左海明，陰 明，顧玉超，許 杰，段玉星

(寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司，江蘇 寶應(yīng) 225800)

0 引言

離心式通風(fēng)機(jī)是化工、能源、冶金等多種工業(yè)設(shè)備中的核心部件，屬于葉輪機(jī)械的一種。其工作原理是通過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體做功，提高氣體的靜壓能來(lái)輸送氣體。經(jīng)過(guò)前人對(duì)離心式通風(fēng)機(jī)的不斷深入的研究，其各方面性能均得到了提高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值分析法逐漸成為了研究離心式通風(fēng)機(jī)的更為有效的方法。

何小笛等人[1]針對(duì)離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)損失大、效率低的問(wèn)題，利用有限元分析軟件對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行了研究。楊衛(wèi)宏等人[2]采用三維時(shí)均N-S方程和k-ε模型分別模擬了離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)，用多塊結(jié)構(gòu)的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了計(jì)算機(jī)內(nèi)存的浪費(fèi)。柏樂(lè)等人[3]對(duì)不同體積流量參數(shù)條件下的離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了風(fēng)機(jī)效率、總壓力和葉輪功率等數(shù)據(jù)。驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性和由于氣流流動(dòng)分布的不均勻性而存在的壓力不對(duì)稱的現(xiàn)象。楊春魚等人[4]對(duì)不同流量系數(shù)工況下進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，通過(guò)比較分析得出了大流量與小流量之間的關(guān)系及增加出口擴(kuò)壓器的必要性。

從上述各研究成果中可以發(fā)現(xiàn)，CFD數(shù)值模擬是現(xiàn)實(shí)可行的，并且能很方便地對(duì)通風(fēng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行修改。離心式通風(fēng)機(jī)的分析過(guò)程需要用到邊界條件和流道模型[5]。然后用ANSYS Fluent進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)的仿真模擬，便可得到相應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)。本文對(duì)離心式通風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流域建立了一個(gè)二維模型，以數(shù)值分析法深入了解其流體流動(dòng)特性，求得其內(nèi)部流域的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等參數(shù)。研究結(jié)果有助于指導(dǎo)離心式通風(fēng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，有助于提高效率，降低功耗，降低內(nèi)部流場(chǎng)的不均勻性，從而使得各部件受壓合理，增強(qiáng)通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)而改善通風(fēng)機(jī)參與的生產(chǎn)制造過(guò)程。

1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展之后，有限元法[7]在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)是一種利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值的計(jì)算和圖像的顯示，并對(duì)存在有流體流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)等相關(guān)過(guò)程的系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析的方法[8]。CFD可看成計(jì)算機(jī)對(duì)流動(dòng)的一種數(shù)值模擬，這種模擬以流動(dòng)基本方程來(lái)進(jìn)行控制。流動(dòng)基本方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程[9]。利用這三類方程指導(dǎo)下的數(shù)值模擬可以求得基本物理量在極其復(fù)雜的流場(chǎng)內(nèi)各位置的分布規(guī)律。在研究流體流動(dòng)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)方法有理論分析法和實(shí)驗(yàn)測(cè)量法[10]。理論分析法一般需要對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化抽象，才有可能得到理論解。實(shí)驗(yàn)測(cè)量法是理論分析與數(shù)值方法的基礎(chǔ)，但是，實(shí)驗(yàn)受到的影響因素是不確定的。上述兩種方法的缺點(diǎn)，在CFD上得到了彌補(bǔ)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的運(yùn)算，可以看做一次物理實(shí)驗(yàn)，在過(guò)程中既能看到屏幕上流場(chǎng)的變化，又能得到各類數(shù)據(jù)的分布云圖。

2 通風(fēng)機(jī)模型設(shè)計(jì)及內(nèi)部流場(chǎng)分析

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)在于對(duì)離心式通風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，故只需求得葉輪和蝸殼的主要特征尺寸即可，設(shè)計(jì)所需的相關(guān)條件參數(shù)如表1所示。

表1 通風(fēng)機(jī)相關(guān)條件參數(shù)

葉輪是離心式通風(fēng)機(jī)的核心部件，葉片是葉輪向流體傳遞能量的唯一零件，故葉輪設(shè)計(jì)是否合理決定了通風(fēng)機(jī)能否達(dá)到所需的流量和壓力。根據(jù)通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)步驟及相關(guān)國(guó)標(biāo)，可設(shè)計(jì)計(jì)算出葉輪的相關(guān)參數(shù)[8]。由于篇幅原因，計(jì)算過(guò)程不再展示，設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 葉輪相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 模型建立

本文以前向葉片型離心式通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其二維流域進(jìn)行數(shù)值分析。首先用Auto CAD軟件繪制葉輪和蝸殼的二維模型，并對(duì)蝸殼內(nèi)部、葉輪進(jìn)口圓、葉輪出口圓和葉片等四部分進(jìn)行面域的創(chuàng)建。創(chuàng)建完成后保存為sat格式，以便導(dǎo)入ANSYS Workbench中的SCDM平臺(tái)進(jìn)行下一步操作。

本次建模過(guò)程中，SCDM的作用是刪除多余的面域，保留流體實(shí)際流動(dòng)的區(qū)域。具體用到SCDM中的【組合】命令，先選中要保留的面，再點(diǎn)擊要從中分割的面，系統(tǒng)自動(dòng)判斷為作差命令，兩面便由交界處分離開(kāi)來(lái)。處理完所有要分割的面后，刪除不需要的面即可。操作完成后需注意觀察項(xiàng)目樹(shù)中葉輪面與蝸殼面是否分離為兩個(gè)項(xiàng)目，否則應(yīng)在其中一個(gè)面上右擊鼠標(biāo)，以手動(dòng)分離。

2.3 網(wǎng)格劃分

在Workbench中將建立好的模型導(dǎo)入Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。Meshing會(huì)自動(dòng)識(shí)別兩個(gè)獨(dú)立的面域，并建立Contact Region。接著需要對(duì)每條邊界進(jìn)行命名，這一步的命名會(huì)在FLUENT中用到。選取葉輪進(jìn)口圓，命名為Inlet；選取蝸殼出口，命名為Outlet；葉輪出口圓為葉輪與蝸殼的交界邊，故需分開(kāi)選擇處于兩個(gè)面上的邊界，分別命名為Inwall1和Inwall2；選取蝸殼外部除出口外的所有邊，命名為Outwall；代表葉片的邊界線較多，我們可以切換選擇方式為框選，多次框選以將葉片邊界線全部選中，命名為Fanwall。

圖1 二維模型網(wǎng)格劃分效果圖

由于葉輪部分為整個(gè)數(shù)值分析的核心區(qū)域，為提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，我們應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)葉輪部分的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，即采用局部網(wǎng)格方法。設(shè)置葉輪部分的網(wǎng)格大小為10 mm，蝸殼部分的網(wǎng)格大小為80 mm，均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以針對(duì)不同的幾何形狀區(qū)域來(lái)調(diào)整網(wǎng)格密度。整體共劃分網(wǎng)格17516個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)9746個(gè)，劃分效果如圖1所示。

2.4 計(jì)算參數(shù)的設(shè)置

本文所研究的是離心式通風(fēng)機(jī)，這類旋轉(zhuǎn)機(jī)械可以采用多參考系模型進(jìn)行計(jì)算，故在Time選項(xiàng)組中選擇Steady(穩(wěn)態(tài)流動(dòng))，設(shè)置葉輪網(wǎng)格部分為Frame Motion，并輸入轉(zhuǎn)速為1450(rpm)。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，同時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

圖2 監(jiān)視得到的殘差值

在邊界條件中，設(shè)置fanwall為Moving Wall，定義其為運(yùn)動(dòng)的邊界，Motion選項(xiàng)組更改為Rotational，定義其運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)，相對(duì)速度設(shè)為0；將inlet的邊界條件設(shè)置為pressure-inlet，表壓設(shè)為0；outlet的邊界條件設(shè)置為outflow；inwall1和inwall2的邊界條件設(shè)置為interface。打開(kāi)Mesh Interfaces，以inwall1和inwall2為Interface Zone創(chuàng)建名為inwall的內(nèi)部邊界。求解方程選擇SIMPLEC算法，采用二階迎風(fēng)離散格式。在Solution Controls中，關(guān)于欠松弛因子，Pressure設(shè)為0.1，Momentum設(shè)為0.06，其余保持默認(rèn)值。在Solution Initialization中，設(shè)置Computer from為inlet，以入口的流動(dòng)初始條件為標(biāo)準(zhǔn)初始化整個(gè)流場(chǎng)。最后設(shè)置迭代次數(shù)為3000次，點(diǎn)擊Calculate，等待計(jì)算殘差值低于默認(rèn)的0.001。在如圖2所示的迭代過(guò)程中，殘差值逐步減小，在迭代計(jì)算437次后，得到收斂結(jié)果。

2.5 結(jié)果分析

離心式通風(fēng)機(jī)中，隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，氣流由葉輪入口進(jìn)入并沿著葉輪流道流至葉輪出口，在此過(guò)程中獲得能量，隨后從蝸殼出口處排出。經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算后，對(duì)離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分析求解完成，得到靜壓云圖和速度云，圖如圖3所示。

圖3 求解得到的靜壓云圖和速度云圖

從以上兩幅云圖可以看出，葉輪流道內(nèi)氣流沿葉片方向，靜壓逐漸升高，速度逐漸增大。葉輪入口處的靜壓最低，速度較小，靜壓為負(fù)值使得處于大氣壓強(qiáng)下的外部氣體源源不斷地從葉輪入口吸入，經(jīng)葉輪做功后，靜壓升高、速度增大。當(dāng)氣流進(jìn)入蝸殼區(qū)域后，葉輪不再對(duì)其做功，又因?yàn)槲仛こ事菪€型，沿氣流方向空間逐漸增大，根據(jù)能量守恒原理，故速度降低，靜壓升高。

3 對(duì)照分析

3.1 修改葉片進(jìn)口角

上述分析過(guò)程采用的二維模型，其葉輪進(jìn)口角為50°，這里我們將進(jìn)口角修改為20°，再進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果如圖4所示。

圖4 葉片進(jìn)口角為50°時(shí)通風(fēng)機(jī)的靜壓云圖和速度云圖

通過(guò)與原模型求得的云圖進(jìn)行對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口角減小后，葉輪進(jìn)口處的低壓區(qū)變得不均勻，靜壓較低的區(qū)域呈現(xiàn)出沿葉片邊緣擴(kuò)散的趨勢(shì)，蝸舌附近的壓力也有一定幅度的升高，這一位置的變化會(huì)影響通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，長(zhǎng)期來(lái)看會(huì)縮短通風(fēng)機(jī)的工作壽命。從速度云圖上可以發(fā)現(xiàn)，蝸殼內(nèi)遠(yuǎn)離出口區(qū)域的速度變化較為平緩。

3.2 后向葉片情況

由于在對(duì)葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算中，求得的葉輪比轉(zhuǎn)速落在前向葉片與后向葉片的交集內(nèi)。故這里我們修改葉片模型，也對(duì)后向葉片加以分析模擬。

從圖5兩幅云圖可以看出，后向葉片所激發(fā)的靜壓場(chǎng)和速度場(chǎng)也較為合理。葉輪入口處?kù)o壓值為負(fù)，但高于前向葉片同位置的靜壓值，且變化趨勢(shì)較為平緩，而蝸殼出口處的靜壓值高于前向葉片同位置的靜壓值。氣流進(jìn)入蝸殼后，速度沒(méi)有明顯減小，在接近蝸殼出口時(shí)，開(kāi)始減速。對(duì)比靜壓云圖與速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，速度遞減區(qū)域正好對(duì)應(yīng)靜壓遞增區(qū)域，符合能量守恒定律。與前向葉片不同的是，后向葉片靠近蝸舌處的流道內(nèi)速度有較大的變化，但總體的速度偏小。這一顯著差異說(shuō)明，雖然根據(jù)葉輪比轉(zhuǎn)速來(lái)看，前向葉片與后向葉片均滿足本文給定條件參數(shù)下的通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，但其二者產(chǎn)生的流場(chǎng)的流速、靜壓不同，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需充分考慮其他要求以合理選擇。

圖5 后向葉片通風(fēng)機(jī)的靜壓云圖和速度云圖

3.3 修改葉片數(shù)目情況

葉片數(shù)目對(duì)離心式通風(fēng)機(jī)的性能也有影響，李輝等人進(jìn)行過(guò)葉片數(shù)目對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能的影響研究[11]，得出葉片數(shù)目對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響較大的結(jié)論，故本文也對(duì)所研究的離心式通風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)目進(jìn)行了修改。分別減小葉片數(shù)目至12片和增大葉片數(shù)目至20片，對(duì)這兩種模型進(jìn)行了數(shù)值分析。得到的靜壓云圖和速度云圖如圖6所示。

對(duì)比這四幅云圖可以發(fā)現(xiàn)，這兩種葉輪存在相似的流動(dòng)狀況，葉片數(shù)目少會(huì)導(dǎo)致流道內(nèi)流體流動(dòng)混亂，而蝸殼出口處的靜壓和速度變化不大。增多葉片會(huì)導(dǎo)致氣流與壁面間的摩擦加劇，使得速度變化幅度略微減小。

對(duì)比圖6這四幅云圖與圖3的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)下的云圖可以發(fā)現(xiàn)，三種葉片數(shù)目的葉輪壓力分布的共同點(diǎn)是：在徑向方向上，隨半徑增大壓力升高；由于蝸殼損失的存在，氣流總壓由蝸殼內(nèi)側(cè)向外側(cè)呈遞減趨勢(shì)。而當(dāng)葉片數(shù)為16時(shí)，蝸殼內(nèi)側(cè)壓力等值線分布相比其他而言比較均勻。此外，三種葉輪在蝸舌附近均存在一個(gè)全壓高的小區(qū)域，對(duì)出流有一定影響。仿真結(jié)果表明，葉片數(shù)為12的葉輪蝸舌區(qū)域，高靜壓區(qū)域較小，靠近蝸舌區(qū)域流道流動(dòng)狀況較差。葉片數(shù)為20的葉輪流道相較于葉片數(shù)為12的葉輪流道較好，但其蝸殼靠出口處的出流狀況較差。因而，在考慮整體內(nèi)部流場(chǎng)的綜合狀況時(shí)，16片的葉輪擁有更好的氣動(dòng)性能。

圖6 修改葉片數(shù)目的通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)云圖

4 總結(jié)

本文的主要研究?jī)?nèi)容是通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值分析，在ANSYS平臺(tái)利用CFD技術(shù)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，掌握流體分析的操作步驟。通過(guò)求得的靜壓云圖和速度云圖，了解離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部靜壓和流場(chǎng)的分布。再改變模型中某些參數(shù)，對(duì)更改后的模型進(jìn)行模擬分析。

由二維流道模型求得的靜壓云圖和速度云圖顯示，葉輪流道內(nèi)的氣流沿葉片方向，靜壓逐漸升高，速度逐漸加快，葉輪入口處的靜壓最低，速度較小，使得通風(fēng)機(jī)不斷從外界吸入氣體。通過(guò)修改模型參數(shù)得到靜壓云圖與速度云圖，觀察它們之間的差異可以得到以下結(jié)論：

1)20°進(jìn)口角與50°進(jìn)口角對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的作用效果相近；但50°進(jìn)口角在蝸舌區(qū)域附近其靜壓值發(fā)生突變，會(huì)影響通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性和工作壽命。

2)葉片彎向的改變對(duì)通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的全局均有較大影響，使得靜壓云圖、速度云圖與原參數(shù)的差異巨大，故在設(shè)計(jì)時(shí)要尤其考慮實(shí)際需要。

3)葉片數(shù)目的改變會(huì)影響蝸舌區(qū)域或蝸殼出口處的流動(dòng)狀況，從而影響通風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)的綜合流動(dòng)狀況。