1 前言

近年來,隨著計算機技術的快速發(fā)展, 使得計算流體動力學(CFD)在離心風機的 研究領域得到了越來越廣泛的應用。本文 就應用計算流體動力學的商用軟件之一 Fleunt 對 6-30 型離心風機不同工況下的流 場做了三維模擬,并通過對其流場的對比 和研究,為減小流量變化對風機的影響,拓 寬風機的工作范圍提出建議。
2 建模與計算方法

在求解過程中采用SEGREGATED 隱 式方法,湍流動能、湍流耗散項、動量方程 都采用了二階迎風格式離散;在迭代計算 時,應用亞松弛迭代,松弛系數(shù)采用默認。

2.1 風機的主要參數(shù)

本文以6-30 型風機在不同工況下的流 場為研究對象,主要參數(shù)如下:最高效率點 流量 qv=0.8188m3/s,全壓 P=3.98kPa,小流 量取 qv=0.5459m3/s,全壓 P=4.19kPa,大流 量取 qv=1.0917m3/s,全壓 P=3.45kPa,轉(zhuǎn)速 n=2900r/min,葉輪外徑 D2=490mm,葉輪輪 轂寬度 b=39mm,葉片數(shù)Z=12,蝸殼基圓半 徑 R1=274mm,R2=323mm,R3=382mm, R4=451mm,蝸室寬度 B=122.5mm,采用圓 柱形進口管,,工作介質(zhì)為標況下的空氣, 并認為牛頓流體且局部各向同性。蝸殼垂 直 z 軸,軸面為xy平面,垂直紙面向外為z 軸。通過三維軟件 AUTOCAD建模,模型 (除去葉輪前蓋)如圖 1 所示。

2.2 網(wǎng)格化分

本文采用gambit 對風機的內(nèi)流場進行 劃分,考慮到離心風機的內(nèi)部流動情況較 復雜,故整機采用非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格進行劃分, 并將整機劃分為三個部分:入口部分,葉輪 流道部分,蝸殼部分。

2.3 控制方程 本文中旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止蝸殼之間、旋 轉(zhuǎn)葉輪與靜止進口管之間的耦合采用了多 參考坐標系(multiplereferenceframe),把離 心風機內(nèi)流場簡化為葉輪在某一位置的瞬 時流場,將非定常問題用定常方法計算。 對于定常不可壓縮流體,取與葉輪一起以 恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動的坐標系,考慮粘性假設,使 用笛卡兒坐標系,速度矢量在 x,y 和 z 方向 的分量為 u、v 和 w,采用標準 k- ε模型求 解該問題時,控制方程包括連續(xù)性方程、 動量方程、k 方程、ε方程,這些方程都可 以表示成如下通式:

式中,ρ 代表流體密度,φ 是廣義變 量,速度 u、v、w 單位為 m/s,Γ為擴散系 數(shù),S 為廣義源項,湍動能 k 和湍動能耗散 率ε,方程的具體形式和含義參見文獻[3]。 2.4 邊界條件 (1)進口條件 在計算域的進口處,假定進口速度沿 進水管入口截面均勻分布,給出進口質(zhì)量 流量,并指定其方向與進口垂直。進口處 的湍動能k 和湍動能耗散率ε取默認值。 (2)出口條件 采用自然流出(即 outflow)。 (3)流體條件 入口和蝸殼部分為靜止網(wǎng)格,葉輪流 道部分采用懸轉(zhuǎn)坐標系,三部分之間的連 接面設置為 interface。 (4)壁面條件 入口,葉輪和蝸殼與流體相接觸的所 有壁面均采用無滑移固壁條件,在近壁區(qū) 采用標準壁面函數(shù)法,除葉輪流道部分壁面為旋轉(zhuǎn)壁面外其他壁面均為靜止。計算 中忽略重力對流場的影響。
3 計算結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果可信度判斷 以該風機最高效率點的工況 q v=0. 8188m3/s,全壓 P=3.98kPa為標準,模擬結(jié) 果風機出口和入口的全壓差為3.83kPa,與 給定的風機全壓3.98kPa 誤差僅為3.8%, 可以判斷該模擬結(jié)果可信。

3.2 流場分析

(1)風機入口,葉輪入口,葉輪出口和風 機出口的全壓比較。 圖 2 為小流量,最高效率點流量和大流 量情況下風機入口,葉輪入口,葉輪出口和 風機出口全壓的流量加權平均的模擬結(jié) 果。可以看到,這四個面上的全壓均為小 流量時最大,大流量時最小。計算空氣進 入葉輪前,在葉輪中和在蝸殼中全壓變化 的比例如下: 小流量1∶408∶51 最高效率點流量 13∶408∶52 大流量24∶408∶72 可見與最高效率工況比較,小流量時, 空氣在進入葉輪前的損失較小,但在蝸殼 內(nèi)損失差不多;而大流量時,無論在進入葉 輪前還是在蝸殼內(nèi),全壓損失都較明顯。

(2)葉輪入口處 圖 3 為葉輪入口處的速度矢量圖。從 圖中可見,當風機在最高效率點工作時,在 葉輪入口處葉片的工作面上存在一定的逆 流,該處空氣的流動的方向與入口的法方 向偏離較多,而在所有葉輪流道中,這種偏 離又以靠近蝸舌的流道最為嚴重;當風機 在小流量工作時,這種偏離在靠近蝸舌的 流道部分由葉片工作面一側(cè)發(fā)展到入口的 大部分區(qū)域,且不能流入葉輪。而在順葉 輪旋轉(zhuǎn)方向稍遠離蝸舌的流道部分這種偏 離表現(xiàn)為空氣的正預旋。值得注意的是,上述情況只在蝸舌附近及靠近蝸舌的部分 流道較為顯著,而在遠離蝸舌的流道部分 影響不大。當風機在大流量工作時,幾乎 觀察不到逆流,而僅在全部流道入口產(chǎn)生 少量的負預旋。          

(3)葉輪內(nèi)部 圖 4 為以葉輪入口為源的流線圖。從 圖中可見,當風機在最高效率點工作時,僅 在靠近蝸舌的葉輪流道中空氣流動較紊亂 且流量較少;而在小流量時,在靠近蝸舌的 葉輪流道中不僅流動紊亂而且流量較其它 流道顯著減少,且這種流動紊 亂流量減少的現(xiàn)象在順葉輪旋轉(zhuǎn)方向 相鄰的2、3 個流道也比較明顯;在大流量 時,幾乎觀察不到流動紊亂和流量減少的 現(xiàn)象,空氣流動在各流道中都較均勻和順 暢。

(4)葉輪出口 圖 5 為葉輪出口處的速度矢量圖。從 圖中可見,隨著流量的增加,空氣流出葉輪 時的徑向分速度越大,速度矢量與葉輪徑向的夾角越小。在小流量和最高效率工況 下,最靠近蝸舌的葉輪出口處有一部分空 氣產(chǎn)生逆流,而大流量時沒有見到這種情 況。

(5)整機速度等高線分布 圖 6 為 z=15 截面風機的速度在不同流 量下的等高線圖。圖中可見,在大流量時, 葉輪各流道的入口、內(nèi)部和整機等高線圖 形整齊一致,顯示風機內(nèi)空氣流動均勻流 暢;而隨著流量減少,等高線圖開始變形, 特別是小流量時,入口處各流道速度矢量 差異明顯,個別流道內(nèi)流速的變化也劇烈 且不均,顯示風機內(nèi)空氣流動不均勻、不 流暢。
4 結(jié)語

(1)葉輪入口處的預旋并不在全部葉輪 均勻相似,而是受到蝸殼結(jié)構(gòu)的影響。小 流量時正預旋明顯不均,僅在近蝸舌及葉 輪旋轉(zhuǎn)方向的臨近區(qū)域較為顯著。 (2)從空氣在進入葉輪前及葉輪中流動
的情況分析,大流量時空氣流動均勻順暢, 風機損失的增加主要是由高流速引起的; 而小流量時空氣流動可見明顯的不均勻性 和較多逆流、渦旋和回流,風機損失的增 加主要由流動的紊亂引起的。因此大流量 時提高效率應考慮減少沖擊損失和減少粘 滯力影響為主,而小流量時提高效率應考 慮改善風機結(jié)構(gòu)以順暢和均勻流場為主。 (3)從整體來看,蝸殼結(jié)構(gòu),特別是蝸舌 及其鄰近的蝸殼流道對小流量時的空氣流 動影響顯著,因此要提高風機在小流量時 的效率,應重點改進蝸舌及其鄰近的蝸殼 流道。 綜上所述,使用數(shù)值模擬方法研究離 心風機內(nèi)部流場能夠方便直觀的讓我們觀 察到不同工況下氣體在風機內(nèi)的流動狀況 的差異,并能夠根據(jù)需要提供詳細的數(shù)據(jù), 為我們改進和設計性能更好的風機指明方向。

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