劉曉峰，張敏良，董慧婷，陳佳鑫，李瑩

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

葉輪氣動裝置是利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動做功來帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的裝置。葉輪氣動裝置的結(jié)構(gòu)形式直接影響著裝置的工作效率[1]，進(jìn)而影響了發(fā)電機(jī)的輸出功率。目前，我國很多高校和研究單位對利用風(fēng)能發(fā)電[2-4]和水利發(fā)電[5-7]進(jìn)行了研究，在利用廢氣發(fā)電方面還未進(jìn)行過多探索。

課題組以解決某化工企業(yè)的葉輪氣動裝置在生產(chǎn)中對廢氣利用效率低的問題為目標(biāo)，通過ANSYS Fluent 軟件，模擬葉輪氣動裝置內(nèi)流場的速度和壓力分布情況，研究進(jìn)氣口位置對裝置內(nèi)流場的影響，基于數(shù)值模擬的方法來對不同進(jìn)氣口位置的葉輪氣動裝置進(jìn)行研究。

1 基本結(jié)構(gòu)

圖1 為葉輪氣動裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，圖2 所示為葉輪氣動裝置內(nèi)流場計算模型圖。葉輪氣動裝置按功能主要分為3 個部分。第1 部分為氣動殼體，由兩端是直徑為 35 mm 的圓形管道以及中間是直徑為 95 mm 的圓形腔體組成，兩側(cè)端面距離殼體 30 mm，進(jìn)口處為方形進(jìn)口，方形進(jìn)口的底母線與圓形腔體底母線距離為 2 mm，出口處內(nèi)徑為27.5 mm；第2 部分為葉輪，如圖 3 所示。葉輪作為裝置做功的主要部件，設(shè)計葉輪轉(zhuǎn)速為n=3 000 r/min，其主要參數(shù)見表1。第3 部分為電機(jī)座，電機(jī)置于其中，氣體由進(jìn)口處進(jìn)入，沖擊葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

表1 葉輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of impeller

圖1 葉輪氣動裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of impeller pneumatic device

圖2 計算模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation model

圖3 葉輪實體模型Fig.3 Impeller solid model

2 數(shù)值計算模型

2.1 數(shù)值模型

流體計算理論中，包含三大守恒方程：分別是流體的質(zhì)量方程、流體的動量方程和流體的能量守恒方程[8]。本文所涉及的流體流動特性不考慮流體與葉輪氣動裝置之間的傳熱問題，所以求解過程中忽略能量守恒方程[9]。

連續(xù)性方程

動量守恒方程：

湍流動能方程和耗散方程

式中：u，v，w——速度分別沿x，y，z 方向的速度分量；ρ——流體密度；p——流體微元所受壓力；τxx，τxy，τxz，τyz，τyy，τzz——粘性τ應(yīng)力的分量；χ——湍流動能；U——速度；σt——普良特數(shù)；Eij——流體變形率時均分量；C1ε，C2ε——常量；Cμ——無量綱常數(shù)；ε——湍流動能耗散率；μt——湍流粘性系數(shù)。

2.2 計算模型

由前文所述，葉輪氣動裝置主要分為3 部分，氣動外殼和葉輪為主要部件，計算模型以氣動外殼和葉輪為主，忽略電機(jī)座和左側(cè)端蓋。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，采用 MRF 多參考系坐標(biāo)模型[10]，將計算模型分為2 個區(qū)域：葉輪為rotate 區(qū)域、殼體為state 區(qū)域。rotate 區(qū)域設(shè)置參考系運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，rotate 壁面設(shè)置相對運(yùn)動的轉(zhuǎn)速為0。

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

使用 ANSYS Fluent MESHING 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分方法采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格類型采用多面體網(wǎng)格，外表面網(wǎng)格最大尺寸設(shè)為5 mm，最小尺寸設(shè)為 0.5 mm，在計算模型表面的近壁區(qū)域添加邊界層網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最終網(wǎng)格數(shù)為 280 萬，網(wǎng)格的正交質(zhì)量為 1.0，符合數(shù)值模擬要求。將生成的網(wǎng)格導(dǎo)入 Fluent 軟件，具體邊界條件和求解參數(shù)見表2。

表2 邊界條件及設(shè)置Tab.2 Boundary conditions and settings

（續(xù)表）

3 結(jié)果與討論

本文先對葉輪氣動裝置原結(jié)構(gòu)的內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，然后再對不同進(jìn)氣口位置的模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。后處理處理軟件使用的是Fluent 軟件下的CFD POST 模塊。

3.1 原葉輪氣動裝置結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

3.1.1 壓力場分析

如圖4（a）葉輪氣動裝置壓力云圖所示，壓降變化較大的地方位于葉輪進(jìn)口處。葉輪在標(biāo)定工況下旋轉(zhuǎn)，流場的壓降變化相對較小。葉輪葉片之間的間隙以及葉輪與殼體之間的間隙的壓降較穩(wěn)定。葉輪進(jìn)口處的壓力較大是由氣體沖擊葉輪造成，一部分壓力轉(zhuǎn)化成葉輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力。

圖4 原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of original structure

3.1.2 速度場分析

如圖4（b）、（c）所示，氣體在經(jīng)過葉輪進(jìn)口處時，通道變窄，速度增加。一部分加速氣體從葉輪流場直接流向出口，未流向出口的氣體隨葉輪旋轉(zhuǎn)，并主要位于葉輪內(nèi)徑處。氣體主要從葉輪出口處與轉(zhuǎn)動方向一致的前3 個葉片間隙和最后1 個葉片間隙出氣。各個葉片間隙間、葉輪與圓形腔體間隙間的氣體速度穩(wěn)定。與壓力云圖結(jié)果一致。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

由上述分析可知，氣體在通過裝置進(jìn)口流經(jīng)葉輪流向內(nèi)流場時，葉輪受氣體沖擊，葉輪進(jìn)口處葉片受力集中在葉片后緣背壓面處，一部分氣體受進(jìn)口位置影響，直接穿過流場流向出口，造成了一部分的浪費。為探究進(jìn)口位置對葉輪氣動裝置整體效率的影響，原結(jié)構(gòu)中，進(jìn)口處的底母線與圓形腔體的底母線的距離是2 mm，分別調(diào)整兩者間的距離為 1.5，1.0，0.5，0 mm 來進(jìn)行數(shù)值模擬，研究進(jìn)氣口位置對裝置內(nèi)流場的影響。

3.3 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

改進(jìn)后的模型網(wǎng)格劃分方法和參數(shù)設(shè)置如前文所述，保持一致。圖5—圖8 是進(jìn)氣口底母線與圓形腔體的底母線的距離分別為1.5，1.0，0.5，0 mm 時的模型壓力云圖、速度云圖和速度矢量分布圖。由壓力云圖可知，在距離為0 mm 時的葉輪進(jìn)口處的葉片所受壓力最小，進(jìn)氣口與圓形腔體底母線相切時，葉輪進(jìn)口處受氣體沖擊的葉片數(shù)量由原先的3 片增加到4 片，但是所受沖擊力均有減少。由速度云圖和速度矢量分布圖所知，通過調(diào)整進(jìn)口的位置，在進(jìn)氣口底母線與圓形腔體底母線相切時，流場內(nèi)氣體隨葉輪轉(zhuǎn)動趨于穩(wěn)定，直接從進(jìn)口流經(jīng)腔體流向出口的氣體減少，氣體充分參與了葉輪旋轉(zhuǎn)做功。葉輪氣動裝置在標(biāo)定工況下，可得理論發(fā)電功率[11]如式（8）所示

圖5 間距為 1.5 mm 的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical Simulation results with a spacing of 1.5 mm

圖6 間距為 1.0 mm 的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Numerical Simulation results with a spacing of 1.0 mm

圖7 間距為 0.5 mm 的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Numerical Simulation results with a spacing of 0.5 mm

圖8 間距為 0 mm 的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Numerical Simulation results with a spacing of 0 mm

式中：Q——用氣量；ex，P——溫度一定時，隨壓力變化氣體所產(chǎn)生的壓力?。

不同進(jìn)氣口位置的功率變化曲線見圖9，數(shù)值計算結(jié)果見表3。

表3 改進(jìn)前后數(shù)值計算結(jié)果對比Tab.3 Comparison of numerical calculation results before and after improvement

圖9 進(jìn)氣口不同位置功率變化曲線Fig.9 Power change curve of air inlet position

4 結(jié)論

（1）課題組通過 Fluent 軟件對所設(shè)計的葉輪氣動裝置進(jìn)行數(shù)值模擬。通過分析流場中的壓力云圖、速度云圖和速度矢量分布圖可知，部分氣體從進(jìn)口流經(jīng)腔體直接流向出口，氣體未能充分參與葉輪旋轉(zhuǎn)做功，葉輪進(jìn)口處相鄰葉輪所承受的氣體沖擊較大。

（2）改變?nèi)~輪氣動裝置進(jìn)氣口位置，進(jìn)氣口底母線與圓形腔體的底母線距離分別為1.5，1.0，0.5，0 mm，通過數(shù)值模擬結(jié)果分析：距離為0 mm時，氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入沖擊葉輪，葉輪后緣所受氣體沖擊力最小，氣體充分參與葉輪旋轉(zhuǎn)做功，內(nèi)流場的分布最均勻。

（3）對比不同進(jìn)氣口位置下的模型，在進(jìn)氣口底母線與圓形腔體的底母線距離為 0 mm時，在標(biāo)定工況下葉輪氣動裝置的發(fā)電功率和發(fā)電效率最高。

（4）通過研究不同進(jìn)氣口位置對葉輪氣動裝置效率的影響，對葉輪氣動裝置進(jìn)氣口位置的加工工藝參數(shù)提供了參考。