離心風機整機三維數(shù)值仿真方法及分析（續(xù)）
關(guān)鍵詞：離心風機 發(fā)布時間：2013-09-04 點擊數(shù)：2259
模型的選取
以離心風 機作為研究對象, 利用 DES公司的三維造型軟件 UG。風機原始設(shè) 計參數(shù)為: 轉(zhuǎn)速 n = 2900r /m in。葉輪主要幾何參數(shù)為 : 葉輪葉片進口直徑 D1 = 318172 mm, 葉片出口直徑 D2 = 480 mm, 葉片 進口高 度 b1 = 144mm, 葉 片出口高度 b2 = 96 mm, 葉輪進口直徑 D0 = 3071 2 mm, 出口葉片角B2 = 50b 葉片數(shù) Z = 12 葉輪 采用 直葉 片。蝸殼 寬度 B =264 mm, 采用矩形斷面, 外型線為對數(shù) 螺線。
3. 2 網(wǎng)格生成
采 用分區(qū) 分塊網(wǎng) 格生成 方法將 復(fù)雜的幾 何區(qū)域 分割成若干簡單的 小塊 , 然后 將每 一 小塊 區(qū)域 單 獨生 成 合適 的網(wǎng)格, *后將所有的網(wǎng)格耦合起來, 整個計算 區(qū)域分為集 流區(qū)、葉道區(qū)及蝸殼 區(qū)。葉道 區(qū)利用 Num eca中專門針對 葉輪機械部分網(wǎng)格生成 模塊 Au to G rid生 成。集流器和 蝸殼部 分網(wǎng)格利用 UG 與 I 通用接口建立數(shù)學(xué) 模型, 利 用多塊網(wǎng) 格技術(shù)GG進行劃分。整個計算單 元總數(shù)為 7387040。
3. 3 計算及邊界條件
由于對離心風機進 行整機仿真計算網(wǎng)格 數(shù)較多, 計算量較大, 對計算機性能要求較高, 普通計算機很 難達到要 求, 故本計 算使用 了擁有 13個 并行節(jié) 點的大型 計算站, 每 個節(jié)點擁有雙核 CPU, 2G 內(nèi)存, 有 著突出的計算能力。使用時間 相關(guān)法求解 R eyno lds時均方 程, 為了 快速計算各種復(fù)雜流場 , 采用多塊 /多重網(wǎng)格的計算技 術(shù), 并 有多種可供選擇的對流項離散格 式和湍流模型。計算采用 B - L 代數(shù)模型, 對流項采用中 心差分 并結(jié) 合四階 耗散 項, 時間 推進選用四階顯式 Runge- K utta方法。計算 時使用 三重 / V 型 0網(wǎng)格循環(huán), CFL 數(shù)取值 3。由于流場中多處出現(xiàn)漩渦, 且在出口處渦核強度和渦核位置均受上 游的影響不斷 發(fā)生變化, 因此整個流場呈現(xiàn)了一定的非定常 特性, 因 此當進出口 流量發(fā)生小幅振蕩時, 可基 本認 為計算 收斂。計 算時 給定進 口總 溫、進口速度及進口 氣流角, 出 口給 定背壓, 葉 輪進 出口延 伸區(qū)和葉頂間隙給定周期 條件, 絕熱固體壁面給定無滑移條件。
4 計算結(jié)果及分析
數(shù)值計算額定 轉(zhuǎn)速 為 2900r /m in, 進 口邊 界條 件取 無預(yù)旋, 總壓為 101325Pa 總溫為 300K (此處總 溫、,總壓 值為假定周圍大氣流速為 0時 的測量 值 ), 出 口給定 流量 和流場 初始壓力。進口軸向 進氣, 給定 靜溫 和軸向 進口 速度, 出口 給定的背壓為大氣壓力。
4. 1 計算結(jié)果的可靠性與實用性分析
圖 1給出了試驗 和計 算的 絕熱效 率和 壓力系 數(shù)隨 流量
圖 1 流量系數(shù)曲線
4. 2 流場結(jié)構(gòu)分析比較
蝸殼的高度非 對稱 特性表 明, 葉輪、蝸殼 相互 作用 會引起流場的非對稱性及 復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu) 。本文對 某包含離心葉輪與蝸殼一體的離心風機 進行了整機仿 真計算, 下面就蝸殼內(nèi)部流場的不均 勻性和不對稱性進行詳細分析。圖 3給出了蝸殼 進口 處的 靜壓在 設(shè)計 工況與 變工 況下的變化曲線圖。其 中 Q 為設(shè) 計流 量, 017Q 為 017 倍設(shè) 計流量, 相對為小流量, 11 4Q 為 11 4倍設(shè) 計流量, 相 對為大 流量,H為周向角 ( 見圖 2)。由圖 3可以看 出, 在 變工 況時周 向靜壓波動很大, 特別 是在 蝸舌 ( 見圖 2)附 近, 壓力先 急劇 下降后急劇上升, 這說明 在變工 況時, 蝸 殼內(nèi)氣 流沿 周向流 動是非常紊亂的, 尤其是 在蝸舌 附近, 氣 流先加 速后 減速致 使流動惡化。只有在設(shè)計工況下, 氣流沿蝸 殼周向的流 動比較均勻, 因此壓力盡管有波動但相對比較平 穩(wěn), 特 別在蝸舌 處, 壓力未出現(xiàn)強烈 的波 動。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。受葉輪出口氣流 分布不均以及蝸殼流 道不對稱的 影響,蝸 殼入口氣 流沿周 向和軸 向分布 都不均 勻。圖 4是 各葉輪通道 (見圖 2)的 流量分 布圖, 由該 圖可 明顯 看出, 對于 帶蝸殼的離心風機 由于蝸殼的影響, 各個葉 輪通道出口 流量相差很大, 如果用單一通 道模式 來計 算, 很難準 確把 握這 種非對稱 性。圖 5是 *大效 率工況 下的葉 輪中心回 轉(zhuǎn)面蝸 殼相對總壓分布圖, 由圖可 以明顯 看出, 在 蝸殼內(nèi) 部遠 離蝸 殼出口葉輪產(chǎn)生的壓 比較大, 而在靠近蝸殼出 口附近葉輪 產(chǎn)生的壓系數(shù)變化的無 量綱性能曲線圖。圖 1( a)表示 試驗和 計算的絕熱效率隨流量系數(shù)的 變化, 其中 x 軸代表流量系數(shù), y 軸代表絕熱效率; 圖 1( b) 表示 試驗 和計 算的壓 力系 數(shù)隨 流量系數(shù)的變化, 其中 x 軸代表流量系數(shù), y 軸代表 壓力系數(shù)。從圖中可以看出, 計算性 能與已 有的 試驗數(shù) 據(jù)吻 合較 好, 誤差均在 5% 以內(nèi), 證明了數(shù)值仿 真方法的 可靠性。 但由于 計算模型中網(wǎng)格數(shù)目 、網(wǎng)格 質(zhì)量、數(shù)值 結(jié)果 帶有一 定的 非定 常波動特性均會對計 算結(jié)果 產(chǎn)生 一定的 誤差。但 是由 于試 驗條件的限制, 無法對內(nèi)部流動流場細節(jié)進行 測量, 同時, 試驗費用昂貴, 這說明數(shù)值仿真方法在流場分析 及工程設(shè)計 中具有試驗所無法替代 的實用性。
4. 1 計算結(jié)果的可靠性與實用性分析
圖 1給出了試驗 和計 算的 絕熱效 率和 壓力系 數(shù)隨 流量
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4. 2 流場結(jié)構(gòu)分析比較
蝸殼的高度非 對稱 特性表 明, 葉輪、蝸殼 相互 作用 會引起流場的非對稱性及 復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu) 。本文對 某包含離心葉輪與蝸殼一體的離心風機 進行了整機仿 真計算, 下面就蝸殼內(nèi)部流場的不均 勻性和不對稱性進行詳細分析。圖 3給出了蝸殼 進口 處的 靜壓在 設(shè)計 工況與 變工 況下的變化曲線圖。其 中 Q 為設(shè) 計流 量, 017Q 為 017 倍設(shè) 計流量, 相對為小流量, 11 4Q 為 11 4倍設(shè) 計流量, 相 對為大 流量,H為周向角 ( 見圖 2)。由圖 3可以看 出, 在 變工 況時周 向靜壓波動很大, 特別 是在 蝸舌 ( 見圖 2)附 近, 壓力先 急劇 下降后急劇上升, 這說明 在變工 況時, 蝸 殼內(nèi)氣 流沿 周向流 動是非常紊亂的, 尤其是 在蝸舌 附近, 氣 流先加 速后 減速致 使流動惡化。只有在設(shè)計工況下, 氣流沿蝸 殼周向的流 動比較均勻, 因此壓力盡管有波動但相對比較平 穩(wěn), 特 別在蝸舌 處, 壓力未出現(xiàn)強烈 的波 動。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。受葉輪出口氣流 分布不均以及蝸殼流 道不對稱的 影響,蝸 殼入口氣 流沿周 向和軸 向分布 都不均 勻。圖 4是 各葉輪
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通道 (見圖 2)的 流量分 布圖, 由該 圖可 明顯 看出, 對于 帶蝸殼的離心風機 由于蝸殼的影響, 各個葉 輪通道出口 流量相差很大, 如果用單一通 道模式 來計 算, 很難準 確把 握這 種非對稱 性。圖 5是 *大效 率工況 下的葉 輪中心回 轉(zhuǎn)面蝸 殼相對總壓分布圖, 由圖可 以明顯 看出, 在 蝸殼內(nèi) 部遠 離蝸 殼出口葉輪產(chǎn)生的壓 比較大, 而在靠近蝸殼出 口附近葉輪 產(chǎn)生的壓
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比較小, 這是由于氣 流在葉 輪出 口之后 在蝸 殼內(nèi)部 積聚, 然后再增速從出口排出 , 這說明蝸殼的存 在對葉輪流 場的影響非常顯著。
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圖 6是蝸殼周向截面上的相對馬赫 數(shù)分布圖, 圖 7是 S1截面 ( 見圖 2) 上的速度矢量分布 圖。從圖中可 以看出, 靠近蝸殼出口處與蝸殼其余區(qū)域相 比有大范圍的 低速區(qū), 圖 7即是該區(qū)域的軸向截面圖的速度 矢量分布圖, 從圖中 明顯可以看出在蝸殼通道中 部以 及靠近 蝸殼 外壁區(qū) 域有 明顯二 次流及其形成的漩 渦, 造 成該區(qū) 域流 場嚴重 堵塞, 也 使蝸 殼內(nèi)部流場變得極不 均勻。因 此出口 氣流 的不均 勻分 布以 及蝸殼流道的不對稱 性產(chǎn)生的 二次流 及其 漩渦是 造成 蝸殼 內(nèi)部流場不對稱性的 主要因素。
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5 結(jié)論
1)葉輪出口流動對蝸殼內(nèi)的流動影響 較大, 而 蝸殼的不對稱結(jié)構(gòu)對葉 輪出口流動的反作用亦不能忽視。
2)受葉輪出口氣流 分布不 均以 及蝸殼 流道 不對 稱的影響, 蝸殼入口氣流沿周向和軸向分布都不均勻。本 次數(shù)值 仿真很 好地捕 捉了離 心風機內(nèi) 部許多 重要的流動現(xiàn)象, 這些現(xiàn)象 表明了 離心 風機內(nèi) 的流 動非 常復(fù)雜, 屬于全三維的粘 性流動, 準確反映了蝸殼 與葉輪之間 的相互作用, 為風機的 設(shè) 計和 性能 優(yōu) 化提 供了 可 信的 理 論依 據(jù)。因此, 在某些簡化模型下對風機內(nèi)某個部 件或某個流 道做的數(shù)值仿真并不能準確反映 蝸殼與葉輪之間的相 互作用, 也很難為風機的設(shè)計 和性能優(yōu)化提供可信的理論依據(jù)。
常州市（無錫）文順風機有限公司產(chǎn)品齊全，主要產(chǎn)品有：高、中、低離心風機、引風機；各種軸流風機；水泥立窯專用高壓離心風機；化鐵爐高壓離心風機；化鐵企業(yè)替代進口的不銹鋼風機；空調(diào)專用風機；各種除塵、耐磨、防腐、非標等特種風機近三十個系列，三百多種規(guī)格的產(chǎn)品。
公司各類通用、專業(yè)設(shè)備齊全，工藝先進，技術(shù)力量雄厚，性能測試運用微機電腦處理。
常州市文順風機有限公司
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