离心风机整机准定常流动数值研究

　　设计计算离心风机整机准定常流动数值研究王企鲲戴韧陈康民上海理工大学，上海200093J风机内流场的压力等参数的分布及叶片所受激振力的分析结果为探讨影响离心风机效率的原因改进叶型设计提高效率扩大运行工况范围等，提供了重要的理论依据。

　　1引言离心风机内部流动公复杂的维粘性流动。

　　只凭借现有的试验手段要很好地测量其中流场的细微结构是非常困难的，甚至是不可能的。

　　如今，啊计算流体动力学技术运用于离心风机的实例己不少，但它们基本上是建立在些简化堪础的如单独译个离心叶轮的流道成单独铎十蜗壳或运用个流道巧蜗迭代计算的方法研究风机内部流动2，实际上这些算法都假设4机内流动足定常与讨称的。忽略了由于蜗壳型线的非对称性而导致叶轮各叶道内流动呈现的非对称流动特征，所以，用这些方法无法准确地捕捉到流场的真实信息；曾经也有人把整个转子与定子都考虑进去，但却把整个流场作为维来处理这样根本无法得到流场的维特性。

　　心风机在设计工况与变工况下进行了内部流场整机乍维姑性准定常1律。捕捉到了离心风机内部许多重要的流动现象，证实了由于蜗壳的非对称性而导致叶轮与蜗壳的相互作用时会引起整个流场1对称的流动特怔，通过付离心4机内流场果为探讨影响离心风机效率的原因改进叶型设计提高效率扩大运行工况范围等，提供了重要2基本方程及其数值方法收稿日期200247边修稿日期2002基本方程程组并配合8必，潘，湍流模型。时均奶程俎的守恒形式可以简4成Fv粘性迎量尖景Q源项矢试其达式可简写为存动力粘度揣流粘度，其值由8湍流模型而定以流热传导系数传导系数记义分别为数值计算方法对式⑴采基于时间推进法的，格阶精度。它对中间坐标采用中心离散格式，为了防止求解时发生振荡，方程中加上个非线性阶人工粘性项和个线性的阶人工粘性项。对时间坐标米用阶出1方法求解fU7dT=Fii为提高计算的速度与收敛性，本文采用了重网格循环的技术隐式残差光顺当地时间步长等加速收敛技木。

　　2.3边界条件的设定进口给定流动总压为大气静压力，流动总温为大气静温流动方向为轴向进气。出口给定背压5其它参数由内部外推。壁面给定绝热与无滑移条件。

　　流道与蜗壳间的动静部件之间信息传递采用冻结转户方法，呢，1叫1.处理5人以达至1整机计算的目的。

　　需竖指出的是，由于本文用的纪揣流模喂它为代数模型，故无须捉及边界糸件，木文后即为汁算结果收敛。

　　3计算结果与分析3.1计算实例况1的悠机数值计算。该离心风机的设计流试为4200，1屯设计压力为10425035额定转速为96，17.叶轮为后向单圆弧型，进口安装角为29，出口安装角为38，叶片数为。该离心风机外型意。

　　32计算网格为了便于给准边界条件，在计算时将风机进口管与出气管分别延长，使其进出口流动为均勾。

　　网格生成采用分区分块，技术，分别将叶轮与蜗壳内各布置约30万个网格，2给出了整个风机的维网格分布。

　　效率曲线与流量压比曲线。由3可知，风机的高效率点正好是其设计流量点，当流量偏离设计流量时，效率都有所下降。这种变化趋势与以往风机的试验结果相致，这充分说明风机的整机计算结果是有效而可靠的。相反，如果用些简化模型，如单独计算蜗壳或个叶轮与蜗壳的迭代计算都很难得到如此的流量效率曲线。

　　以往的试验结果相致的，并且在设计工况的附近其曲线变化比较平坦，这说明该风机的工况范围较宽，性能较为理想。

　　由于本文是采用化3方程计算，且在计算中未采用壁面函数，故网格在固壁处须局部加密，并且第层网格离壁面的距离特别重要，它直接影响着计算的结果本文根据下述公式来定该值7Lr4参考长度Vnf参考速度；J+无量纲常数，可按经验选取本文计算时取3，流动雷诺数约为107，3.3.2风机蜗壳周向压力分布壁面上静压系数在设计工况与变工况下的变化曲线。其中0为周向角，其定义可参1.

　　静压系数，的定义为R考密度，其值取为常温下空气的密度vr参考速度的大小，其值取为叶轮出口气流速度6处数为3.

　　3.3计算结果3.3.1风机性能曲线在蜗舌附近压力先急剧下降后又急剧上升。这说明在变工况时，蜗壳内气流沿周向流动是非常配。其中1号流道是指1号叶片与2号叶片之间流道号流量分配也是不同的。只不过是在设计工况下，各流道流量的变化幅度要小于各种变工况时的情形。特别是当风机在变工况运行时，靠近蜗舌的流道内流量变化甚大。从这现象说明，风机流呤内的流动绝不足对称的。故而只运用单1流道计算流场会把这种流动的非对称性给抹杀。

　　5风机周向截面静压分布静压系数分布。的定义同式8.

　　由8可以看出，各个工况下，多数流道内沿径向随半径的增大压力逐步上升，速度逐步减小，即叶轮中相对速度的减少，提高了气体的静压能这正符合流体在叶轮内部的流动特点。值得注意的是，不管在设计工况还是在变工况下，各个流道内流动的压力分布虽有相似之处，但也存在着较大的差别。

　　这种差别在靠近蜗舌附近的流道中现得更加明显由于蜗舌的扰动作用，使其附近流道中的静压分布出现明显扭曲的同时也使其升压能力有所下降。

　　从7的各流道内流量分配的不均匀性及8的叶轮内静压分布的，对称性这些侧面可以说明每个叶道不同位置时的流动情况完全不同，这完个是山丁1蜗壳的非对称性引起的。这现象明，流体在风机的运动过程中，下游的部件会对上游的流休流动产生非常人的影响，所以对整个风机而言，单单用数值方法研究某个元件或某个流道的计算很难反映出流动的实际情况，况且研究单个元件时，计算的边界条件很难给定，这给计算成误导。

　　6蜗片处速度分布周向角5蜗克跨盘言流道平而静统6，分布紊乱执特别在蜗舌附近气流先加速后减速，使流动恶化。只有在设计工况下，气流沿蜗壳周向的流动比较均匀，故而压力尽管有波动但相对比较平稳，特别在蜗舌处，压力未出现强烈的波动。

　　3.3.3风机各叶片所受载，曲线蜗壳周向的压乃波动会直接反作用叶轮出口，使各流道中的流体受到周期性的堵塞，从而使其产生具有定周期性的加速与减速运动。这种叶道中流体周期性的变速运动会造成流体流入叶道时流动角与攻和亦发生周期性的变化。从而使每个叶片所受的载荷亦发生周期性的变化6给出了各叶片所受载荷沿周向的变化叶片编号，可参1.从6可以看出，在设计工况下叶片所受载荷沿周向比较均匀，17变工况下，叶片所受载荷沿周向变化较大，特别在蜗舌附近这种变化尤为强烈。这就有可能诱发叶片的振动。

　　叶片编4从6中还可以看出，离心风机内，由于蜗壳足非对称的。这种下游非对称的结构会对，叶轮中的流场产生影响，导致各个叶道中流动也具有非对称性，从而使各个叶片所受载荷会有所不同。由此不难看出，要对离心风机内部流动结构有个准确的把，就必须将叶轮与蜗壳结合起来整机计辊，任何对流场进行轴对称的假设都是不合适的。

　　3.3.4风机各流逍流巧分布M8叶轮跨盘盖中心；4近，压系数。分布蜗古玷离心风机内部个比较敏感的部位，其中的流动状况相当复杂。9给出了各个况机跨盘盖中心流道上蜗舌刚近流线分布，从休的扰动作用仲化近蜗舌附近的流体在流道中形成了个旋涡。这个旋涡在设计工况时相对比较弱小，而在变工况时这个旋涡几乎充满了整个流道，特，是在小流量工况下靠近蜗占附近的两个流逍都有旋涡存在。这样造成的能量损火是很大的。

　　3，=0.7工况蜗舌处速度失1.=1.0工况蜗舌处速度失量射。=1.41况蜗舌处速度失1 4结论通过离心风机的整机准定常计算，不仅可以较为准确地描述出离心风机的整体性能曲线。而且还能捕捉到其内部流动的许多屯要的流动现象。从这些现象可以说明离心风机内的流动非常复杂，不具有任何轴对称性属于维的全粘性流动，而且风机各部件之间的相互关联非常紧密，下游的部件对1游会产生很大的影响。同时也说明，在某些假定下对风机某个元件或某个流道的计算很难反映出流动的实际情况，很难为风机的设计与改进提出准确的信息。

　　41潘地林，张立祥。离心式通风机蜗壳内部流动特性200093上海市军工路516号上海理工大学419号信箱。