賈志彬+汪軍+賽慶毅

摘 要： 利用流體分析軟件ANSYS CFX對某一高效離心風機進行了內(nèi)部三維數(shù)值模擬，得到其流體動力學特征和內(nèi)泄漏損失特征.根據(jù)理論公式對風機泄漏量進行了估算，比較理論計算泄漏量與數(shù)值模擬計算泄漏量.首先，在設計工況點對未加裝防渦圈的風機進行數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)在蝸殼內(nèi)部有一些大的旋渦，并觀察到一些重要的流動現(xiàn)象.然后，對加裝防渦圏后的離心風機進行整機數(shù)值模擬，結果表明，加裝防渦圏后蝸殼內(nèi)部的漩渦明顯減小，漩渦強度減弱，流場得到改善，泄漏損失明顯減小.最后，對不同間隙的加裝防渦圈后的風機進行數(shù)值模擬，結果顯示，隨著間隙的減小，泄漏量明顯減小，所以在保證安全運行的條件下，間隙應盡可能小.

關鍵詞： 數(shù)值模擬； 離心風機； 防渦圏； 泄漏損失

中圖分類號： TH 311 文獻標志碼： A

Abstract： The 3D numerical simulation of centrifugal fan was conducted by ANSYS CFX to investigate the internal flow field and internal leakage losses.The leakage of fan was estimated according to the theoretical formula.The theoretical leakage and simulated leakage were compared.The numerical investigation on the internal flow field at the designed point was performed.The results showed that there were large vortexes and air leakage existed in the clearance between the inlet and blade.Many complex phenomena have been observed.To break the vortexes and reduce the internal leakage losses，a type of arc antivortex rings was installed in the fan.Then the numerical investigation with the rings was conducted.It was found that the vortexes decreased significantly.The vortex strength weakened.The flow field was improved and the leakage losses reduced.The numerical simulation of the fan with different clearance between the inlet and blade was conducted.The results showed that the leakage losses reduced significantly with the decrease of the gap.The gap should be as small as possible under the conditions of safe operation.

Keywords： numerical simulation； centrifugal fan； antivortex ring； leakage losses

離心風機是工業(yè)生產(chǎn)活動中應用廣泛的通用設備.其耗電量在整個工業(yè)生產(chǎn)活動中占很大的比例，能否降低風機損失提高工作效率直接關系到企業(yè)的經(jīng)濟效益.因此深入了解離心風機損失對節(jié)能減排有著重要意義.

離心風機中的損失可分為流動損失、輪阻損失、泄漏損失和機械損失等[1].目前國內(nèi)外學者針對離心風機損失做了大量的研究.蔡兆林等[2]考慮風機葉輪和蝸殼各種損失之間的關聯(lián)，利用已有的風機試驗材料和現(xiàn)代計算方法，得到一種新的計算模型.

曹淑珍等[3]利用五孔探針對小流量工況下離心風機蝸殼內(nèi)部的三維流場進行了測量，歸納出蝸殼內(nèi)的四種損失，其中二次流損失和內(nèi)泄漏損失相對最為嚴重.李春熙等[4-5]對加裝不同型式防渦圏的離心風機內(nèi)部流場動力學特征做了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)加裝防渦圏使內(nèi)部流場更加均勻，減弱了內(nèi)部漩渦強度，同時泄漏量大大減小.2008年，Jung等[6]采用CFD（computational fluid dynamics）軟件Fluent模擬多翼離心風機內(nèi)部流動情況，得到風機內(nèi)部存在回流和由無效區(qū)域造成的風機流動損失，并認為改變?nèi)~輪寬度可以減少損失，提高效率.胡磊等[7]對一發(fā)電機冷卻用離心風機在設計工況點進行了三維數(shù)值模擬，得到內(nèi)部流場的速度和壓力分布規(guī)律，以及風機內(nèi)部流動的一些重要特點.但是現(xiàn)在多數(shù)研究主要集中在風機整體數(shù)值分析和研究，主要關注蝸殼內(nèi)部流動損失[8-12]，對內(nèi)泄漏損失的研究較少.

本文以某高效離心風機為模擬對象，使用ANSYS CFX數(shù)值計算軟件對未加裝防渦圏和加裝防渦圏后的風機的三維流動特性分別進行數(shù)值模擬，分析防渦圏對風機內(nèi)部流場和泄漏損失的影響.同時，對不同集流器與葉輪徑向間隙的風機模型進行數(shù)值模擬，分析了不同間隙時風機內(nèi)部流場流動特征和容積損失情況，得到不同間隙對該風機全壓和效率的影響.

1 離心風機內(nèi)泄漏量的估算

離心風機中葉輪轉動部件和集流器靜止部件間必然存有一定的間隙.離心風機內(nèi)泄漏損失示意圖如圖1所示，圖中：ΔQ為泄漏量；D2為葉輪出口直徑；Q為風機流量；δ為風機集流器與葉輪間隙寬度.endprint

2 物理模型的建立

2.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

本文以某高效離心風機為研究對象，葉輪D2=150 mm，在標準狀態(tài)下，風機轉速設定為3 800 r·min-1，流量為440 m3·h-1，全壓為400 Pa.

采用ANSYS CFX對風機內(nèi)部三維流場進行數(shù)值模擬，計算區(qū)域由蝸殼、進氣口和葉輪三部分組成.為了更好地顯示流動效果，進出口處均延長了部分管道.利用三維造型軟件Pro/E建立風機流道模型，如圖2所示.采用ANSYS ICEM進行網(wǎng)格劃分.由于風機內(nèi)部流道非常復雜且葉輪區(qū)域不規(guī)則，網(wǎng)格劃分采用非結構四面體網(wǎng)格.對不規(guī)則且復雜的幾何模型，非結構網(wǎng)格能夠更好地適應，且對細小的區(qū)域如內(nèi)泄漏間隙容易加密網(wǎng)格，以便觀察其流動特性.風機整體網(wǎng)格劃分約為300萬個，其中葉輪網(wǎng)格數(shù)180萬.計算網(wǎng)格模型如圖3所示.

2.2 控制方程和邊界條件

離心風機由于氣流速度較大，基本都是紊流狀態(tài).本文采用k-ε湍流模型[13]，此模型適合大多數(shù)工程應用.

式中：B為體積力總和；μeff為有效黏度；p′為修正壓力；U為流速；t為時間；ρ為空氣密度.

假定風機在額定工況下穩(wěn)定流動，參考壓力為一個大氣壓，空氣密度ρ=1.2 kg·m-3，即為標

準風機進口狀態(tài).離心風機馬赫數(shù)一般小于0.3，故可將空氣當作不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動.忽略重力和溫度對流場的影響，設置流體類型為25℃空氣.

風機進口：根據(jù)流量計算的流速作為進口邊界條件.

風機出口：以靜壓等于大氣壓作為出口計算邊界條件，其他壁面采用無滑移固體壁面條件，使用Scalable壁面函數(shù).

2.3 計算區(qū)域設定

風機模型由葉輪旋轉區(qū)域和進風口與蝸殼靜止區(qū)域.動靜交界面采用凍結轉子交界面[14]，其旋轉區(qū)域與靜止區(qū)域之間的氣體參數(shù)的傳遞是通過插值方法進行，其相對位置保持不變，將風機流場計算簡化為非定常計算的某一瞬時流場.網(wǎng)格連接方式采用GGI方式，這是一種穩(wěn)妥的連接方式，即使交界面兩邊的尺度不同、網(wǎng)格節(jié)點或存在很小的間隙，交界面也能進行數(shù)據(jù)傳遞，因此動靜交界面采用GGI的網(wǎng)格連接方式.

3 模擬結果及分析

利用ANSYS CFX對假設間隙分別為0、1.0、1.5、2.0 mm的風機模型分別進行了數(shù)值模擬.計算過程采用SIMPLE方法，求解格式采用高階求解模式，收斂方案為最大殘差值為10-4.旋轉軸為y軸，分別截取平面1（垂直于軸平面）和平面2（平行于軸平面），截面示意圖如圖4所示.由于風機內(nèi)部結構和流場的復雜性，計算過程不穩(wěn)定，需經(jīng)過700多次的迭代計算.

3.1 加裝防渦圏前內(nèi)部流場分析

圖5是間隙為2 mm時平面1速度矢量圖.由圖中可知：速度順著葉輪流道逐漸增大，靠近葉輪出口側流速達到最大；就整個風機葉輪的速度分布來說，靠近蝸殼出口側葉輪流道中的速度分布

與其他部分的葉輪流道內(nèi)速度分布明顯不同.同

樣，氣體在蝸殼內(nèi)的速度分布除去蝸舌部位，其余

差別不是很大.氣流流入葉道時，由于氣流相對速度的方向角β1與該處葉片安裝角β1A不一致，導致氣流與葉片發(fā)生沖擊，產(chǎn)生沖擊損失導致能量損失.由于存在邊界層，引起葉輪徑向出口速度分布不均勻，導致葉片出口出現(xiàn)渦流區(qū)即尾跡現(xiàn)象，在渦流區(qū)內(nèi)氣流速度遠低于主氣流速度.

圖6為平面2加裝防渦圈和未加裝防渦圈的速度矢量圖.圖7、8分別為平面2速度壓力云圖和矢量圖.由圖6中可知，由于離心風機蝸殼寬度一般大于葉輪出口寬度，氣流進入蝸殼后擴壓度變大，在蝸殼前蓋板、蝸殼和集流器間的區(qū)域出現(xiàn)比較明顯的漩渦.另外，在蝸殼后板也出現(xiàn)不同強度的漩渦.這些漩渦導致流體在蝸殼內(nèi)作螺旋運動，不同方向流體的相互摻混是風機損失增加、效率下降和噪聲增加的主要原因[15].另外，可以明顯看出，葉輪靠近前蓋板出口區(qū)域出現(xiàn)漩渦導致氣體流動不均勻產(chǎn)生損失.在葉輪軸的區(qū)域可以看到流速很小且出現(xiàn)不同強度的漩渦，所以此處應增加一圓弧形的導流錐.

3.2 加裝防渦圏后內(nèi)部流場分析

圖8（b）為加裝防渦圏風機的軸向速度剖面圖，可以看出：加防渦圏后漩渦明顯變小，漩渦強度降低；由于防渦圏的阻擋作用，只有在防渦圏和葉輪前蓋板之間產(chǎn)生了強度較弱的漩渦，通過間隙流入葉輪的氣體明

顯減少.由圖7的壓力云圖可以看出，間隙蝸殼側壓力明顯高于葉輪側壓力.由于存在壓力差，氣體經(jīng)過間隙重新流回到葉輪.同時間隙相對很小，對氣流有一定的節(jié)流作用，使氣體的流速明顯增加，并且在間隙處出現(xiàn)渦流.通過間隙進入葉輪的氣流再次和葉輪中的主氣流混合，嚴重沖擊葉輪側的氣體，造成損失.這與風機的容積損失理論分析一致.內(nèi)泄漏損失不僅降低了風機流量，而且造成了流動損失.

加裝防渦圏前后風機全壓與流量性能曲線如圖9所示.加裝防渦圏后風機全壓明顯上升.

3.3 不同間隙時全壓和內(nèi)效率比較

為了定量比較不同間隙時風機泄漏量損失，以風機額定流量為進口條件，泄漏間隙分別為0、1.0、1.5和2.0 mm時進行數(shù)值模擬計算，得出泄漏量與間隙的關系，結果如表1所示.

由表1中可知，隨著風機內(nèi)泄漏間隙越來越小，泄漏量逐漸減小，風機效率逐漸增大.這與理論和實際試驗是一致的.文獻[1]說明徑向間隙δr與葉輪外徑D2的比值從0.5%減小到0.05%時可使通風機效率提高3%～4%.

4 結 論

基于標準k-ε紊流模型，利用ANSYS CFX對某高效離心風機加裝防渦圏前后和不同內(nèi)泄漏間隙的風機內(nèi)部三維流場動力學特性和容積損失進行了數(shù)值模擬.結果表明：與未加裝防渦圏的風機相比，加裝防渦圏后的風機蝸殼和集流器之間區(qū)域的大尺度漩渦得到有效抑制，漩渦強度明顯降低，內(nèi)部流場更均勻化，泄漏損失大大減小，全壓升高.由不同泄漏間隙的數(shù)值模擬結果可以明顯看出，隨著間隙減小，泄漏量明顯減小.所以在保證安全運行的條件下，間隙應盡量小.endprint

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