（流体机械及工程专业论文）横流风机内流场的研究及动态显示.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f f i 横流风机作为家用空调器室内体风机，其噪声、流量、效率等性能指标备受人 们关注。但是由于横流风机内部流场非常复杂，存在着一个偏心涡并且直接影响到 风机的各项性能指标，广泛应用于风机设计领域的相似理论已不再适用。横流风机 的设计更多的依赖于试验，设计成本相对较高。如果用数值模拟的方法对横流风机 内流场进行计算，得出指导性和方向性的结果，可以帮助选择性能最佳的设计，具 有明显的应用价值。体文利用商业c f d 软件f l u e n t 对贯流风机内流场进行模拟并 做出分析。 文中讨论了横流风机的基本流动机理，分析了内流场的流动状态并作出了区域 划分，阐述了偏心涡的形成和发展，推导了二维流函数一涡量方程。本文假设二维、 定常，采用k e 双方程湍流模型、s i m p l e 算法对横流风机内流场进行了模拟，首 次成功模拟出进口回流区的流动，着重对进口回流区、偏心涡流域、压力场、速度 场、流量等进行讨论，与现有文献试验结果和测试结果比较，结果相当吻合。 横流风机的几何参数和运行参数对风机性能有很大影响，本文首次系统地对因 叶轮出口安装角、叶轮直径比、叶片变角分布、叶片数、蜗壳形状、蜗壳间隙、蜗 舌形状、蜗舌间隙以及转速等几何参数和运行参数的改变所引起的内流场的变化进 行了计算与讨论。从偏心涡的大小和涡心的移动以及进口回流区的角度，结合横流 风机流动机理，分析了随之改变的流量、噪声、效率等性能指标，并与试验结果进 行了比较，最终、第一次得出了可期望应用在指导风机设计之中的偏心涡一般移动 规律。卜、 现有的横流风机的数值模拟停留在二维假设上，人们对横流风机沿轴向流动情 况不甚明了。本文对直叶片和斜叶片两种叶轮进行了三维计算，得出结论：对于直 叶片，速度沿轴向的分量很小，二维假设原则上可以适用；对斜叶片而言，虽然噪 音有所降低，但流动状态恶化，流量有所减小。最后作者对内流场进行动态模拟， 生成r m 和a v i 格式的文件，方便观察和分析流场。 关键词：横流扇玩内流i 偏i 蛹在髭动慕立示 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sc r o s sf l o wf a n sa r ei n s t a l l e di n s i d ef a m i l yh o u s e s ，t h et e c h n i c a li n d e x e s ，l i k e n o i s e ，f l o wr a t e ，a n de f f i c i e n c yf o r c r o s sf l o wf a n sr e c e i v eg r e a ta t t e n t i o ni nt h ed e s i g n b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h ei n t e r n a lf l o wa n dt h ee x i s t e n c eo fa ne c c e n t r i cv o r t e x t h a tg r e a t l yi n f l u e n c e st h et e c h n i c a li n d e x e s ，s i m i l a r i t ym e t h o d ，w h i c hi sw i d e l yu s e di n t h ef i e l do ff a nd e s i g n ，i sn o ta p p l i c a b l ei nd e s i g n i n gc r o s sf l o wf a n s c u r r e n t l y ，t h e d e s i g no f c r o s sf l o wf a n sm a i n l yd e p e n d so ne x p e r i m e n t a ld a t a , w h i c hi so fh i g hc o s t a l t e r n a t i v e l y , s i m u l a t i n gt h ei n t e r n a lf l o wp r o p e r l yw i t hn u m e r i c a lm e t h o dc a l lp r o v i d e c o m p u t a t i o n a lr e s u l t si ng u i d i n gt h ed e s i g na n dh e l pu st oc h o o s et h eb e s td e s i g np l a n s u c he f f o r ti sw o r t h w h i l es i n c e i t g r e a t l y r e d u c e st h ed e s i g nc o s t i nt h i st h e s i sw e s i m u l a t ea n da n a l y z et h ei n n e rf l o wf i e l do fc r o s sf l o wf a n sw i t hac o m m e r c i a lc f d s o f t w a r e f l u e n t w ed i s c u s st h eb a s i cf l o wm e c h a n l s mo fc r o s sf l o wf a n s ，a n a l y z et h ei n t e m a lf l o w , p l o tt h er e g i o n so f t h ei n t e m a lf l o w , e x p o u n dt h ef o r ma n dd e v e l o p m e n to f t h ee c c e n t r i c v o r t e x ，d e d u c et h es t r e a mf u n c t i o n - v o r t i c i t ye q u a t i o nu s e df o rc a l c u l a t i o n u n d e rt h e a s s u m p t i o n so ft w o d i m e n s i o na n ds t e a d i n e s s ，w es i m u l a t et h ei n n e rf l o wf i l e do ft h e c r o s sf l o wf a nw i t hk - s t a n d a r dm o d e la n ds i 田l em e t h o d t h er e v e r s ef l o wr e g i o ni n m es u c t i o na r e ai ss i m u l a t e ds u c c e s s f u l l yf o rt h ef i r s tt i m e o u rd i s c u s s i o n sf o c u so nt h e r e v e r s ef l o wr e g i o ni ns u c t i o na r e a , t h er e g i o no fe c c e n t r i cv o r t e x ，p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n a n df l o w r a t e t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w g o o da g r e e m e n t 埘t 1 1t h e e x p e r i m e n t a ld a t a t a k e nf r o mr e f e r e n c e sa n dr e a ld a t af r o m e x p e r i e n c e s g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r so fc r o s sf l o wf a n sh a v eg r e a t i n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo ff a n s i nt h et h e s i sw ed i s c u s st h ev a r i a t i o no fi n t e m a l f l o ww i t ht h ev a r i a t i o no fo u t e rb l a d ea n g l e ，d i a m e t e rr a t i o ，i r r e g u l a rb l a d es p a c i n g ，b l a d e n u m b e r s ，s c r o l ls h a p e ，s c r o l lc l e a r a n c e ，t o n g u es h a p e ，t o n g u ec l e a r a n c ea n dr o t a t i o n a l s p e e df o rt h ef i r s tt i m e t h et e c h n i c a li n d e x e ss u c ha sn o i s e ，f l o wr a t e ，嘶c i e n c ya r e a n a l y z e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fp o s i t i o na n ds i z eo f e c c e n t r i cv o r t e xb a s e do i lt h eb a s i c m e c h a n i s mo ft h ec r o s sf l o wf a n f i n a l l y , t h ee c c e n t r i cv o r t e x sm o v e m e n t r e g u l a rp a t t e r n i i 华中科技大学硕士学位论文 i so b t a i n e da n dc a nb eu s e dt og u i d et h ed e s i g no f c r o s sf l o wf a n s t ot h ep r e s e n t ，s i m u l a t i o no fc r o s sf l o wf a n si sa s s u m e dt ob et w o d i m e n s i o n a l i ti s n o tc l e a rf o rt h ef l o wi na x i a ld i r e c t i o n i nt h i st h e s i sw ec a l c u l a t et w oi m p e l l e r s ，o n ei s s t r a i g h ti na x i a ld i r e c t i o na n dt h eo t h e ri ss l a n ti na x i a ld i r e c t i o n t h ec o n c l u s i o n sc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ：v e l o c i t yi na x i a ld i r e c t i o ni sv e r ys m a l lf o rt h ei m p e l l e rt h a ti s s t r a i g h ti na x i a ld i r e c t i o n , t w o d i m e n s i o n a la s s u m p t i o nc a i lb eu s e di nt h i sc a s e ；b u tf o r t h eb l a d et h a ti ss l a n ti na x i a ld i r e c t i o n t h ef l o wb e c o m e sw o r s ea n dt h ef l o wr a t ed r o p s e v e nt h o u g ht h en o i s el e v e li sl o w e r w ed i s p l a yt h et w o - d i m e n s i o n a la n i m a t i o nf o rc r o s s f l o wf a n st of a c i l i t a t eo b s e r v i n ga n da n a l y z i n gt h ei n n e rf l o wf i e l d k e y w o r d s ：c r o s s f l o wf a n ，i n n e rf l o wf i e l d ，e c c e n t r i cv o r t e x ，p e r f o r m a n c e ， d y n a m i cd i s p l a y i l l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 横流风机也称为贯流式通风机，早在1 8 9 2 年，莫蒂尔就设计出横流式通风机 的结构图纸，十九世纪末二十世纪初，这种通风机已经广泛应用在矿井通风中，但 是不久就被性能更好的卡佩尔一拉托通风机所取代。在此之后，这种风机遭到了冷 遇，几十年来都无人提及。直到1 9 3 8 年，阿克雷特发表文章提出把这种通风机应 用到机翼边界层的控制上去，但是他的文章也没有引起人们对横流式通风机的关 注。1 9 4 8 1 9 5 0 年间，b e c k 制造出内部有导向装置的横流式通风机，并于1 9 5 2 年发表文章，第一次提出了“横流式通风机”这个术语，从此之后引起了人们对这 种风机进行更多的研究。 横流风机有一个筒状的多叶转子，气体在径向面( 与轴垂直的面) 上，从转子 一侧的叶栅流进叶轮，穿过叶轮内部，从叶栅的另一侧流出。由于这种风机结构简 单，具有薄而细长的出口截面，不必改变流动的方向等特点，这种风机的动压较高， 气流不乱，可获得扁平且高速的气流，并且气流到达的距离较长，噪音较低，鉴于 这些特点，横流风机广泛应用在低压通风换气、空调、车辆、家用电器等领域中。 在轴流风机和离心风机中，几何结构是对称的，且流体对转子的流动是稳定的。而 在横流风机中，虽然在子午面上是对称的，但是由于气流两进两出叶轮，气体的 流动是非对称的，其速度矢量场是非稳态的，转子叶片沿着周向的流动情况不断变 化。通过对叶轮内部流动进行可视化研究发现在叶轮那原存在一个能够控制整个气 流流动的涡流，它作用于叶轮圆周的一边内侧，涡流中心处在叶片内边的某处，并 随着节流情况的不同而沿着圆周方向移动。 横流风机内部的偏心涡的发现是这类风机发展的一个关键性的转折点，偏心涡 为重点的内部流场成为人们研究的一个主要方面，但是由于流动的复杂性、非稳态， 使得人们对横流风机内流场的规律还不甚明了，而且随着叶轮和蜗壳的变化，内部 流场状况会发生很大改变，风机的气动性能也相应地发生很大的改变。对内流场的 研究还需要很多的努力。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 早在1 8 9 2 年，m o r t i e r 就提出了横流式通风机。在十九世纪末二十世纪初，这 种风机被广泛应用于矿井通风，但不久就被当时比较好的卡佩尔拉托通风机所代 替，没有得到更大的发展。近年来，这种风机由于它的特点而被重新认识，国内外 相继发表了一些论文。综合来看，研究集中在以下三个方面：1 内部流场特性的 研究及相似理论在其中的应用；2 横流风机的设计理论；3 横流风机内部流场的 数值模拟。以下就各方面的概况进行简要的介绍。 转予内流特性及相似理论方面的研究 由于流体介质两次进出叶轮，使得风机内部流场相对速度和绝对速度均不稳 定，流动情况随叶片周向不断变化，通过流场显示方法观察叶轮内部流场，可发现 叶轮内腔中存在着一个能够控制整个气流流动的旋涡区域，而正是这个旋涡区控制 着整个叶轮内部流场。因此，对内部流场的研究主要集中在对此旋涡区的研究上。 1 9 7 0 年，a m p o r l 咂r i 】等对一外径6 i i l ，内径4 8 i n ，长度9 i n 的转子所产 生的流场进行热线测量，并在水槽中对流场进行可视化研究。结论指出：横流风机 的蜗壳和蜗舌可以被设计成这样一种形式，在整个流动工况范围内让偏心涡的涡心 一直保持在转子的外缘，涡通过调节自身的位置来适应系统阻力。由于涡强由涡心 离转子中心的距离决定，因此，让涡心保持在转子外缘可以提高风机性能。而且， 总压系数不随流量改变而变化，但静压系数根据系统阻力的不同而发生变化。 1 9 7 5 年，y a m a f u j i l 3 j 详细研究了涡的形成，他采用流场显示技术详细拍摄了从 转子开始转动到形成一个稳定的偏心涡的整个过程。文中指出：当转子转动后，许 多小涡从转子内外部脱落，脱落涡聚合起来，便形成了一个大的偏心涡；而横流的 产生正是由于偏心涡的存在，没有偏心涡就不会产生横流。当r e 2 5 0 时，对任何叶轮都会形成偏心涡。同年，y a m a f u j i 【4 1 又使用驱动模型，对d l d 2 = 0 9 8 9 的转子进行理论分析，得到了与实验吻合较好的 压力与速度分布。当转子从叶片输入到主流的能量与气流由于粘性而耗散的能量平 衡时，涡便在径向稳定下来：当两者不相等时，偏心度发生改变，并在新的位置达 到平衡；输入的能量大于耗散的能量时，偏心度增加：输入的能量小于耗散的能量 时，偏心度减小：文中给出了轴对称有旋流动达到稳定时的临界雷诺数方程，它是 2 华中科技大学硕士学位论文 涡核偏心度的函数。 1 9 7 5 年，t l a i o s 【2 1 将真实介质进行无粘处理，假定叶片无限多并用涡线代替 叶栅的二维涡分布，对a m p o a e r 的实验结果进行处理，证实了流线涡强为常 数的假设r o t ( c ) = f f l l r ) 。同年t l a j o s 等人利用差分方程1 i r = 一f ( 1 i r ) ，将风机速 度场分为吸气速度场，旋转速度场，压力侧等三部分，代入边界条件，通过数值计 算求得了对应的速度场，用f ( 1 l r ) 的线性近似解得到的结果与实验相符。 1 9 7 6 年，s u s u m am u r a t a i 6 1 等对横流风机的外特性与内部流动状况之间的关 系进行了研究。他们用= f l 探针测量了沿着转子周向的总压分布，同时用热线测量 了转子内部气流的相对流动，得出了以下结论：当流量大于最大压升对应的流量时， 如果流量减少，涡核沿着转子内周向蜗舌移动；并且根据流量系数巾是否大于0 3 有两种流动类型：中 o 3 时，如使用常规尺寸的蜗壳，则蜗舌的形状是决定气流流 动模型的主要因素；m 4 ： 1 时吻合较好；当r e l o 时，在整个工作区都有相似性；对于蜗壳间隙有一影响整 个工况特性的最佳值，它的大小并不简单的遵循几何相似关系，还必须考虑转子圆 周速度的影响。 1 9 9 4 年，t a n a k a t ”1 等对三个几何尺寸相似的转子( d 1 i ) 2 = 0 8 5 ，l d 2 = i 0 ) 进 行相似性研究后指出：在r e 较低的区域，风机性能主要受i k 的影响：当r e 达到 ( 】o 一】5 ) * 1 0 4 时，无因次性能曲线不遵循相似准则( 即使r e 达到临界值) ，它既 受r e 的影响，也受转子尺寸的影响。 1 9 9 5 年，t a n a k a 和m u r a t a ”1 等用l d v 测量了几何尺寸相似的横流风机转子的 速度场和静压分布，他们发现：当内部流场相似时，即使对于不同尺寸的风机，其 压力一流量特性曲线几乎一样；但当性能曲线相似时，即使性能曲线上有相同的v 、 卫，内部流场并不一致。 横流风机的设计理论 由于横流风机内部流场的复杂性，至今世界上没有被普遍接受的设计理论和方 4 华中科技大学硕士学位论文 法。各国学者在对风机内部流场进行研究的同时，也提出了一些设计方法，但是这 些理论只能适用于某些气动参数的叶轮，不能作为通用的设计理论。 魏民 i 采用简单位势流理论，提出了冷热风器叶轮结构设计和气动参数的计算 方法。徐松庆j 等阐述了激光技术中应用的横流风机的工作原理。结构设计及主要 。 制造方法。屠仁勇”2 1 作出以下假设：涡核位于叶轮内周靠近蜗舌某处：涡核之外是 势涡流动即：c r = c o n s t 。根据以上假设，给出了风幕机用横流叶轮的设计公式。并 提出了一些降嗓措施。 叶轮内部流动的数值模拟 有限差分法、有限体积法、有限元法、边界元法及流线曲率法等方法【3 s 惺应用 较广的研究叶轮内部流场的数值计算方法，它们各自的特点如下： 有限差分法是计算流体力学应用最早，应用范围最广的重要数值方法。它般 由微分方程出发进行离散，离散空间概念是对空间某一点建立差分格式。它的主要 特点是方法简单，更适合于求解非线性的方程。它是用于解决将三维流动问题简化 为两个相对流面上的二维求解问题的重要数值方法。现在，应用此方法求解三维定 常与非定常问题也很多。 流线曲率法求解二维或空间问题，就是把二维或三维问题近似分解为两个或三 个相关的一维问题迭代求解。其中一维一定是流线。其基本方程是：与流线准正交 的速度梯度或压力梯度方程，沿与流线准正交方向的质量积分方程，沿流线的能量 方程。区域离散是用有限个流束或流管把流场离散。离散梯度不确定，通过迭代修 正。求解梯度方程时，用样条函数计算。 边界元法是将求解区域问题转化为边界问题，它的特点是利用方程的基本解将 问题由三维降为二维或二维降为一维。它将微分方程转化成积分方程，类似于有限 。 元求解。其特点是便于求解无界域及一些复杂问题。应用该方法求解的方程组比有 限元小很多，计算存储量和工作量小，计算精度高。 有限体积法求解流场的基本思路是从积分方程出发，应用有限容积来离散统一 的守恒型方程。它假定有限体积单元内的气体参数是集中在单元中心的，单元六面 体的气体参数是集中在单元中心的，单元六面体的气体参数由相邻单元按某种差分 格式算得。每个体积单元作为控制容积，根据散度定理将发散项转换到积分面上， 最后对单元体积和面积进行数值积分得到计算结果。 有限元法是r c o w a n t 于1 9 4 3 年首先提出来的。它的特点是找出求解问题相 华中科技大学硕士学位论文 应的泛函和变分原理，将求解区域划分为若干个小单元，进行单元分析，将单元任 意点未知量用该单元中形状函数及节点上函数值展开，即把连续区域中无限个自由 度问题离散为有限个自由度问题。最后进行总体合成，解泛函极值，导出联立方程。 其计算流场的优点是可以用任意形状的网格剖分计算区域，还根据求解问题的特点 疏密有致地，自如地布置节点，对求解区域和流场变化具有较好的适用性，特别适 合复杂区域内流场的数值分析。 在横流风机的设计中，如果对风机内部流场的数值模拟能比较准确地预测偏心 涡的生成及流速分布，则可以帮助确定设计是否合理，从而减少试验次数，缩短设 计周期。国内外一些学者进行了一些有益的探索。 田附m l 等在叶轮出口处流动沿着叶片表面的边界条件下，用奇点分布法计算了 横流风机的内部流动，但未考虑从叶轮流出的自由涡旋。 多久叩j 等用有限元结合c l o u d s i n - c e l l 法进行了计算，但将叶片作为增压器处 理，忽略了叶片数和叶片形状的影响。 罔本f 4 8 】等用奇点分布法和c l o u d s i n c e l l 法，并且考虑了叶片流出的自由旋涡 及衰减，但奇点分布在叶片中心线上，未能考虑叶片表面形状的影响，同时假定分 布在叶片中心线上的涡旋直接流出而形成自由涡旋 陈次昌阱l 叫1 采用直接边界元法和离散旋涡法相结合的方法来计算风机的内部流 场，同时考虑了蜗室上部壁面边界层的影响，为了满足开尔文定理，叶片后缘处有 尾涡放出，尾涡的运动用离散旋涡法计算。 1 3 本文的主要目的和主要工作 随着人们生活质量的提高，人们对家用空调器也提出了越来越高的要求，高效 率、大流量、低噪声的横流风机是人们希望达到的一个目标。如何从理论出发，采 用科学的方法提高横流风机的风量、效率，降低风机的噪声，是横流风机研究的一 个主要任务，因而就必须了解风机内流场的流动状况。我们认为研究横流风机的内 部流动的关键在于了解其内部的偏心涡流动。由于内部存在不可避免的涡流，使已 经排出的流体倒流回叶轮的内部，这种回流会造成很大的能量损失，横流风机的风 量和效率很大程度上取决于这种回流流量在总流量中所占的比例。另外内部流场的 研究对降低横流风机的噪声也是必要的。横流风机的风量和噪声主要取决于气动噪 6 华中科技大学硕士学位论文 声，气动噪声是由气流运动过程中压力脉动引起的，和横流风机的结构形式以及流 动状态有直接关系。气动噪声可以分为湍流噪声和旋转噪声。湍流噪声是由涡流诱 发产生的，而降低湍流噪声的途径在于改善流动状态。因此，人们要获得高性能、 大流量、低噪声的风机就必须真正了解横流风机的内部流动。 由于相似理论的不适用，目前的风机设计都是根据大量的试验数据，开模后进 行试验，比较后采用性能较好的模型进行生产。因为模具较贵，所以生产成本较高。 如果能采用数值模拟的方法根据设计图纸计算出内部流场，预先得出风机的各项性 能指标，再而反复改变各项参数，最终得到性能较好的设计。就可以减少开模费用， 降低生产成本，具有显著的经济意义。 本文采用f l u e n t 软件，模拟出横流风机二维和三维、粘性、定常流场，揭示了 其内部流动的规律。主要工作如下： 1 采用a u t o c a d 绘制出工程图纸，选定计算域，导入f l u e n t 软件。 2 划分网格，通过比较选定适用的物理模型。选定各项控制因子，计算出横 流风机内部流场。 3 改变不同的几何参数和运行参数：叶片出口角、直径比、蜗壳间隙、蜗舌 间隙、蜗壳平滑性、蜗舌形状、叶片变角分布、叶片厚度、叶片数、转速等进行流 场计算，并对由此产生的偏心涡的改变，从而影响流量、噪声、效率的改变进行探 讨，得出相应的结论。 4 分别对直叶片和斜叶片进行三维计算，探讨流场在轴向上的变化，得到相 应的结论。 5 根据计算结果绘制出动态模拟图。 华中科技大学硕士学位论文 2 横流风机的基本流动机理 2 1 偏心涡概述与内流区域的划分 德国的b e c k 最先采用显示气流流动的方法，发现在叶轮内缘存在一个能够控 制整个气流流动的涡流，它作用于叶轮圆周的一边内侧。涡流中心处在叶片内边的 某处，并随着节流情况的不同而沿着圆周方向移动。也可以这样说，叶轮内部的漩 涡流动是由一个具有自由移动的涡核的涡流所造成的，该涡核可以按具体情况而漂 移。叶轮内速度场的分布，取决于偏心涡涡心的位置以及流场中循环流的范围。详 细讨论横流风机偏心涡的形成过程，有助于进一步了解横流风机的流动特性。 图2 - l 为偏心涡形成过程中不同时刻的拍摄的照片，t 为从叶轮开始旋转到拍摄 时的时间，叶轮按顺时针方向旋转。 ( c ) t = 2 0 s ( d ) t = 3 4 s 华中科技大学硕士学位论文 ( e ) t = 4 8 s( f ) t - - 6 8 s 图2 - 1 偏心涡的形成过程 在叶轮开始转动后的瞬间，在转予的内部和外围产生表面波，表面波进一步扩 展后，在叶栅外围的前缘有小涡脱落，形成脱落涡，接着邻近的脱落涡两个两个地 相互融合成一个较大较松的涡。形成涡街：随着叶轮的旋转，这些涡逐渐膨胀，消 融到主流中，从而带动叶轮外围相当部分的静止流体开始运动。在小涡从叶轮的前 缘脱落形成脱落涡后，不久就有间歇性的涡从各个叶片后缘( 叶轮内周) 脱落，同 叶轮外周一样，这些脱落涡也形成一种涡街，两种涡街的分布在叶轮的两侧形成一 种有规律的双行交错脱落涡。图2 1 ( a ) 显示出了表面波存在的情况，在导向边 脱落的涡是不稳定的，它们不久就膨胀、消失到主流中。而在叶轮后缘形成的涡却 重复性地聚合成了较大的涡，见图2 一l e o ) 。叶轮内的脱落涡在聚合的每一个阶段， 涡的强度都不断增加，涡的数量不断减少，逐渐减少到4 个、3 个、2 个，最后聚合 成一个整体。在涡发展的每一过程中，脱落涡在周向基本上是等距的。见图2 一l ( c ) 、及图2 一l ( d ) 。涡不断聚合，最后在叶轮内部形成一个较大的涡，该涡向 叶轮的一边移动。这点可从图2 一l ( e ) 和图2 1 ( f ) 中反映出来。图中显示 了偏心涡是如何扰乱着一个圆形、对称的气流流动模式。 实际上，当脱落涡聚合成只有两个涡时，就已经形成了贯穿叶轮内部的气流， 这就是贯流。在两个涡聚合成一个涡的过程中，较强的一个涡吸收另一个涡。此时 就形成了一个较大的孤立涡，该孤立涡形成时就已经偏离了转子的中心轴线。如图 2 一l ( e ) 所示。偏心涡刚形成时，涡的环量不太强，同时横流也很微弱：随着偏 心涡的发展，进入叶轮的气流增加，横流也相应增强，同时进气侧的叶片后缘脱落 的小涡也相应增多。随着横流一起流动的脱落涡，受偏心涡的吸引而朝偏心涡内部 9 华中科技大学硕士学位论文 运动。偏心涡由于吸收了部分脱落涡而增加了涡的强度。因而发展成一个更强的涡， 其偏心度不断提高，直到偏心涡移到叶轮内径边缘。图2 1 ( f ) 显示了偏心涡发 展时的情况，从图中可以看到几个等尺寸的脱落涡融入到涡核区的情形。在没有蜗 壳的情况下，偏心涡不能在某一个固定的位置定下来，其涡心沿着叶轮轴线慢慢旋 转。开始，偏心涡沿着与叶轮转向相反的方向旋转；然而，在叶轮稳定后，偏心涡 便沿着与叶轮转向相反的方向旋转。其旋转速度与叶轮转速相同。也就是说，在没 有蜗壳和导向装置的情况下，横流叶轮内部的气流流动并不保持某一特定模式，而 是按照一定的方式不断的改变。 根据偏心涡的形成和发展情况，可将横流风机流动区域分为三大部分：进气区、 内流区、排气区，然后可以再进一步分为1 2 个区域。 一：1 t 1 1 ，可以将壁面应力附加到动量方程中去。 l ，y + 1 1 5 3 3 3 初始条件 在计算前，需给定计算域速度、压力、湍流动能、湍流动能耗散率等值，本文 给定初始条件如下： w = o , p = o ，k = l ，= 1 。 3 4s i m p l e 算法 f l u e n t 内部有三种核心算法，分别是s i m p l e 、s i m p l e c 、p i s o 算法。本文采 用s i m p l e 算法计算，本算法是由p a t a n k e r 与s p a l d i n g 在t 9 7 2 年提出的，即s e m i i m p l i c i t m e t h o d f o r p r e s s u r e - l i l l l ( e d e q u a t i o n s a 计算步骤如下： 2 0 华中科技大学硕士学位论文 1 假定一个速度分布，记为“o ，v 。，以此计算动量离散方程中的系数及常数项； 2 假定一个压力场p ： 3 依次求解两个动量方程，得“、v ； 4 求解压力修正值方程，得p 。： 5 根据p 。改进速度值； 6 利用改进后的速度场求解那些通过源项物性等与速度场耦合的中变量。如 果中并不影响流场，则应在速度场收敛后再求解。 7 利用改进后的速度场重新计算动量离散方程的系数，并用改进后的压力场 作为下一层次迭代计算的初值。重复上述步骤，直到获得收敛的解。 3 5 本章小结 本章给出了f l u e n t 中计算所用的k e 双方程湍流模型方程组，对流场计算所用 的边界条件和初始条件也作相应的说明和讨论，简要介绍了所用的s i m p l e 求解方 法。 2 i 华中科技大学硕士学位论文 4 1 概述 4 横流风机二维数值模拟及流场分析 f l u e n t 中有几种处理旋转机械流动问题的模型，分别为旋转坐标系模型( r o t a t i n g r e f e r e n c ef r a m e ) ，多参考坐标系模型( r f ) ，混和平面模型( m i x i n gp l a n e ) ，滑移网 格模型( s l i d i n gm e s h ) 。其中，旋转坐标系模型仅适用于不考虑定子影响的流场，其 思想就是在视转子为静止的旋转坐标系里进行定常计算，计算中考虑惯性力的影 响：多参考坐标系模型( m r f ) 就是在前一模型的基础上考虑了定子对流场的影响， 将流场按不同旋转速度划分成几个流动区域，每个区域里用旋转坐标系进行定常计 算，在这些流动区域的交界面上强制流动速度的连续；混和平面模型是另一种用定 常方法计算定子与转子相互影响下的流场的模型，它在不同流动区域之间的交界面 上进行了一定的周向平均，消除了流动本身的非定常性，这种模型要优于m r f 模 型：滑移网格模型是采用滑移网格技术来进行流场的非定常计算的模型；用它计算 的流场最接近于实际的流动，但这种模型需要耗费巨大的机器资源和时间。 虽然通过横流风机的流动是非定常流，但可以采用多参考系模型作为定常流动 来近似模拟。多参考系模型允许旋转的横流风机叶轮与不旋转的蜗壳同时被模拟， 即划分为动区和静区。而两个子区的流场信息通过预先定义的界面传递并相互影 响。这种定常流动近似方法非常经济，可以获得良好的计算精度，而不需计算量非 常大的非定常计算。 4 2 计算实例 4 2 1 计算模型 本文采用格力蜜蜂k f 3 2 g a 1 0 1 的原配叶轮作为计算例基准叶轮。其蜗壳图形 尺寸如下： 华中科技大学硕士学位论文 图4 - 1 蜗壳尺寸图 叶轮参数为进口安装角bl 为9 0 0 ，出口安装角为。：为2 6 0 ，叶轮内径d ，为 3 71 6 m m ，叶轮外径d 2 为4 7 7 6 m m ，叶片数3 5 ，直径比为0 7 7 8 ，叶轮长度为5 8 3 m m 。 蜗舌间隙为9 7 m m ，蜗壳间隙为! ：! ! 竺：兰兰壁堡塑! ! ! 竺! 竺兰二_ 一 2 3 g_，蒜7暑警靛毒 华中科技大学硕士学位论文 本文假定定常、不考虑换热器计算。为了便于进出口边界条件的给定，将出口 段和进口段进行适当的延长，延长的距离以两倍的叶轮外径d ：给定，实践表明， 这个距离便于给定进出口压力边界条件。计算模型中还给出两条辅助线，以区分静 区和动区。 其几何模型如图4 2 所示： 叶靶谨口 计轮 图4 2 几何模型图 选用g a m b i t 进行网格划分，采用四边形网格，动区生成2 9 7 3 个网格单元，静 区生成6 8 2 8 个单元网格，共计9 8 0 1 个网格单元。在动区和静区分界面上布置结点 分别为1 5 0 个和2 0 8 个，整个区域共计结点1 0 4 4 2 个。生成网格图如图4 - 3 ： 华中科技大学硕士学位论文 图4 - 3 计算网格图 划分好网格之后，导入f l u e n t 内进行计算： 1 定义求解的粘性模型方程，选取标准k - e 模型、标准壁函数。 2 定义边界条件的值。为了模拟风机的一个工况，进口选用进口压力边界条件， 进口总压和静压为o p a ，湍流定义为湍流强度取l ，水力直径为o 3 6 5 4 8 2 ；出口 选用出口压力边界条件，出口静压给定5 8 p a ，湍流强度取l ，水力直径为 o 1 5 5 5 1 4 。 3 定义松弛因子和离散方程的格式。 4 定义收敛精度为1 0 一，初始化，计算得到结果。 4 3 计算结果和流场分析 利用f l u e n t 可以很方便地画出各种图形，便于研究。如第二章所述，对于横流 风机的流场，可分为1 进气流场。2 叶轮内部流场。3 排气射流流场。进气流场主 要研究进气流动图形和各种阻挡物的扰流影响；叶轮内部流场一般是剖析偏心涡的 机理和影响，研究叶片的扰流状态：附着、分离、层流和紊流；排气流场主要是研 华中科技大学硕士学位论文 究射流的特征；速度和紊流度。 4 3 1 进气回流区 如本文第二章第一节所述，横流风机进气区存在着副射流区，在蜗壳后端，靠 近最小蜗壳间隙的一段区域内，一部分气流从进气区排出叶轮。我们又将它称为进 气回流区。在文献【1 1 】中，用动态显示技术可以清楚地看到进气回流区的存在。在 本文计算的流场速度矢量图中，也成功地模拟出进气回流区的流动。 由于叶轮的旋转，当进气流入角较大时，带动气流从进气区流出，另一部分气 流也因为较小的蜗壳间隙，使过流能力减小，产生回流。由于进气回流区的存在， 使气流倒流回来，产生较大的流量损失和能量损失，倒流回去的气流和进气的气流 相互作用，在进气区形成较为紊乱的气流，使楚个进气状况恶化，进而影响风机的 整体性能。经研究表明，进口回流区的大小与进气流入角0 、蜗壳间隙e 。的大小、 热交换器、导风板和导风片的布置等因素有关，必须综合考虑。应利用导风板、导 风片、换热气控制气流流动的方向，使气流从主要流入区流入叶轮，合理取定进气 流入角e 、蜗壳间隙e 。的范围，一个主要的标准就是尽可能得使气流径向或负预 旋进入叶轮。在图4 5 中可以较为清楚地观察到进口回流区的流动。 图4 - 4 速度等值图图4 - 5 速度等值云图 华中科技大学硕士学位论文 4 3 2 偏心涡概述 由流线图图4 6 可以清楚地看出偏心涡的大小和形状。由于气体两进两出叶轮， 在进气和出气的区间，必定存在一条滞止线，其径向速度k = 0 ，在该点两侧，一 的符号发生变化，当叶轮向该线旋转时，一会有很大的梯度，诱使叶片尾部产生 脱离涡。这时在蜗舌处脱离涡的方向与叶轮的旋转方向一致，脱离涡向叶轮外流出。 当叶轮经过该线后，以逐渐增大，叶片附近流体要恢复流动状态，在叶片上会形 成一个与叶轮旋转方向相反的环量。根据涡量守恒原理，此时在内流去会产生一个 与叶轮旋转方向一致的涡量。这两部分涡在蜗舌处聚集，形成旋涡团。 旋涡团涡量通过脱落涡不断得到补充，同时又由于粘性不断地耗散和扩散，两 项平衡，最终形成偏心涡。涡心基本处在叶轮内周靠近蜗舌附近的一侧，并随流量 的变化沿内圆周移动。偏心涡流域速度分布如图4 - 7 所示。 图4 - 6 偏心涡流域放大图 2 7 华中科技大学硕士学位论文 。! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ，_ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ - _ _ - 一 4 3 3 内流场的压力分布 x 图4 7 偏心涡流域速度分布图 x 图4 - 8 总压等值图 单位( p a ) 图4 9 总压云图 华中科技大学硕士学位论文 图4 1 0 静压等值图 单位( p a l 图4 - 1 2 动压等值图 单位( p a ) 图4 - 1 3 动压云图 华中科技大学硕士学位论文 一一、专、 、v - 7 一一二杈、 , x - 、2 0 0 一- _ _ 、 、己一7 图4 1 4 文献【3 8 实测全压图图4 一1 5 文献【2 3 】实测静压图 由计算结果可以看出，由于横流风机的特殊结构，内流场的压力分布是比较复 杂的，由静压分布图图4 ，1 0 可以看出，在经过第一次叶栅后，叶轮对气体做功， 相对速度是做减速运动，气体的静压有所升高，在叶轮内部，静压的分布是从上到 下依次减小的趋势，在叶轮边缘压力达到最低点，这种从进口弧到到出口弧的压力 梯度，促使气流做横贯叶轮的运动。第二次经过叶栅，相对速度是做加速运动，使 得静压升高，但这是有个逐渐的过程的。与文献 2 3 1 所测的静压分布图4 1 5 比较， 静压分布的趋势基本相同，证明计算结果是正确的。 从动压分布图图4 一1 2 中可以看出，气流流入叶轮存在着主要流入区域，该区域 位于偏心涡流区和进口回流区之间，横贯叶轮，由于偏心涡流区的阻挡，气体流出 叶轮主要是在靠近上蜗壳壁面的区域。 气流流入叶轮存在着明显的非对称，进口弧各点的预旋角度都是不同的，从而 叶轮对不同进口处的气体所做的功也是不同的。在偏心涡流区，气体被旋转的偏心 涡所控制，旋涡不断地由于流体的粘性而衰减，并得到叶片脱落涡的不断补充，动 压较低，而且静压也较低，形成了该邻近区域的总压的局部负压。而在主要流出区 气流动压较高，因而气流总压也较高。总压图如图4 - 8 所示。在文献 3 8 中，给出 了所测的总压分布图4 1 4 ，由图中可以看出偏心涡流域存在负压，最小值为9 2 p a ， 华中科技大学硕士学位论文 在主要流出区总压则较高，尽管本计算所用蜗壳和叶轮的参数与其不尽相同，但计 算所得的总压分布也呈现这种特征，间接证明了计算的正确性。 横流风机是一种动压较高的风机，我们的目的主要是获得较高的动压也即风量 和均匀的气流，由流线图4 - 6 可以看出，气体流出叶轮可以分为偏心涡流区和主要 流出区，要想获得较高动压和均匀的气流，就要控制偏心涡流区的大小和范围。 4 3 4 流量 计算得到体积流量为7 5 7 0 2 8 m 3 h ，对本计算叶轮所做的外特性试验中测得：出 口静压为5 8 p a 时流量为7 5 0m 3 h 。误差为( 7 5 7 0 2 8 7 5 0 ) 7 5 0 = 0 9 3 7 ，可见计算 较好地模拟了横流风机内部流场。其它算例略。 4 4 本章小结 本章详细讨论了二维数值模拟时的几何建模、网格划分、控制因子的选取等一 系列问题，介绍了计算流程。同时对计算所得的速度场，偏心涡流域，进口回流区， 压力场，流量等进行了讨论，得到了相应的结论。 华中科技大学硕士