離心風(fēng)機(jī)三維內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬-中國(guó)風(fēng)機(jī)技術(shù)網(wǎng)

1、試驗(yàn)研究離心通風(fēng)機(jī)整機(jī)三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬Three-dimensional Flow Field Numerical Simulation of Centrifugal Fan徐長(zhǎng)棱毛義軍 /西安交通大學(xué)流體機(jī)械研究所摘要 ：對(duì)前彎型離心通風(fēng)機(jī)整機(jī)三維內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,預(yù)測(cè)了葉輪的做功效率，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果比較表明了計(jì)算的可信性。詳細(xì)分析了風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)輪蓋附近的流動(dòng)分離現(xiàn)象使葉輪對(duì)流體的做功能力受到很大影響。通過(guò)對(duì)不同工況的計(jì)算，揭示了葉輪和蝸殼內(nèi)部的二次流現(xiàn)象及其發(fā)展規(guī)律。 通過(guò)比較， 分析了蝸殼子午截面渦流產(chǎn)生的機(jī)理及其影響因素。關(guān)鍵詞 ：離心式通風(fēng)機(jī)三維流場(chǎng)數(shù)值模擬二次流中圖

2、分類(lèi)號(hào)： TH432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)： 1006-8155 （ 2005） 05-0001-04Abstract: A numerical simulation of the three-dimensional inner-flowfield in a forward-sweptcentrifugal fan is presented to predict the efficiency of impeller. The creditability of numeration isconfirmed by comparing with the experimental result. Th

3、e analysis of the flow field indicates thatthe flowseparation near shroud had more badly influence on performance of impeller. Thenumerical analysis to different operating modes shows the developing laws of secondary flowinside volute and impeller. The mechanism of productionand influencingfactor of

4、 vortex inmeridian plane of volute are analyzed.Key words : Centrifugal fan There-dimensional flow field Numerical simulation Secondary flow1 引言由于各方面條件限制， 僅憑試驗(yàn)手段往往使離心通風(fēng)機(jī)某些流動(dòng)現(xiàn)象難以得到很好的觀察和測(cè)量。 CFD 技術(shù)的成熟應(yīng)用已使其逐漸能夠代替部分試驗(yàn)，在驗(yàn)證風(fēng)機(jī)性能、分析內(nèi)部流場(chǎng)和風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、甚至噪聲 1， 2計(jì)算等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的三維粘性流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并做了相應(yīng)的分析。2 計(jì)算對(duì)象及相關(guān)設(shè)置T

5、9-19 4A 型離心通風(fēng)機(jī)，主要是由進(jìn)氣管、進(jìn)風(fēng)口、葉輪、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器和蝸殼組成，葉片數(shù)為12。由于離心通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，將其分成多塊進(jìn)行建模和計(jì)算網(wǎng)格劃分，并對(duì)通風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口進(jìn)行了加長(zhǎng)處理。其中網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格處理，具體網(wǎng)格見(jiàn)圖1。計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為 636883，其中葉輪為 159088，旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器為 206076，蝸殼為 130187，進(jìn)氣口為 57836，其余部件總共為 83696。建模過(guò)程中考慮到內(nèi)泄漏損失， 在進(jìn)口處與葉輪前蓋板之間留有 2mm 的間隙。圖 1T9-194A 通風(fēng)機(jī)計(jì)算網(wǎng)格計(jì)算中認(rèn)為流體不可壓縮，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下離散方程采用顯式耦合方法求解；湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-模型，

6、同時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。主要邊界條件如下：進(jìn)口采用軸向速度均勻進(jìn)口，兩個(gè)計(jì)算工況點(diǎn)下速度分別為13.0m/s 和 20.0m/s；出口設(shè)置壓力出口的靜壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。3 結(jié)果分析3.1數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的外特性比較本文其他作者 : 李凱譚佳健1收稿日期 :2005-03-18西安市710049計(jì)算了整機(jī)在兩種工況下的流場(chǎng)分布情況，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，比較結(jié)果見(jiàn)表1。表 1數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較計(jì)算結(jié)果小流量大流量流量 /（ m3 s ）0.30880.4752進(jìn)口全壓 /Pa-2544.9517-1016.3797出口全壓 /Pa860.24642082.8101力矩 /( N m )4.680

7、8565-7.2074599計(jì)算所得效率 /73.967.3試驗(yàn)所得效率 /%72.069.0說(shuō)明：（ 1）計(jì)算轉(zhuǎn)速 2900r/min ；(2) 效率計(jì)算公式：ptFqv ；Mw(3) 壓力均采用表壓計(jì)量。由上述結(jié)果可知，計(jì)算效率與試驗(yàn)效率相差不到 2，計(jì)算所得的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)可以近似作為風(fēng)機(jī)內(nèi)部的真實(shí)流場(chǎng)進(jìn)行分析。3.2葉輪內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)葉輪部分（包括旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器）的流場(chǎng)分布(a) 靜壓分布(b) 總壓分布(c) 子午流線圖 2葉輪流道子午面中壓力和流線分布依據(jù)小流量工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)分析。圖2 給出了葉輪流道子午面內(nèi)的總壓、靜壓和子午流線的分布圖。分析(a)、(b) 兩圖，氣流

8、由軸向到徑向流動(dòng)的過(guò)程中，經(jīng)歷了先收斂加速，后擴(kuò)壓的過(guò)程。 在收斂流動(dòng)中， 氣體的靜壓降低， 但進(jìn)氣速度得到提高；在葉道內(nèi)部由于葉片的不斷做功，氣體的總壓沿流動(dòng)方向不斷升高，同時(shí)氣體靜壓也不斷上升。在葉輪進(jìn)口處，輪蓋側(cè)的氣體壓力明顯低于輪盤(pán)側(cè)。分析 (c) 圖可以得到，在輪蓋與進(jìn)氣口之間存在著部分流體的泄漏，并在此區(qū)域內(nèi)形成較小的漩渦區(qū)； 在輪轂轉(zhuǎn)彎處，也存在一個(gè)較小的漩渦區(qū)；同時(shí)從流線圖上可以看出，由于存在著流動(dòng)分離，在(b) 圖上可以明顯觀察到輪蓋側(cè)的總壓低于輪盤(pán)側(cè)的總壓。文獻(xiàn)3 中指2出，輪蓋側(cè)的流動(dòng)分離是形成射流尾跡的關(guān)鍵因素。因此，為了減少射流尾跡損失，輪蓋進(jìn)口設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能采用較大的

9、轉(zhuǎn)彎半徑。從葉輪內(nèi)部速度和壓力場(chǎng)的綜合分析可以得出結(jié)論：在主流方向上，大部分區(qū)域的流動(dòng)狀況較好。能夠保證葉輪有較高的效率。葉片回轉(zhuǎn)面上的速度和壓力分布圖 3 給出了葉道內(nèi)的相對(duì)速度和靜壓分布。從相對(duì)流線的分布可以看出，在葉片進(jìn)口處， 相對(duì)速度流向與葉片之間的沖角較小， 沒(méi)有較大的沖擊損失。 在葉道的中部， 氣流相對(duì)速度有貼緊葉片(a) 相對(duì)運(yùn)動(dòng)流線(b) 相對(duì)速度分布(b) 靜壓分布圖 3壓力面的趨勢(shì) ，而在葉道回轉(zhuǎn)面內(nèi)相對(duì)流線和速度、靜壓分布圖葉片吸力面， 氣流有脫離葉片表面的趨勢(shì)， 使得葉片吸力面?zhèn)饶┒说牧鲃?dòng)產(chǎn)生流動(dòng)分離， 形成尾跡損失。 從速度分布圖看， 流體由于受到葉片力作用，速度不斷

10、增大，速度梯度分布比較均勻。從靜壓分布上可以看出在同一徑向位置上， 壓力面的靜壓高于吸力面的靜壓， 為葉道內(nèi)二次流的形成提供了條件。葉輪進(jìn)口葉輪中部葉輪出口葉輪進(jìn)口葉輪中部葉輪出口圖 4 小流量下相對(duì)流線圖 5 大流量下相對(duì)流線葉輪內(nèi)部的二次流分布比較兩種流量工況下葉輪內(nèi)部子午面上的二次流分布：圖 4 和圖 5 分別給出了在小流量和大流量?jī)煞N情況下葉輪進(jìn)口、中部和出口附近的二次渦分布( 上下左右依次為壓力面、吸力面、輪盤(pán)、輪蓋)。由圖中可以看出，由于壓力面和吸力面之間的壓差，在整個(gè)流道中始終存在二次渦；沿流動(dòng)方向上，大渦逐漸分解為小渦，且強(qiáng)度逐漸減弱，直至最后消失。比較兩個(gè)工況下的二次渦情況可

11、以發(fā)現(xiàn)：在葉輪進(jìn)口附近， 靠近吸力面?zhèn)却嬖谝粋€(gè)二次流形成的漩渦；在葉輪中部，二次渦有分解成兩個(gè)渦的跡象，在小流量下只能觀察到這種趨勢(shì)，在大流量情況下， 這種趨勢(shì)更為明顯，基本上可以認(rèn)為形成了兩個(gè)二次渦，只是這對(duì)渦的強(qiáng)度不同； 在葉輪的出口附近，二次渦主要分布在流道中部且強(qiáng)度減弱。綜合上面的觀察可以得知：二次渦的形成不僅取決于壓差和邊界，而且在主流速度不同的情況下，二次渦的形成也3有所不同，在大流量工況的情況下，更容易形成一對(duì)強(qiáng)度不同的二次渦6 。3.3 蝸殼內(nèi)流場(chǎng)分析圖 6 給出了蝸殼內(nèi)絕對(duì)速度的流線圖，可以看出，在蝸殼內(nèi)部氣流經(jīng)擴(kuò)壓器出來(lái)后，流動(dòng)方向基本沿蝸殼曲壁流動(dòng)，兩者之間沒(méi)有較大的沖擊

12、，表明蝸殼設(shè)計(jì)比較合理；同時(shí)在蝸舌附近沒(méi)有出現(xiàn)明顯的渦流區(qū)。圖 7 詳細(xì)顯示了蝸舌附近的速度云圖 6 蝸殼內(nèi)速度矢量分布圖 7 蝸舌附近速度云圖圖，來(lái)流經(jīng)蝸舌遲滯點(diǎn)分離為兩部分流動(dòng)， 向上流入蝸室的是一部分高速氣流， 向下流向出口的是低速氣流，在出口段，靠近蝸舌所在壁的氣流速度低于另一側(cè)氣流速度。蝸舌附近出口段中部蝸殼出口0 °90180270圖 8蝸殼出口段的二次流分布圖 9蝸殼橫截面上的渦流分布（左右分別為前側(cè)板和后側(cè)板）圖 8 顯示出了在出口段沿流動(dòng)方向 3 個(gè)橫截面上的二次流分布。 可以得到以下結(jié)論： 由于蝸殼壁面間壓差作用， 在整個(gè)出口段一直存在二次流； 其中二次渦位置由靠

13、近輪盤(pán)側(cè)和內(nèi)壁側(cè)向流道中部逐漸發(fā)展。 在蝸舌附近和流道中部， 伴隨主渦存在的同時(shí)， 存在著強(qiáng)度較小的角渦；在出口，由于二次渦基本上位于流道中心，角渦不再存在。圖 9 給出了在蝸室=0°， 90°， 180°， 360°時(shí) 4 個(gè)橫截面上的流動(dòng)?？梢钥闯觯瑤缀踉谡麄€(gè)蝸殼流道上都存在渦流的分布。對(duì)于這種渦流現(xiàn)象有兩種不同的認(rèn)識(shí)：文獻(xiàn)3，4認(rèn)為這是由于蝸殼的寬度大于擴(kuò)壓器的寬度，氣流從擴(kuò)壓器流出后不會(huì)全部充滿進(jìn)口段的整個(gè)空間，從而產(chǎn)生渦流；文獻(xiàn)5 認(rèn)為這是垂直于主流方向上的二次流。筆者通過(guò)分析認(rèn)為，前者的解釋更為合理。由于二次流存在的一個(gè)必要條件是在邊界上必須

14、存在壓差，但是可以發(fā)現(xiàn)（圖 10），在蝸殼橫截面前后壁面的靜壓差基本不存在，因此不具備形成二次流的條件。蝸殼內(nèi)二次流現(xiàn)象的試驗(yàn)分析見(jiàn)文獻(xiàn)7 。通過(guò)分析圖9 得知，之所以在0 截面上沒(méi)有出現(xiàn)明顯的渦流區(qū)， 是因?yàn)榱黧w經(jīng)擴(kuò)壓器流出后在蝸殼內(nèi)存在較大的流動(dòng)區(qū)域，流動(dòng)的擴(kuò)張角相對(duì)較小，因此沒(méi)有形成渦流。可以得出結(jié)論：形成渦流的條件不僅要求截面b1、b2 之間發(fā)生突擴(kuò)，而且還要求l 的長(zhǎng)度不能太大。由上面的結(jié)論可以解釋在蝸舌附近存在大量渦流是損失較大的原因。根據(jù)上面的分析筆者認(rèn)為，將擴(kuò)張角l來(lái)作為判定渦流產(chǎn)生的依據(jù)比圖 10 蝸殼子午面上靜壓云圖arctanb2b14文獻(xiàn) 3， 4中采用的b2/b1 更

15、佳。4 結(jié)論通過(guò)計(jì)算并與試驗(yàn)進(jìn)行比較， 驗(yàn)證了計(jì)算的可靠性。 同時(shí)還通過(guò)計(jì)算對(duì)重要的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了相應(yīng)的分析。主要得到如下結(jié)論：（ 1）流道中輪蓋側(cè)的分離現(xiàn)象使流動(dòng)損失較大，并使葉輪出口產(chǎn)生尾跡損失；同時(shí)在流道的入口處存在著部分泄漏損失；（ 2）葉輪流道中存在著明顯的二次流現(xiàn)象，在流動(dòng)方向上渦的長(zhǎng)度尺寸逐漸減小，并且在大流量情況下，更容易形成一對(duì)強(qiáng)度不同的二次渦；（ 3）分析了蝸殼出口段的二次流分布，在蝸舌附近和中部存在著角渦現(xiàn)象，在出口附近二次渦基本上位于流道中心；（ 4）幾乎整個(gè)蝸殼的橫截面都存在著渦流現(xiàn)象，認(rèn)為這種渦的產(chǎn)生是由于擴(kuò)壓器與蝸殼截面的突擴(kuò)形成的， 而不是垂直于蝸殼內(nèi)主流方向上

16、的二次渦， 同時(shí)提出將擴(kuò)張角作為這種渦流現(xiàn)象產(chǎn)生的判定依據(jù)更為合理。參考文獻(xiàn)1 Velarde-Suarez, Sandra . Numerical prediction of the aerodynamic tonal noise in a centrifugal fan. Experimental Thermal and Fluid Science, 2002.26(5): 421-434.2 Jeon, Wan-Ho . Analysis of the aeroacoustic characteristics of the centrifugal fan in a vacuumcleaner.