柏 樂，劉 英，華 潔，李 佳，黃秀玲

（南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，南京210037）

離心通風(fēng)機內(nèi)部流場數(shù)值模擬

柏 樂，劉 英*，華 潔，李 佳，黃秀玲

（南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，南京210037）

為降低離心通風(fēng)機的能耗，在不同體積流量參數(shù)條件下應(yīng)用Fluent軟件對WDLH-450型離心通風(fēng)機內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，得到風(fēng)機效率、總壓力和葉輪功率等數(shù)據(jù).結(jié)果表明，總壓力和效率等性能參數(shù)的模擬結(jié)果與實驗測量數(shù)值非常吻合，驗證了數(shù)值模擬的正確性.由于風(fēng)機葉片為不規(guī)則幾何體，使得風(fēng)機在工作時內(nèi)部流場非常復(fù)雜，葉片旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生不規(guī)則的氣流，形成蝸殼區(qū)域氣體的二次流動和葉輪前盤區(qū)域的渦流，造成葉輪和蝸殼區(qū)域流動能量的損失.同時，各葉輪流道的流場由于氣流流動分布的不均勻性而存在壓力不對稱的現(xiàn)象.

離心式通風(fēng)機；流場；數(shù)值模擬；標(biāo)準(zhǔn)湍流模型

風(fēng)機在國民經(jīng)濟和國防事業(yè)中有重要作用，但它工作時消耗巨大的電能，所以必須對離心機葉輪內(nèi)部流場進行深入研究，通過改進設(shè)計提高風(fēng)機效率，達到節(jié)能的目的.現(xiàn)今多數(shù)研究者［1-3］還是采用Gambit軟件對離心風(fēng)機進行網(wǎng)格劃分，進而對整機進行三維數(shù)值模擬，但存在網(wǎng)格劃分精度低、數(shù)值模擬結(jié)果不準(zhǔn)確的缺點；也有研究者［4-6］通過混合網(wǎng)格劃分方法使得數(shù)值模擬精度提高.本文將采用精度更高的網(wǎng)格劃分軟件ICEM，對葉輪外徑d1為460 mm的離心風(fēng)機進行數(shù)值模擬，通過計算風(fēng)機整機流場，揭示離心風(fēng)機內(nèi)的一些重要參數(shù)，為設(shè)計高效率、低能耗的風(fēng)機提供理論依據(jù).

1　數(shù)值模擬

將通過PROE（Pro/ENGINEER）建立的風(fēng)機模型導(dǎo)入CFD（computational fluid dynamics）前期處理軟件ICEM中進行網(wǎng)格劃分.由于葉輪流道、蝸舌等部位氣體流動情況比較復(fù)雜，故加密這些區(qū)域，其余區(qū)域正常劃分，以提高網(wǎng)格質(zhì)量和保證流場信息.然后生成非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格［7］，網(wǎng)格總數(shù)為145萬個.圖1～2分別為蝸殼區(qū)域和葉輪流-固分界面網(wǎng)格圖，受計算機內(nèi)存限制，蝸殼區(qū)域采用較稀疏網(wǎng)格.考慮蝸舌（見圖1）部位的壓力、速度等物理參數(shù)改變較大，所以在蝸舌部位不同區(qū)域采用不同尺寸的網(wǎng)格，并在旋轉(zhuǎn)區(qū)和非旋轉(zhuǎn)區(qū)共用相同的網(wǎng)格面，便于觀察與分析計算.

圖1　蝸殼區(qū)域的網(wǎng)格圖Fig.1 Grid of the volute area

每個區(qū)域分別設(shè)定計算條件，確保各交界處流動參數(shù)能夠準(zhǔn)確傳遞.采用湍流模型與SIMPLE算法對旋轉(zhuǎn)區(qū)與非旋轉(zhuǎn)區(qū)進行耦合計算，本文采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法（multiple reference frame，MRF）［8］，步驟為：① 應(yīng)用動坐標(biāo)系（x1，y1，z1）與靜坐標(biāo)系（x2，y2，z2）區(qū)分方法將整個流場劃分為3個區(qū)域，即葉輪區(qū)域為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，設(shè)為Sr；蝸殼區(qū)域為非旋轉(zhuǎn)區(qū)，設(shè)為Snr；進口區(qū)域設(shè)為Sin.②在旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用動坐標(biāo)系，葉輪轉(zhuǎn)速（即旋轉(zhuǎn)速度）為ω，根據(jù)右手法則將x1，y1，z1旋轉(zhuǎn)方向坐標(biāo)設(shè)為x1=0，y1=-1，z1=0.③其他區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系，根據(jù)右手法則將x2，y2，z2靜止坐標(biāo)設(shè)為x2=0，y2=-1，z2=0.這2個區(qū)域分別在各自坐標(biāo)系中通過耦合計算得到較為準(zhǔn)確的流場模擬結(jié)果.

各處邊界條件的設(shè)定方法如下：①進口處：設(shè)定進口為速度進口，由于進口與大氣相連，故可通過給定的體積流量與進口截面積計算得到流體速度；進口湍動能E=0.16（Re）-1/8，式中雷諾常數(shù)可由經(jīng)驗公式Re=ρvdη計算得到（其中ρ為空氣密度，v為風(fēng)速，d為水力直徑，η為黏度系數(shù)）；進口水力直徑為進口圓直徑，出口處水力直徑為出口矩形面積的4倍除以它的周長.②出口處：壓力為實驗測得的靜壓值.③葉輪葉片處：根據(jù)多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型，邊界條件設(shè)定為固壁邊界.④葉輪流體區(qū)域處：設(shè)置移動類型為MRF，轉(zhuǎn)速取實驗值1 800 r·min-1.

圖2　葉輪流-固分界面網(wǎng)格Fig.2 Grid of the impeller fluid-solid interface

2　結(jié)果分析

2.1壓力分布

圖3是風(fēng)機回轉(zhuǎn)截面上的靜態(tài)壓力分布，葉輪區(qū)域的靜態(tài)壓力近似呈中心對稱.靜態(tài)壓力是因流體在葉片前后產(chǎn)生壓力差所致，其大小與出入口管道尺寸和葉片轉(zhuǎn)速有關(guān).本試驗型號風(fēng)機采用后傾葉片構(gòu)造，葉輪傳遞給氣體的能量很低，氣體獲得的壓力相應(yīng)較小，所以葉輪流道內(nèi)靜態(tài)壓力較小.

圖3 回轉(zhuǎn)面上靜態(tài)壓力分布Fig.3 Static pressure on rotary surface

圖4是風(fēng)機回轉(zhuǎn)截面上的動態(tài)壓力分布.由于動態(tài)壓力與流體速度的二次方成正比，因此流速的變化對動態(tài)壓力有顯著的影響.離心風(fēng)機回轉(zhuǎn)截面上的動態(tài)壓力在葉輪外緣處最高，葉輪內(nèi)緣處較低，而在蝸殼部分則更低.

圖4 回轉(zhuǎn)面上動態(tài)壓力分布Fig.4 Dynamic pressure on rotary surface

圖5是風(fēng)機回轉(zhuǎn)面上總壓力的分布.如圖所示，葉輪內(nèi)外緣的總壓力變化規(guī)律與靜態(tài)壓力、動態(tài)壓力變化規(guī)律基本一致.非旋轉(zhuǎn)區(qū)域總壓力變化不明顯，呈內(nèi)高外低分布；在出口附近的總壓力有2個分布區(qū)域，外部總壓力略高于內(nèi)部；而靠近出口處的葉輪區(qū)域還有幾處總壓力較高的區(qū)域.

圖5　回轉(zhuǎn)面上總壓力分布Fig.5 Pressure on rotary surface

由圖3～5可知，每個葉輪流道的動、靜壓力分布不同，靠近蝸殼出口處的葉輪流道是氣流的主要流經(jīng)區(qū)域，氣流在此區(qū)域流速較快，動壓力較大，所以該區(qū)域葉輪流道中的動壓力遠高于其他區(qū)域.同時此處氣流流動復(fù)雜，氣體分子間作用力較大，導(dǎo)致該區(qū)域葉輪流道中的靜壓力升高；因此，將整個系統(tǒng)中其他葉道進行相同處理，所得結(jié)果必然不準(zhǔn)確，這對風(fēng)機設(shè)計的正確性產(chǎn)生不利影響.

2.2子午面上的速度分布

圖6是離心式通風(fēng)機在軸向截面上的速度等值圖，由圖可知在葉輪內(nèi)緣氣體的速度沿流動方向不斷升高，并以較高的流速進入蝸殼，隨著蝸殼流道的擴大，氣流的速度逐漸減小，直至風(fēng)機出口處.

圖6 回轉(zhuǎn)面速度等值圖Fig.6 Equivalent speed on rotary surface

圖7，8為子午面上葉輪前盤處氣體的流動分布和子午面蝸殼處氣流速度分布.圖7顯示葉輪前盤處存在渦流區(qū)域［9］，而在葉輪中盤及后部則無此流動現(xiàn)象，這是因能量較低的流體大量聚集在葉輪前蓋板區(qū)域，故造成葉道中流體流速減小、壓力升高，在前盤區(qū)域產(chǎn)生氣體回流.圖8顯示在蝸殼區(qū)出現(xiàn)了旋渦現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由于高速旋轉(zhuǎn)氣體流出，流道突然擴大，在離心慣性作用下引起二次流動［10］形成的.在該二次旋渦區(qū)域中氣流的不均勻流動可導(dǎo)致葉片在軸向受到不均勻的負載，產(chǎn)生輪阻損失，影響風(fēng)機的效率.

圖7　子午面上葉輪前盤處氣體的流動分布圖Fig.7 The flow distribution in meridian plane of impeller front coil place

圖8　子午面蝸殼處氣流的速度分布圖Fig.8 The velocity distribution in meridian plane of the volute

2.3數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較

空氣動力學(xué)性能測試結(jié)果見表1，參考此數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬，測試和模擬結(jié)果見圖9.結(jié)果顯示兩者平均誤差約為5%，表明所采用的數(shù)值計算方法是可行的.圖9表明，體積流量從小到大，風(fēng)機效率不斷增大，在整個流量范圍內(nèi)模擬值均略大于實驗值，這主要是因以下幾點所致：①計算中將部分區(qū)域作簡化處理導(dǎo)致了摩擦損失、泄漏損失和輪阻損失，而實驗時的損失相對較?。虎谟嬎銠C硬件有限，不得不控制網(wǎng)格數(shù)量，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分精度不夠，對計算結(jié)果造成一定影響.

圖9　不同體積流量下風(fēng)機總壓力和效率的模擬與測試結(jié)果Fig.9 The numerical simulation and experiment results of fan total pressure and efficiency with different flow volume

表1　轉(zhuǎn)速為1 800 r·minˉ1時空氣動力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.1 Conclusion of aerodynamic performance test at the speed 1 800 r·minˉ1

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Numerical simulation for inner flow field of the centrifugal fan

BO Le，LIU Ying*，HUA Jie，LI Jia，HUANG Xiuling
（Sch of Mech&Electron Engin，Naniing For Univ，Naniing 210037，China）

In order to study how to reduce the energy consumption of muti-blade centrifugal fan in the work，the flow field of the WDLH-450 muti-blade centrifugal fan under different flow volume parameters is studied by means of simulation of its internal flow field with the Fluent software.The efficiency，full pressure，impeller power data are calculated by the simulation results.It is found that the numerical simulation results of performance parameters such as total pressure，efficiency are similar to the experimental values.The validity of the numerical simulation is verified.Because the fan blades is irregular geometry，internal flow field of the fan at work is very complicated. Impeller and volute flow losses are caused by the irregular airflow which is produced in rotary.The asymmetry pressure in flow field of impeller passage is caused by the asymmetry of air flow distribution.

centrifugal fan；flow field；numerical simulation；standard turbulent model

TH 432

A

1007-824X（2015）01-0028-04

（責(zé)任編輯 賈慧鳴，秋 實）

2014-02-17.*聯(lián)系人，E-mail：lying_new@163.com.

江蘇省六大人才高峰資助項目（2009151）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究資助項目（BY2013006-01）.

柏樂，劉英，華潔，等.離心通風(fēng)機內(nèi)部流場數(shù)值模擬［J］.揚州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，18（1）：28-31.