李博LⅠBo；商丹丹SHANG Dan-dan；賈曉奇JⅠA Xiao-qi

（①杭州微光電子股份有限公司，杭州 310000；②浙江理工大學(xué)，杭州 310018）

0 引言

無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)是在相比傳統(tǒng)的離心風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上減少了蝸殼結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)如下所示[1-3]：①非穩(wěn)定工作區(qū)域小，在小流量工況下，無(wú)喘振和馬鞍形工作區(qū)；②運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲較低，氣流在葉輪內(nèi)部具有較長(zhǎng)的擴(kuò)壓過(guò)程，減少了氣體的風(fēng)速和動(dòng)壓；③氣流方向任意，在使用的設(shè)備內(nèi)可以調(diào)節(jié)出風(fēng)方向，最大程度滿足客戶的實(shí)際使用需求，在風(fēng)機(jī)的進(jìn)口處可以加裝導(dǎo)流圈，減少進(jìn)口氣流損失，增加風(fēng)機(jī)的效率；④成型工藝比較成熟，可以通過(guò)沖壓、注塑、壓鑄等工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)各種造型的生產(chǎn)；⑤通過(guò)鈑金支架安裝，結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度高，風(fēng)機(jī)壽命長(zhǎng)。

和傳統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)相比，無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)化并不是最佳。如無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)因缺少轉(zhuǎn)化靜壓力的蝸殼結(jié)構(gòu)，氣流從葉片尾部出來(lái)之后，周向的動(dòng)壓力不能很好地轉(zhuǎn)化成靜壓力，導(dǎo)致葉輪的流動(dòng)損失[4]。通常無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)的前盤(pán)和葉片連接后，其圓弧過(guò)渡弧度較小，在大流量工況下，會(huì)造成葉輪沖擊、突然擴(kuò)壓時(shí)流動(dòng)損失增大[5]。帶蝸殼的風(fēng)機(jī)可以改變蝸殼形狀來(lái)減少風(fēng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲[6-8]。目前隨著外轉(zhuǎn)子電機(jī)的發(fā)展，外轉(zhuǎn)子電機(jī)匹配無(wú)蝸殼風(fēng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，外轉(zhuǎn)子無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)常用于組合式空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能設(shè)備等領(lǐng)域，開(kāi)展其性能提升的研究具有重要的意義。

1 數(shù)值方法

1.1 模型與計(jì)算域

輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為200 萬(wàn)。對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪模擬計(jì)算時(shí)候的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證參數(shù)指標(biāo)時(shí)候設(shè)為靜壓力指標(biāo)，結(jié)果如表2 所示。在不同的網(wǎng)格計(jì)算下，靜壓會(huì)有一定的偏差，同時(shí)考慮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和計(jì)算的時(shí)效性，選取折中的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算本文的不同模型網(wǎng)格數(shù)選取在500 萬(wàn)左右。

表1 風(fēng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.2 控制方程

在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)，進(jìn)口區(qū)域和出口區(qū)域定義為靜止域，葉輪部分定義為旋轉(zhuǎn)區(qū)域。選擇RANS 方程作為控制流體流動(dòng)的方程。對(duì)于靜止區(qū)域的控制方程如下所示：

式中，u 是流體速度；ρ 是空氣密度；μ 是流體粘性系數(shù)；μt是流體湍流粘性系數(shù)，p 是壓力。對(duì)于旋轉(zhuǎn)流域選擇MRF 模型，方程如下所示：

式中，τr是粘性應(yīng)力；νr是相對(duì)速度；ω 是角速度。RNG 模型為普朗特系數(shù)提出了解析公式，湍流模型設(shè)置為RNG k-ε 模型，可以提高旋轉(zhuǎn)區(qū)域流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果精度。并在ε 方程中添加附加項(xiàng)，可以提高數(shù)據(jù)計(jì)算精度。

1.3 數(shù)值方法及邊界條件

本文在仿真計(jì)算中，對(duì)整個(gè)計(jì)算流域采用三維定常模擬，空氣溫度設(shè)置為20℃氣。此型號(hào)的風(fēng)機(jī)葉輪在工作時(shí)，空氣速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.3 倍馬赫，可忽略空氣的壓縮性。

對(duì)計(jì)算域進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，進(jìn)口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，壁面設(shè)置采用無(wú)滑移邊界條件，設(shè)置為wall。在風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試時(shí)候，離心風(fēng)機(jī)直接連通大氣壓，默認(rèn)其表壓為0，設(shè)置操作環(huán)境為1atm。

本模型采用有限體積法對(duì)控制方程與湍流方程在空間上進(jìn)行離散，采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)口處設(shè)置增加靜壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行判斷，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)靜壓數(shù)值穩(wěn)定時(shí)，且計(jì)算殘差值低于設(shè)定的目標(biāo)殘差值，進(jìn)出口壓力差值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，判斷計(jì)算結(jié)果收斂。將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到CFDPOST 軟件中，進(jìn)行后處理分析其結(jié)果。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 原型葉輪

圖1中可以看出，隨著進(jìn)口流量的增加，葉輪內(nèi)部靜壓也隨之增加，并且靜壓隨著葉片呈現(xiàn)出周向?qū)ΨQ均與分布，同時(shí)葉片壓力面與吸力面壓差變小。隨著葉輪葉片的旋轉(zhuǎn)做功，葉輪中心處對(duì)比葉輪出口處，靜壓上升明顯，葉輪進(jìn)口、出口靜壓差減少。隨著流量的增加，葉輪后盤(pán)因沖擊造成的動(dòng)能轉(zhuǎn)換造成靜壓上升。在葉輪出口處，因葉片對(duì)氣體做功使氣體的靜壓升高?？梢耘袛喑鰜?lái)：①葉輪的后盤(pán)沖擊造成了風(fēng)機(jī)在大流量系數(shù)下產(chǎn)生流動(dòng)損失；②葉輪出口直通大氣壓，葉輪出口靜壓接近大氣壓。在大流量區(qū)，吸力面與壓力面之間壓差減少，葉道內(nèi)部靜壓上升，從而降低靜壓升，此時(shí)葉輪獲得能量減少。

圖1 無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)徑向面靜壓云圖

從圖2 中可以看出，在低流量系數(shù)的情況下，在葉片吸力面出現(xiàn)由于分離渦導(dǎo)致的低速區(qū)。隨著流量的增加，低速區(qū)逐漸消失，葉片吸力面速度大于葉片壓力面處速度，符合一般葉輪機(jī)械流動(dòng)現(xiàn)象。

圖2 無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)徑向面速度云圖

圖3為無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)中間徑向面的流線圖。圖中，在0.29 流量系數(shù)下，葉輪出口區(qū)域葉片吸力面區(qū)域產(chǎn)生了分離渦。由于分離渦的存在影響，使得葉輪出口速度大部分為周向速度，而風(fēng)機(jī)沒(méi)有蝸殼結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)出口區(qū)域的周向速度的動(dòng)能不能有效地轉(zhuǎn)化為靜壓，造成了因周向速度產(chǎn)生的能量損失。因此在小流量系數(shù)下，葉片吸力面分離渦導(dǎo)致了葉輪效率降低。當(dāng)流量增大時(shí)，葉片吸力面出口處的分離渦逐漸消失。

圖3 無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)徑向面流線圖

如圖4 所示，在低流量系數(shù)的工況下葉輪出口處沒(méi)有產(chǎn)生明顯因二次流現(xiàn)象導(dǎo)致的“射流—尾跡”結(jié)構(gòu)，當(dāng)流量系數(shù)增加時(shí)，出現(xiàn)明顯的由于二次流現(xiàn)象導(dǎo)致的出口流速不均勻現(xiàn)象。當(dāng)流量系數(shù)增大時(shí)，出口流動(dòng)不均勻的現(xiàn)象隨著流量的增大而增強(qiáng)。原風(fēng)機(jī)模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖4 無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)軸向面速度云圖

表3 原風(fēng)機(jī)模擬結(jié)果

2.2 改型6 葉片葉輪

圖5中，與原型葉輪相比，改型6 葉片葉輪增加了葉片的長(zhǎng)度，一定程度上優(yōu)化了流動(dòng)情況。與原型葉輪流線圖相比0.7 流量系數(shù)下，葉輪出口的分離渦大小明顯地減少，流動(dòng)情況有明顯的改善。模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖5 無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)徑向面流線圖

表4 改型6 葉片葉輪風(fēng)機(jī)模擬結(jié)果

2.3 改型7 葉片葉輪

圖6，與原型葉輪相比，改型7 葉片葉輪增加了葉片的數(shù)量，一定程度上惡化了流動(dòng)情況。與原型葉輪流線圖相比0.7 與1.0 流量系數(shù)下，葉輪出口的分離渦大小有明顯的增加，流動(dòng)情況有明顯的惡化。模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 改型7 葉片葉輪風(fēng)機(jī)模擬結(jié)果

圖6 無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)徑向面流線圖

圖7是流量系數(shù)—效率曲線圖。原型葉片與改型6 葉片和改型7 葉片的效率相差不大，效率隨流量系數(shù)的增大先增加后減小，在1.0Qd處取得最大值。改型6 葉片在1.0Qd處的效率最高，最高值為46.71%。圖8 是流量—壓差曲線圖。改型6 葉片的壓差最大，其他模型的壓差差距不大，隨流量系數(shù)的增大呈下降趨勢(shì)。

圖7 流量系數(shù)—效率曲線

圖8 流量系數(shù)—壓差曲線

3 結(jié)論

本文分析了三種無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)，通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算探究損失產(chǎn)生的原因，并用改型葉片進(jìn)行替換，研究了原型、改型6 葉片和改型7 葉片三種葉輪的性能。本文得出如下結(jié)論：

①無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)在小流量系數(shù)下，葉片吸力面處分離渦的產(chǎn)生與分離增大了葉輪出口處的周向速度，從而造成流動(dòng)損失。

②無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量與大流量系數(shù)下，流動(dòng)損失是由二次流等復(fù)雜流動(dòng)引起的。當(dāng)流量逐步增大時(shí)，分離渦逐漸消失，二次流等復(fù)雜流動(dòng)導(dǎo)致的出口流動(dòng)不均勻與“射流—尾跡”結(jié)構(gòu)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)靜壓及效率降低。

③優(yōu)化設(shè)計(jì)改變?nèi)~片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠提升風(fēng)機(jī)的靜壓與效率。通過(guò)對(duì)比原型葉片、改型6 葉片、改型7 葉片的模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)增加葉片長(zhǎng)度的改型6 葉片對(duì)分離渦與二次流的形成有一定的抑制作用，減小了流動(dòng)損失，提高了風(fēng)機(jī)效率。