仿真模型的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為15 000 r/min。將模型初始化后，進(jìn)行迭代運算。

圖4（a）是原風(fēng)機的速度矢量云圖，圖4（b）是原風(fēng)機的壓力云圖。從速度矢量圖上可以顯示出，在風(fēng)機旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)葉輪上葉片周圍的速度最大，也就是流體經(jīng)過葉輪后由于離心力被甩出的過程中速度逐漸在增大，從葉輪排出后，速度在降低。從圖4（a）中可以看到，靠近蝸殼出口的地方速度比其他葉輪通道內(nèi)的速度小得多，而蝸舌處有速度微小的回流現(xiàn)象。靜壓力分布圖中，葉輪的進(jìn)出口的地方顯示最低的靜壓力，蝸殼內(nèi)部的靜壓力由葉輪中心向外逐漸增大，由于流動損失，沿著風(fēng)管出口處的靜壓力逐漸降低。

圖4 Z=0 的速度矢量圖與壓力分布圖Fig.4 Velocity vector diagram and pressure distribution diagram of Z=0

圖5 是葉片工作面。從圖5 可以看出，葉片工作面上的靜壓力分布不均勻，工作面上對空氣做功的程度最大，非工作表面上靜壓力分布較均勻，壓力分布是從葉片根部逐漸增大，符合文獻(xiàn)[6]中葉輪內(nèi)部的流動特性。

圖5 葉片的工作面應(yīng)力分布圖Fig.5 Working face stress distribution diagram of blade

經(jīng)數(shù)值模擬分析，風(fēng)機重要性能參數(shù)是：出口流量為0.111 1 kg/s，全壓是4 033.44 Pa，力矩是0.426 N·m，根據(jù)公式P軸=（其中：n——轉(zhuǎn)速；T——轉(zhuǎn)矩）可以求出軸功率為668.82 W，由效率公式η=×100%計算得出此風(fēng)機的效率是53.6%。

2.2 優(yōu)化方案數(shù)值模擬分析

2.2.1 蝸舌半徑對風(fēng)機性能的影響

在風(fēng)機結(jié)構(gòu)中，蝸殼對其性能也有很大的影響，尤其是葉輪出口處，它的氣流與蝸舌之間會產(chǎn)生劇烈的撞擊，所以蝸舌的附近會產(chǎn)生強烈的旋渦，使得蝸舌邊緣流動比較復(fù)雜。由于強烈的旋渦會產(chǎn)生氣體的回流，所以第一個方案采用更改蝸舌的半徑以達(dá)到提高風(fēng)機的效率。

經(jīng)過測量，原模型蝸舌部位的半徑為5.22 mm，所以在設(shè)計方案時，為了簡化方案，將蝸舌半徑分別改為2，3，4，6，7，8，13 mm，經(jīng)上述網(wǎng)格劃分與流場分析計算可得表2 所示數(shù)據(jù)。

表2 蝸舌半徑變化數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.2 Data processing results of volute tongue radius variation

半徑小于原值時，進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，半徑是2，3，4 mm 處的效率都比原來風(fēng)機的效率高，尤其是半徑為4 mm 時，效率提高了1.6%，但它的軸功率也是在數(shù)據(jù)里面最高的，所以在比較的過程中可以發(fā)現(xiàn)，半徑為7 mm 的效率最高，而且所需的軸功率最低。

2.2.2 葉片弧度對風(fēng)機性能的影響

離心式風(fēng)機的葉片基本上有3 種：直線型、圓弧型、機翼型。研發(fā)人員會在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)機翼型葉片風(fēng)機的效率是最高的，而且噪音又低。而通過傳統(tǒng)的設(shè)計理念和手工建模的方式，很容易產(chǎn)生誤差很大型面，風(fēng)機的流體動力學(xué)特性很難保證。翼型原理[7]如圖6 所示。其中，b 為翼型中心線兩端點的距離，為翼弦；a 指最大彎度的相對位置；θ指翼型的彎折角。

圖6 機翼葉片計算原理Fig.6 Calculation principle of wing blade

翼型中線由一段圓弧構(gòu)成，中線在xoy 面上的坐標(biāo)方程為

拋物線構(gòu)成的翼型中線方程為

翼型的上輪廓

翼型的下輪廓

選取翼型截面為NACA4409 數(shù)據(jù)，采用表格計算功能，將上下弦的公式輸入表格內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)計算，再帶入SolidWorks 三維軟件中畫出葉片三維圖。由于原風(fēng)機的葉片在80°左右，所以采用翼型數(shù)據(jù)時，選取參數(shù)轉(zhuǎn)折角θ為60°～90°。

從表3 中可以看出，選用翼型葉片時，轉(zhuǎn)折角的增大不僅使得風(fēng)量提高，效率也同時提高很多。從表3 可以得出在90°時效率最高。

表3 葉片轉(zhuǎn)折角變化數(shù)值結(jié)果分析Tab.3 Analysis of numerical results of blade turning angle variation

2.2.3 葉片數(shù)目對風(fēng)機性能的影響

風(fēng)扇葉片數(shù)的不同對軸流風(fēng)機的氣動效果有很大的影響，葉片數(shù)過少時，風(fēng)扇風(fēng)量會變低，而葉片數(shù)過多時，又會使得空氣流動空間減小，因此一個合適葉片數(shù)的選擇是很重要的。本文在原有葉片的基礎(chǔ)上改動葉片的數(shù)目，選取數(shù)量在6～12 之間。

通過表4 可以清晰地觀察到，隨著葉片的數(shù)目的增加，風(fēng)量也在逐漸增大，但是所需的軸功率也隨之增大，與原風(fēng)機的數(shù)據(jù)相比，選擇葉片數(shù)目為10，軸功率增加的幅度不是很大，而且效率提高了0.6%。

表4 葉片數(shù)目改動數(shù)值結(jié)果分析Tab.4 Numerical results analysis of blade number changes

3 結(jié)論

本文主要從各個部位結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化分析離心式風(fēng)機的流場特性，以出口的流量、風(fēng)機軸功率以及全壓效率的大小為評價點對風(fēng)機的蝸舌半徑、葉片形狀、原葉片數(shù)3 個參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察每個參數(shù)變化后的最優(yōu)值。

綜上所述，最后的優(yōu)化結(jié)果是將原有蝸殼上蝸舌的半徑改為7 mm，采用弧度為90°的翼型葉片，葉片數(shù)目為10。