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离心通风机整机三维流场的数值模拟 |
摘要：对前弯型离心通风机整机三维内流场进行了数值模拟,预测了叶轮的做功效率，通过与试验结果比较表明了计算的可信性。详细分析了风机内部流场情况，发现轮盖附近的流动分离现象使叶轮对流体的做功能力受到很大影响。通过对不同工况的计算，揭示了叶轮和蜗壳内部的二次流现象及其发展规律。通过比较，分析了蜗壳子午截面涡流产生的机理及其影响因素。
关键词：离心式通风机 三维流场 数值模拟 二次流
中图分类号：TH432 文献标识码：B
文章编号：1006-8155（2005）05-0001-04
Abstract:A numerical simulation of the three-dimensional inner-flow field in a forward-swept centrifugal fan is presented to predict the efficiency of impeller. The creditability of numeration is confirmed by comparing with the experimental result. The analysis of the flow field indicates that the flow separation near shroud had more badly influence on performance of impeller. The numerical analysis to different operating modes shows the developing laws of secondary flow inside volute and impeller. The mechanism of production and influencing factor of vortex in meridian plane of volute are analyzed.
Key words:Centrifugal fan Three-dimensional flow field Numerical simulation Secondary flow
1 引言
由于各方面条件限制，仅凭试验手段往往使离心通风机某些流动现象难以得到很好的观察和测量。CFD技术的成熟应用已使其逐渐能够代替部分试验，在验证风机性能、分析内部流场和风机设计、甚至噪声[1，2]计算等方面都得到了广泛的应用。本文对离心通风机的三维粘性流场进行了计算，并做了相应的分析。
2 计算对象及相关设置
T9-19№4A型离心通风机，主要是由进气管、进风口、叶轮、旋转扩压器和蜗壳组成，叶片数为12。
由于离心通风机结构比较复杂，将其分成多块进行建模和计算网格划分，并对通风机的进出口进行了加长处理。其中网格采用混合网格处理，具体网格见图1。计算网格总数为636883，其中叶轮为159088，旋转扩压器为206076，蜗壳为130187，进气口为57836，其余部件总共83696。
建模过程中考虑到内泄漏损失，在进口处与叶轮前盖板之间留有2mm的间隙。
计算中认为流体不可压缩，在旋转坐标系下离散方程采用显式耦合方法求解；湍流模型采用标准的k-ε模型，同时使用标准壁面函数。
主要边界条件如下：进口——采用轴向速度均匀进口，两个计算工况点下速度分别为13.0m/s和20.0m/s；出口——设置压力出口的静压为标准大气压。
3 结果分析
3.1 数值计算和试验的外特性比较
计算了整机在两种工况下的流场分布情况，并与试验结果进行了比较，比较结果见下图。 
T9-19№4A通风机计算网格
表1 数值计算与试验结果比较
计算结果
小流量
大流量
流量/（m3/s）
0.3088
0.4752
进口全压/Pa
-2544.9517
-1016.3797
出口全压/Pa
860.2464
2082.8101
力矩/(N•m)
4.6808565
-7.2074599
计算所得效率/％
73.9
67.3
试验所得效率/%
72.0
69.0
说明：(１)计算转速2900r/min；
(2)效率计算公式：η=ptF•qv/M•ω；
(3)压力均采用表压计量。
由上述结果可知，计算效率与试验效率相差不到2％，计算所得的风机内部流场可以近似作为风机内部的真实流场进行分析。
3.2 叶轮内部流场状态
3.2.1 叶轮部分（包括旋转扩压器）的分布
叶轮流道子午面中压力和流线分布
依据小流量工况下的计算结果进行风机内部的流场分析。图2给出了叶轮流道子午面内的总压、静压和子午流线的分布图。分析(a)、(b)两图，气流由轴向到径向流动的过程中，经历了先收敛加速，后扩压的过程。在收敛流动中，气体的静压降低，但进气速度得到提高；在叶道内部由于叶片的不断做功，气体的总压沿流动方向不断升高，同时气体静压也不断上升。在叶轮进口处，轮盖侧的气体压力明显低于轮盘侧。 |
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