（热能工程专业论文）喷雾轴流风机的内部流场数值模拟及结构优化.pdf

东华大学硕士学位论文 摘要 喷雾轴流风机主要应用于对湿度要求较高的大型纺织企业，在讲究节能高 效的今天，其流量，压力、效率等指标倍受关注。喷雾轴流风机的设计很大程度 上依赖于试验，设计成本较高，如果能采用数值模拟的方法计算内部流场，预先 得出风机的各项性能指标，再反复改变各项参数，最终得到性能较好的设计，就 可以减少建模费用，降低生产成本，具有显著的经济意义。 本文根据喷雾轴流风机的结构参数，在f l u e n t 前处理软件g a m b i t 中完成建模 和网格划分工作，确定计算域和边界条件，将网格导入f l u e n t ，采用s i m p l e 算法 和r e a l i z a b l e 七一占湍流模型，非耦合隐式求解器，求解三维时均雷诺n s 方程， 计算出喷雾轴流风机的气流流场，通过改变风机的输入参数和结构参数，如：风 量，叶轮转速，安装角等进行流场计算，得到了风机效率同风机结构参数之间的 关联；并与实验值进行对比，结果相对吻合较好。在此基础上在风机进口处设置 喷嘴，运用m i x t u r e 混合模型，选择了压力一旋流雾化模型，计算气液两相流的内 部流场。并对气流场和气液两相流场就其全压、效率、噪声等方面做了分析，从 结果来看，按照气流场结果设计，在此基础上加入液相的方法在设计上是可用的。 此外，本文还利用f l u e n t 软件中气动噪声模块对风机噪声进行了预估计算，建立 了轴流风机噪声预估模型，并结合性能及几何参数，对风机进行了优化降噪。优 化后的风机在效率提高3 4 3 时，噪声仅增加了2 3 4 5 7 d b ，优于传统的通过提高 转速来增加效率时所增加的噪声值( 5 2 8 d b ) 。 本文所做的工作为喷雾轴流风机建立了一套较为完善的设计和优化程序，提 高了其经济性。另外也在复杂模型的建立和简化，网格的生成，计算模型的采用 等方面做了一些有益的探索，希望能对相似类型的数值模拟问题提供借鉴。 关键词：喷雾轴流风机，c f d ，r e a l i z a b l e 七一占湍流模型，噪声预估， 结构优化 东华大学硕士学位论文 a bs t r a c t s p r a ya x i a l f l o w 胁i sm a i n l yl l s e dt ol a r g et e x t i l ee n t e r p r i s e sw h i c h n e e dh i g h e rh u m i d i t yc o n d i t i o n s t o d a ym o r e 觚dm o r ec o m p a n i e sa n d d e p 棚e n t sd e m a n de n e r g y - s a 访n ga n de 伍c i e n c y ，s ot h en o w ，p r e s s u r e a i l de 伍c i e n c yi n d i c a t o r so fs p r a ya x i a l f l o w 蠡mm o s t l yh a v e 出a w n g r e a t e r 叭e n t i o n t h e 舰d i t i o n a ld e s i 盟o fs p r a ya x i a l f l o w 胁d e p e n d s o ne x p e r i m e n t s ，w l l i c hc o s tal o t i ft h em e m o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c a ns i m u l a t ef l o wf i e l do f 缸，p r e o 协i nt h ep e r f i o m a n c ei n d i c a t o r s ， r e p e a t e d l yc h a n g et h ep 越m l e t e r s ，锄df i n a l l yo b t a i l lt h eb e s tp e r l o m a n c e d e s i 印t h e nw ec 蛐u s et h i sm e t h o dt or e d u c et h ed e s i 印t i m ea i l d p r o d u c t i o nc o s t ，w h i c h w i l lh a v ea ni m p o r t a n te c o n o m i cs i g n i 6 c a n c e b a s e do nt h es 白m c t u r ep a r a i ne t e r so ft h es p r a ya x i a l n o wf i 童n ，f i r s t l y w ec o m p l e t e dm o d e l i n g 卸dm e s l l i n gw o d ( i np r o c e s s i n gs o 砥v a r e f l u e n t g a m b i t ，t h e ni d e n t i f i e d e o m p u t a t i o n a l d o m a i na l l d b o u n d a 巧 c o n d i t i o i 塔 i n f l u e n t ，a n du s e ds n 胛l e甜g o “t h m ， r e a l 娩a b l ej 一占劬u l e n c em o i e l ，n o n - c o u p l i n g i 玎1 p l i c i ts o l v e r t o c a l c u l a 把r e n a u l t3 dn se q u a t i o n s ，f i n a l l y g o th 0 1 do ft h es p r a ya i a l f l o wf a n sf i e l d ，t 0c o m p u t et h ef l o wf i e l do ft h es p a ya ) 【i a l f l o wf 狐，w e c a l lc h a n g et h es 觚c t l u 棚p 猢e t e r so fb l o w s u c ha s ：f l o wc 印a c i t y ， i m p e l l e rs p e e d ，m ei n s t a l l a t i o na n g l e ，r e c e i v et h er e l a t i o n s h i pb e m e e nt h e e 衔c i e n c ya i l dp a r a m e t e r s c o m p a r e dw i t l lt h ee x p e i l i m e n t a ld a t a ，廿l e 东华大学硕士学位论文 r e s u l t sh a v er e l a t i v e l yg o o da g 阳e m e n t o n l eb a s i so ft h i sp r o 讥s i o n ， t h ef a nn o z z l ei si m p o r t e d t l l em i x t u r eh y b r i dm o d e li su s e d ，也e nt h e i n t e m a lf l o wf i e l do ft l l eg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wf i e l di s c 羽c u l a t e d ， a i l dt h ew h o l l yp r e s s u r e ，e 所c i e n c y n o i s ea r e 觚a l 弘陀d f r o mt h er e s u l t s w ec a ns e et l l a t ，t h ec o n c l u s i o no f 鲰，o p h a s ef l o wi si na c c o r d a n c ew i t h m er e s u l t so f t h ed e s i 印n o w t h i sp a p e ra l s ou s e d 截代咖l 锄i cn o i s em o d u l ew h i c hi s l ei a t e s t m o d e lo ff l 切巨n ts o 胁a r et oe s t i m a t em ef a nn o i s e ，e s t a b l i s h e dt h ef a n n o i s ep r e d i c t i o nm o d e l ，柚dc o m b i n e dp e r f i o 彻a n c e觚dg e o m 嘶c p a r a m e t e r s a 金e ro p t i m i z a t i o n ，t h e 胁e 箍c i e n c yi n c r e a s e3 4 3 w i t ht h e f 抽n o i s ei n c r e a s e db yo n l y2 3 4 5 7 d b ，w l l i c hi sm u c hs u p e r i o rt om e 仃a d i t i o n a l d e s i g nw a y sw m c hi n c f e a s e dt h en o i s ew h e nt h es a m e e 衔c i e n c yi s 嗽d e ，b u tt h en o i s ei n c r e a s e d ( 5 2 8 ( 1 b ) 1 1 1 i s 枷c l eh a se s 讪l i s h e das e to fm o r e 硫e m a ld e s 蜘a i l dm e o p t i m i z e dp r o c e d u r ef o r l es p r a ya x i a l - f l o wf a n ，w h i c he i l l l a i l c e di t s e 伍c i e n c y ，a n de s t i m a t e dm a c h i n en o i s ew i t ht h en e wm e t h o d m a t s m o r e ，i th 嬲m a d es o m eb e 鹏f i c i a le x p l o r 撕o l l so nt i l ec o m p l e xm o d e l e s t a _ b l i s l u i l e n t ，l es i m p l i f i c a t i o n ，m e 咖dp r o d u c t i o n ，c o m p u t a t i o nm o d e l a s p e c ta n ds oo n w eh o p e dt h a ti tc a nb eu s e 向lf o rr e f i e r e n c ef 0 r 也e m o d e l sw h i c ha r et h es i m i l a rt y p es i m u l a t i o nq u e s t i o n s k e y w o r d s ：s p r a y 胁，c f d ，r e a l i z a b l e 后一占t 岫u l e n c em o d e l n o i s e p r e d i c t i o 呜s m l c t i i i a lo p t i m i z a t i o n 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 f 不保密谢 学位论文作者签名：靥鐾乏 日期：硝年月桐 指导教师签名：触 日期：砒年f 月纠日 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：屉孥考 日期： - 了年f 月2 f 日 东华大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 喷雾轴流风机的特点及应用 1 1 1 喷雾轴流风机的应用及存在的问题 喷雾轴流风机是一种具有特殊用途的通风机，其结构是在原有轴流风机的基 础上加入了一个雾化装置，具有送风的能力和加湿、处理空气的能力，因此在对 空气湿度要求较高的纺织企业中得到广泛应用，较传统的喷淋式加湿方法有水气 比小、送风饱和度高、露点低、节能、省风量、结构简单、维修方便等优点。 但其设计方法大多依靠传统经验，先对提出的方案进行分析计算，然后通过实验 风机进行大量的实验，再改进设计方案，如此反复，最终的一个可行的方案，而 不是最佳方案。在这种设计模式下，要求设计人员有丰富的经验，花费大量的精 力，设计周期较长，而且很难达到最佳方案，且这种设计方法并不能对通风机内 部流场的认识有所帮助。 近年来流体力学理论，特别是计算流体力学( c f d ) 方法快速发展，人们可 以利用计算流体力学软件数值模拟风机的内部流场了解风机的内部流动情况，并 利用其他优化软件设计出最佳方案。最近已有不少科研人员进行了这方面的尝 试，并取得了很多有益的探索，且对于气液两相流的研究大多仅限于泵的研究， 而对轴流风机的研究仅限于气流场，其两相流的研究方法还有待于发掘和尝试。 因此，本文以喷雾轴流风机作为研究对象，运用c f d 软件一一f l u e n t 建立模型 和数值计算，并进行性能分析，通过对结果的分析和主要技术参数进行优化，初 步探索了喷雾轴流风机两相流内部流场的流动情况以及由此而引起的对全压效 率的影响情况。 1 1 2 喷雾轴流风机的原理 风机又称通风机，是依靠输入的机械能提高气体压力并排送气体的机械，它 是一种从动的流体机械。从能量观点看，它是把原动机的机械能转变为气体能量 的一种机械。风机的性能参数主要有流量、压力、功率、效率和转速等。另外， 噪声和振动的大小也是风机的主要技术指标。流量也称风量，以单位时间内流经 风机的气体体积表示；压力也称风压，是指气体在风机内压力升高值，有静压、 动压和全压之分；功率是指风机的输入功率，即轴功率。风机有效功率与轴功率 东华大学硕一 ：学位论文 之比称为效率。风机全压效率可达9 0 。小型低压轴流风机由叶轮、机壳和集 流器等部件组成，通常安装在建筑物的墙壁或天花板上；大型高压轴流风机由集 流器、叶轮、流线体、机壳、扩散筒和传动部件组成。叶片均匀布置在轮毂上， 数目一般为2 2 4 。叶片越多，风压越高；叶片安装角一般为1 0 。4 5 。，安装 r n l 角越大，风量和风压越大“。 作为轴流风机的一种，喷雾轴流风机除了具有轴流风机的原理外，还有它自 身的特性与原理。喷雾轴流通风机的喷雾是由机械雾化装置来实现的。机械雾化 装置是一种安装在风机叶轮轮毂内的机构，它由进水管、存水套、挡水盘、输水 栅等组成。喷雾轴流风机喷雾原理是由二次分割原理来实现的，当喷雾轴流风机 在电动机的带动下，叶轮旋转，由于叶片升力作用产生压力，空气从低压端向高 压端流动，这就具备了风机输送空气的能力。这时若打开进水管的进水阀门，水 就通过进水管进入存水套，叶轮高速旋转在离心力和负压的作用下，水通过轮毂 辐板与挡水板组成的流道，沿着轮毂切线方向飞出，形成水幕。这种水幕的形成 被称为一次分割。飞出挡水板的水幕在风机压力的作用下和被输送的空气结合， 并冲向高速旋转的叶轮叶片，被叶片打击破碎，形成细小水颗粒一雾。雾的形成 被称为二次分割。喷雾轴流通风机的结构原理如图1 1 所示： 图1 - 1喷雾轴流风机的结构原理图 节能空调系统是以轴流式喷雾风机为主机，由淋水段、挡水排、水池、送风 回管、空气和水的过滤设备以及空气加热设备组成的全功能空气调节系统。轴流 式喷雾风机注入普通工业用水可以完成送风和等焓加湿。在需要减焓冷却季节， 可以在喷雾j x l 机内注入一定的冷冻水量，当计算用冷冻水量超过风机额定水量， 则另加l 2 个喷排以满足减焓冷却要求。与普通送风风机相比具有很大的优势。 空气作为一种介质，如与等温水相遇，则水分子与空气进行湿交换，完成送风与 2 东华大学硕士学位论文 等焓加湿过程，在需要减焓冷却季节用喷淋低温水来满足减焓冷却过程。节能空 调之所以能大幅度节能，主要是与传统淋水室空调相比，把水变成雾粒以增加空 气与水的接触面积在同一离心式原理下其手段是不同的，离心式喷嘴将水成水 膜，其离心力的半径是以厘米为单位，而喷雾风机是将水成水膜翼片的作用几何 半径r 是以米为单位，而离心力的大小又与作用半径与转速的平方成正比，单纯 从半径这个概念来讨论，喷雾风机与离心喷嘴相比要好上一个数量级，将水膜切 割成雾粒，两者都要有外力，喷雾风机利用翼片回转产生压力差，其压力差是以 毫米为单位，二者相比又差一个数量级，因此喷雾风机成雾从原理上分析与离心 式喷嘴有明显节能优势。喷雾轴流风机是在普通轴流风机的基础上增加一个雾化 装置，使水在离心力作用下形成，水膜又在叶片回转时形成外力的作用下粉碎成 雾粒n 副。 1 2c f d 技术在轴流风机优化设计中的应用 随着计算机和c f d ( 计算流体动力学) 技术的不断发展，为三维数值模拟得到 越来越广泛的应用提供了条件。目前，利用c f d 软件进行数值模拟逐步成为了解 流体机械内部流动状况的重要手段。近来已有很多运用c f d 软件对风机模拟的尝 试。下面来介绍其在风机数值模拟中的应用。 ( 1 ) 运用c f d 对风机进行几何建模 风机的结构复杂，进行模拟计算之前，首先要对轴流风机的求解区域进行 建模和划分网格。这些工作的质量直接影响数值模拟的质量和可靠性，因此不仅 需要的工作量很大，而且直接决定数值模拟结果的精度和质量。f l u e n t 中的 a m b i t t u r b o 是集成在g a 池i t2 o 里的针对旋转机械的专用前处理模块，利用它 可以大大提高分析计算的效率。娄小军m 。采用f l u e n t 的三维非结构化网格对轴流 风机进行网格划分。包能胜d 1 等人利用g a 船i t 对一大型中央空调室外轴流风机进 行了网格划分，采用了非结构化网格，网格生成采用有限体积法。对于有外罩的 情况，对有叶顶间隙的区域区进行了局部的网格加密，网格单元数约为1 3 0 万。 ( 2 ) 运用c f d 对风机内部流场模拟 由于风机内部叶轮相互啮合，结构复杂，很难对内部流动情况直接进行实验 研究，所以通常采用数值模拟的方法，分析和预测流场的内部规律。数值模拟是 通过数值计算和图像显示的方法研究工程技术中的各类问题。对于流体的数值计 算，一般先建立反映问题各未知量之间的微分方程及定解条件，然后寻求高效、 准确的计算方法，最后将计算数值通过图形显示。对于数学模型能准确反映问题 东华大学硕士学位论文 本质时，数值模拟具有较大的优越性，它耗时少、时间短、便于优化，同时易于 控制，有很好的重复性，可以重复模拟。 ( 3 ) 运用c f d 对风机噪声模拟 另外，计算流体力学软件f l u e n t 中增加了气动噪声模块，目前的研究主要集 中在气动噪声上，对风机噪声的数值预估做了有益尝试。 计算气动声学理论( c o m p u t a t i o n a la e r oa c 伽s t i c s ，简称c 从) h 。是在计 算流体力学( c f d ) 基础上逐步发展起来的，也可说是在c f d 领域剩下的大问题之 一，目前已做了部分工作。目前在c 从领域有多种方法在发展，但是都还不完善， 都有各自的优缺点。目前c 从研究的两个主要方面如下： 1 直接对n s 方程和l 遮h t h i l l 声学方程进行求解，这是c a a 的发展方向， 但是，由于所要求的计算机资源现阶段难以满足，太昂贵费时，所以正处于发展 阶段。 2 从c f d 数据出发，得出流场压力、密度、速度随时问的变化，再对数据 进行傅立叶变换，得出声学数据。这只能算是一种折衷方法，因为风机噪声能量 只占风机总能量的很小一部分，所以，c f d 计算的微小误差将引起噪声计算的 很大误差，流场计算的精确性要求很高。 现在基本上不能对n s 方程进行直接求解，都依赖于各种各样的简化应力模 型，比如k - e 模型、k ( - ) 模型，因此，为了尽量好地模拟流场压力随时间的波动 情况，可以采用非稳态l e s 大涡模拟，目前，这方面的研究开展得也比较多。 伍先俊j 等人利用有限元模型对叶轮模态进行了计算，判断分析了各阶模态 振型对气动噪声的影响程度，求解中利用了a n s y s 的模态循环对称功能，同时 分析了旋转软化、应力强化对叶轮真实运转状况下模态频率的影响。吴卫东p j 等人针对以进口节流调节方式进行风机噪声测试易引起测试数据失真这一问题， 采用c f d 方法利用a n s y s 对风机进口节流调节管段流场特性进行了数值模拟， 分析结构参数对风机噪声测试的影响，为进口管道结构参数的确定和改进提供了 依据p j 。f u 脚在最新版本6 3 中加入了气动噪声模块，但由于对其的开发尚处 于初步阶段，故极少被应用。 ( 4 ) 运用c f d 对风机结构参数进行优化 李晟p j 在初步设计的风机几何参数的基础上，通过改变影响风机效率的两个 主要因素：叶片的安装角和转速，利用f l u e n t 对不同参数的风机模型计算得到了 风机刁一口的分布数据，构造了，7 = f 位，疗) 的目标函数，通过优化方法寻找最佳 4 东华大学硕士学位论文 的设计参数。在优化过程中采用了三种方法： a ) 采用最小二乘法曲面拟合得到曲面，7 = f 位，刀) ，再求出，7 = ，7 k 时的口，疗 b ) 采用线性插值的方法，求玎= 时的口，刀。 c ) 采用复合形法，在给定的4 个约束条件下，求出矽= 时的口，刀。 通过改变多个剖面的安装角和转速，利用优化方法找出最大效率点，并得到 了各剖面下的最佳安装角和最佳转速。在给定相同条件下，运用f l u e n t 检验初步 设计与优化设计的风机模型的性能，初始设计的单级轴流风机在n = 9 7 5 r p m 下，q ：6 8 2 ，各剖面采用优化后的最佳安装角的单级轴流风机在n ：9 7 5 r p m 下，n 达到 7 0 6 ，比初步设计的风机效率提高了2 4 。 娄小军i 珥】等人针对某大型空调室外轴流风机系统采用双转子风机时存在的 体积大、风量不足和噪声大的缺陷，提出了采用单转子风机改进的措施，利用相 似理论和c f d 内流模拟方法，用f l u e n t 进行了内部流动的细节分析，并进行了性 能、噪声实验，结果显示在保证空调器能力不变的条件下，单转子风扇的使用使 得整机的体积缩小了2 5 左右，改进后的风扇系统，在同噪声( 6 0 d b ) 下风量增加 1 6 9 ；在同风量条件下，噪声减少了6 d b 。 1 3 本文的主要工作 国内目前对房间气流组织及两相流等的数值模拟很多，但针对流体机械的数 值模拟很少，且主要集中在离心风机，水泵等方面。另外对风机噪声的预估和控 制基本上限于经验公式和机械调节，并没有很好的与c f d 技术结合起来。本课题 针对以上的状况，拟对节能空调系统中使用较为广泛的喷雾轴流风机的结构优化 做出一些有价值的探索。主要工作可初步归纳如下： 1 根据风机尺寸参数，在f l u e n t 前处理软件g a 船i t 中完成建模和网格划分工 作； 2 确定计算域和边界条件，导入f l u e n t 软件，通过选定合适的物理模型和各 个控制参数，计算出喷雾轴流风机的内部气流场； 3 在计算出喷雾轴流风机单相流场的基础上，采用两相流中的混合模型，选 用压力一旋流雾化模型，加入喷嘴，导入适量的水，模拟喷雾轴流风机的两相流 场。并与气流场的模拟结果进行比对。 4 通过改变风机的输入参数，如：风量，叶轮转速，支架旋转角度等进行流 场计算，绘制出模拟图，比较并预测各个参数的改变对风机性能的影响； 5 利用f l i 删盯软件中的气动噪声模块对轴流风机噪声进行预估，并结合性 5 东华大学硕士学位论文 能及几何参数，对风机进行优化，从而使风机能在噪声增加量最小的情况下效率 达到最高。 6 采用三次样条差值方法对计算结果进行优化分析，最终得到最佳工况点， 实现对风机的优化设计。 1 4 本文的难点和创新点 由于目前对风机等旋转机械的c f d 模拟还处于起步阶段，故本文还存在不少 难点。 ( 1 ) 风机的几何建模和网格划分。在风机的几何建模过程中，由于风机叶 片结构的复杂性，拟采用三维非结构化网格，相对于结构化网格，非结构化网格 局部加密比较容易，对不规则空间适应能力较强，易于显示流场的细微结构，但 计算过程比较复杂，对网格的质量要求也比较高，要经过反复的调试和比较，才 能获得适合于所计算的具体问题的网格，网格过疏往往会得到不精确甚至完伞错 误的解，在一定情况下使计算结果不收敛；而网格过密则会使计算量大幅度增加， 不仅对计算机的硬件要求较高，而且增加了计算时间。此处工作量相对较大，难 度也较高。 ( 2 ) 对两相流的雾化模型进行尝试。本文创新性的将喷雾轴流风机的雾化 装置简化成喷嘴，采用压力一旋流雾化模型，计算气液两相流的内部流场，是对 于风机方面两相流的尝试。但运用f l u e n t 对风机的两相流模拟还处于初级阶 段，对于雾化模型的选取还没有成熟的规定，各种雾化模型的优劣和适应条件还 有待进一步试验证明。 ( 3 ) 采用迸场和远场多点测试噪声。f l u e n t 在最新版本6 3 中的气动噪声模 块对噪声的模拟时，噪声接收点可以选择近场和远场的多点测试，较传统的固定 检测点更具科学性且操作方便。本文拟将气动噪声模块应用到喷雾轴流风机的噪 声计算中去，希望能为喷雾轴流风机建立一套较为完善的设计和优化程序，在提 高其经济性的同时为轴流风机的节能和降噪提供捷径。 6 东华大学硕士学位论文 第二章喷雾轴流风机内部流场数值模拟基本理论 本论文的主要研究目的是通过模拟喷雾轴流风机的内部流场( 气相场和两相 流场) ，分析各变化参量对其全压效率的影响，通过优化叶片的结构参数，达到 节能高效降低噪声的目的。喷雾轴流风机内的气体流速比较低，在以恒定角速度 旋转的叶轮中，当选用与叶轮一起旋转的非惯性坐标系来描述相对运动时，我们 认为喷雾轴流风机的内部流场连续相的流动为不可压缩、三维定常湍流流动。本 章主要介绍了喷雾轴流风机流场特性、控制方程、两相流动模型及本章选用的混 合模型的控制方程、以及f l u e n t 软件的介绍等。 2 1 喷雾轴流风机流场特性分析 喷雾轴流风机的特性曲线具有一般轴流风机的特性，可表示为在既定的转速 下，风压p ，效率t l ，与流量q 之间的关系。喷雾轴流风机是按照最佳工况点设计 的，当风机处于小流量情况下运转时，风机将表现为非稳定状态。此时，风道内 部气流的流动情况趋于复杂化。图2 1 为轴流风机典型特性曲线【1 0 】i l l l 。 p o 为了便于分析， ( d ) 四种流型。 o 图2 1 轴流风机典型特性曲线 可将曲线分成4 个区域，分别对应于( a ) ，( b ) ，( c ) ， 垂避璺盟 强) “) 图2 2 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 所对应的四种流型 7 东华大学硕士学位论文 ( 1 ) 当风机在正常流量下运转时，其工作范围在最佳工况点附近。由图2 2 中a 区域可以看出，在这个区域内风道内的气流平稳，方向一致，气流所到之 处摩擦阻力较小，风机的效率相对较高。 ( 2 ) 当流量减少时，可以观察到，在风机叶片顶部的进口端最先出现逆流。 进口端漩涡的产生，使得流入风道的气流挤向叶轮顶部，导致轴向速度增大。见 图2 2 中b 区域。 ( 3 ) 随着流量的迸一步减少，叶片进口侧的漩涡区继续扩大到风道壁附近， 此时叶片问流道内的气体离心力和径向压力已经不能维持平衡，气流不再沿着轴 线方向流动，而是沿着倾斜方向流动。叶片根部附近的轴向速度开始减少，并开 始出现逆流。见图2 2 中c 区域。 ( 4 ) 当流量进一步减少时，叶片进口端涡流区迅速扩大，气流在离心力作用 下，沿径向流向风道壁。叶片出口侧根部发生失速，导致逆流区扩大。此时，随 着轴向速度的减少，出口绝对速度旋绕增加，使得压力重新上升。见图2 2 中d 区域所示。 喷雾轴流风机在小流量区域出现凹部特性属于不稳定工况。凹部的有无，与 叶栅设计所取的参数有关。但仅以设计参数来判断是不完全可靠的。有关实验研 究表明，在压力系数芦在0 1 以下时，曲线不出现凹部；f 0 1 时，开始有凹部； 乒 o 2 5 时皆有凹部；乒= o 1 0 2 5 时，设计流量系数越大，越容易出现凹部。 目前，我们对于喷雾轴流风机的特性曲线的了解还不是太深入，更多更细节 的研究还要借助于现在高速发展的c f d 流体力学应用软件。 2 2 微分控制方程 喷雾轴流风机内部流动为湍流粘性流动，遵循质量守恒及动量守恒定律，满 足质量连续性方程和粘性流体运动方程。c f d 分析选用f l u e n t 软件提供的压力 修正方法进行求解，在计算时假设： ( 1 ) 忽略空气密度变化，认为流体不可压缩； ( 2 ) 假设流动中无热量交换。 2 2 1 通用控制方程 流动运动所遵循的规律是由物理学三大守恒定律规定的，即质量守恒定律 ( 物质不灭定律) ，动量守恒定律( 牛顿第二运动定律) 和能量守恒定律( 热力学第 一定律) 。这三大物理定律对粘性流体运动的数学描写就是粘性流体动力学基本 8 东华大学硕士学位论文 方程，相应的方程在直接坐标系中可表示如下【1 2 l ： ( 1 ) 质量守恒方程( 连续性方程) 根据质量守恒的概念，在充满运动流体的空间中，对任取的一个控制封闭曲 面，在单位时间内经曲面流入和流出的流体质量的总和应等于在同一时间内，该 封闭面内流体质量的变化。由此可以推导直角坐标下微分形式的连续方程式： 连续方程：粤+ 譬+ 挈+ 笔竺= o ( 2 1 ) 戗饼 a 2 ( 2 ) 砌重刀程 由运动流体的动量守恒方程可推导出流体的动量方程，该定律可表述为：微 元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该 定律实际上是牛顿第二定律。 笔掣+ 亟掣+ 煎算+ 煎望：昙( r 芒) + 晏( r 罢) + 兰( r 譬) + s a西勿勿缸、魂却、勿7 如、出7 ( 2 2 ) 对于u ，v ，w 的广义扩散系数r 为：r = = + 肛 源项s u 方向：s 一妻+ 昙( 塞) + 品( 塞) + 善( 尝)磷出“呶“出晓“浅 v 方向：s 一参+ 昙e 吻参，+ 号c 萝+ 丢c 考， w 方向：s = 一塞+ 丢c 吻暑，+ 导弛够塞，+ 鲁c 物参 ( 3 )能量守恒方程 能量守恒方程是指微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上 体力与面力对微元体所做的功。该定律实际是热力学第一定律。 笔掣+ 垫磐+ 亟望+ 亟掣：昙( r 娑) + 晏( r 譬) + 兰( r 娑) + s 西西咖庞缸、彘勿、咖七、七7 对于 温度t 的广义扩散系数r 为r 2 孝+ 等 ( 2 3 ) 东华大学硕士学位论文 源项s 按实际问题而定。 这三个公式中，p 是密度；，是时间；、 ，、w 分别是x 、少、z 方向上的 速度矢量；矽在这三个公式中分别为1 、“。( 甜、，、w ) 、t 等变量：是空气动 力粘度；p 是流体微元上的压力；办是湍流p r a n d t l 数。 2 2 2 湍流模型 根据b o u s s i n e s q 假设，湍流脉动所造成的附加应力与层流运动应力一样，可 以同时均的应变率关联。湍流脉动所造成的应力可表示为1 3 l ： 一丽屯卜p 仇【鲁+ 善b 舻 ( 2 - 4 ) 其中仇称为湍流粘性系数，是空间举标的函数，取决于流动状态而不是物性参数。 p ，是脉动速度所造成的压力，p ，= 昙p 仁哩+ v 2 + w 2j = 手肚 ( 2 5 ) 其中七是单位质量流体湍流脉动动能：七= 妄0 2 + v 哩+ w 2j ( 2 6 ) 所谓湍流模型就是把湍流的脉动值附加项与时均值联系起来的一些特定关 系式。引入b 0 u s s i n e s q 假设后，湍流模型就是把仇与湍流时均参数联系起来的关 系式。依据确定仉的微分的微分方程数目多少，有零方程模型、一方程模型、二 方程模型等。标准后一占模型是典型的两方程模型，是在一方程模型的基础上， 新引入一个关于湍流耗散率g 的方程后形成的。应用最广泛的二方程模型是 七一g 模型，由于各向同性，它适合于较大雷诺数、低旋、弱浮力流动，而对强 旋流、浮力流和近壁流等明碌各向非同性的流动就不适用。同时，标准七一占模 型的耗散性过强，为此出现许多修正的七一占模型1 1 4 l ，在各通用软件中都收录， 例如f u 压n t 中针对旋流的r e a l i z a b l e 七一占子模型。但在一般应用中，其差别不 大明显。由于j | 一占模型不适于近壁流动，在计算中经常用壁面函数模拟近壁流 态，在通用软件中都配置了壁面函数”1 。由于风机内流的非定常性，本次计算 采用的湍流模型就是后一g 二方程模型中的r 鼹l i z a b l e 七一s 子模型。对于涉及到旋 转、逆压梯度下的边界层、分离流、二次流及回流的问题，使用r e a l i z a b l e 后一g 子 模型能得到较好的计算结果。在r e a l i z a b l e j | 一g 模型中关于后和g 的输运方程如 下1 1 6 】： l o 东华大学硕士学位论文 掣+ 掣：昙胁兰 婺l + q 一声 ( 2 _ 7 ) a 魂 呜i - l吒钙j 。 。 掣+ 掣= 毒陋+ 割考| + 躬眈一鹏忐c 2 删 西 鸥 鸭il钙l 。1 。2 后+ 垤 、。 其中， 吼2 1 o ，吒= 1 2 ，c 2 2 1 9 ( 2 8 ) 式中，坼和巴按下式计算： 。j | 2 。肌。一 s q 2 不南丽 鼽吩= 1 ( 廊) 一器， 乞= 牾+ 封矿= ，= 乌一2 q ，乌= q 鲈一q 这里的q 是从角速度为吼的参考系中观察到的时均转动速度张量，显然对 无旋转的流场，上式中矿计算式中的第二项为零，这一项是专门以表示旋转的 影响的。 2 2 3 两相流动模型 喷雾轴流风机内部气相与水雾问的相互作用是一种称为稀疏相的两相流动 问题，即水雾这一弥散相在整个空间所占的体积份额较小。针对这一特点本节所 介绍的两相流动模型均适用于稀疏两相流流动问题。通常研究稀疏相两相流动问 卫生占必划 悭糊 o 匹 一， 坦 盟 彻 强“虱 东华大学硕士学位论文 题有两类基本上不同的观点：一类是只把流体作为连续介质而把颗粒群作为离散 体系探讨颗粒动力学颗粒轨道等；另一类是除把流体作为连续介质外还把颗粒群 当作拟连续介质或拟流体设其在窄间中有连续的速度和温度分布及等价的输运 性质粘性扩散导热等。这两种不同的观点就引入了两种不同的方程描述方法，即 拉格朗日描述与欧拉描述。这里先介绍一下这两种描述方法，在此基础上讨论基 本的两相流雾化模型1 1 7 1 们。 ( 1 ) v o f 模型 v o f 模型通过单独的动量方程和处理穿过区域的每一种流体体积分数 ( v o l u 鹏f r a c t i o n ) 来模拟两种或三种不能混合的流体，适用于分层的或自由 表面流，典型的应用有射流( j e tb r e a k u p ) 、流体中大泡的运动( t h e t i o no f 1 a r g eb u b b l e si nl i q u i d ) 、气液界面的稳态和瞬态处理( t h es t e a d yo r t r a n s i e n tt r a c k i n go fa n yl i q u i d g a si n t e r f a c e ) ( 2 ) 混合模型 混合模型是一种简化的多相流模型，它用于模拟各相有不同速度的多相流， 但假定了在短空间尺度上的局部平衡。相与相之间的耦合性较强，也可用于具有 强烈耦合的各相同性多相流和各相以相同速度运动的多相流，典型的应用有：颗 粒沉降、旋风分离器以及气相容积率较低的泡状流等，另外，在很多情况下，还 可以作为欧拉模型的替代。 ( 3 ) 欧拉模型 欧拉模型可以模拟多相分离流及相间的相互作用，相可以是液体、气体、 固体几乎任意相的联合，相比之下对离散相的处理更好一些。但是采用欧拉模型， 第二相的数量将受计算机内存要求和收敛行为的限制，尤其对于复杂的多相流， 这种局限更加明显。 根据以上描述的各多相流模型，本文采用应用范围较广的混合模型。下面 具体讨论一下混合模型的控制方程。 2 2 4 混合模型的控制方程乜啊 l 、混合模型的连续性方程 昙( 成) + v ( 成_ ) = 而 ( 2 - 9 ) 其中，巧是质量平均速度： 巧= 晶警 1 2 东华大学硕士学位论文 以是混合密度： 成= 瓯级这里为第k 相的体积分数。 2 、混合模型的动量方程 混合模型的动量方程是通过对所有相的动量方程求和来获得。 昙( 成瓦) = 一跏船 心( v 巧+ v _ r ) 卜雨丹( 喜砌砒) ( 2 - 1 。) n 一一相数；万一一体积力；以一一混合粘性系数 1 弘m2 乙q k 纵 ；办，t 是第二相的漂移速度： ；矾七= 瓦一巧 3 、混合模型的能量方程 混合模型的能量方程采用如下形式： 昙喜( 成巨) w 。( 喜瓦( 级巨+ p ) = v 。( v 丁) + 品 ( 2 - t ) 其中，是有效传导率，& 包含了所有体积热源。 对于可压缩相：巨= 噍一旦+ 等，对于不可压缩相：e = 忽 p k j z 4 、相对( 滑移) 速度和漂移速度 相对速度是指第二相( p ) 的速度相对于主相( q ) 速度的大小， ；凹= 巧一巧 ( 2 一1 2 ) 漂移速度和相对速度的关系如下式：；矾，：；卯一窆盟；驴 ( 2 1 3 ) 篙n f i j 踟中的混合模型使用了代数滑移公式。代数滑移混合模型的基本假设是规 定相对速度的代数关系，相之问的局部平衡应在短的空间长度标尺上达到，相对 速度的形式有以下给出：；鲫= 鱼羔云兰竽云 c 2 一4 ， 这里吃是第二相p 的粒子直径，夏是第二相的粒子加速度，曳力函数缸的大 1 3 东华大学硕士学位论文 小取决于下式：= 1 + o 1 5 l 沁0 6 霄 r e 1 0 0 0 缸= o 0 1 8 3 r e r e l o o o 加速度磊的表达式为： 云= ；一( 巧v ) 巧一等 5 、第二相的体积分数方程 鲁( 岛) + v 木( 口，岛瓦) = 一v 枣( a p 砟；如) 2 2 5 雾化模型一一压力旋流雾化模型乜1 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) f l u e n t 模拟软件提供了平口喷嘴雾化、压力一旋流雾化、靶式雾化、气体 辅助雾化、气泡雾化等五种雾化模型，根据喷雾轴流风机的特点，本文选用了压 力一旋流雾化模型作为本文两相流的计算模型，下面重点描述一下该模型的液泡 形成过程和雾化机理。 压力一旋流雾化模型又称为单相喷嘴，在喷雾轴流风机中，其雾化装置中的 挡水板相当于旋流片，当流体通过旋流片的加速后，进入中心旋流室，旋转的液 体被挤压到固壁，在流体中心形成空气柱，然后液体以不稳定的薄膜状态从喷口 喷出，破碎成丝状物或液滴。液体从内部流到完全雾化的过程可分为三个步骤： 液膜的形成、液膜破碎及雾滴形成，见图2 3 。目前，空气与液膜间的相互作用 机制还不清楚，一般认为，动力学的不稳定状态导致液膜的破碎下述的数学分析 假定k e l v i n h e l m h o l t z 波在液膜上形成，并最终导致液膜破碎，形成线状碎片， 然后假定线状碎片由于表面张力不稳定机制而破碎成液滴。一旦液滴形成，喷雾 状态就由曳力、颗粒碰撞、合并、二次破碎决定。压力一旋流雾化要受到周围气 体、液体粘度以及液膜破碎时表面张力的影响。在计算气一液相对速度时，忽略 了气相速度，这样可以得到更精确、鲁棒性更好的计算式。这样，我们就避免了 在计算液滴物理量的时侯，必须首先得到周围气相的速度。此模型假定二维、有 粘、厚度为2 五的不可压液膜以速度穿过静止、无粘不可压气体介质。液体与气 体的密度分别为岛、成，液体粘度为朋。 1 4 东华大学硕士学位论文 水 液膜形成 图2 3 喷雾轴流风机存水套中内部液体从内部流到完全雾化过程的示意图 2 3 基本算法和离散格式 一s 方程组的求解模块是c f d 软件的核心部分。一s 方程组对于不可压缩 流体与可压缩流体的流动所表现的不同性质导致解法上的差别。对于低速不可压 流动，如不考虑温差引起的浮力效应，连续方程与动量方程便可构成封闭方程组， 由一定的压力分布通过动量方程即可解得速度场，但速度场必须满足连续方程的 约束，而连续方程与压力却没有直接关系，从而导致求解的困难针对这一问题 出现了多种解法，如人工可压缩性方法、压力修正法与时间分裂法等。 在上述各种方法中，目前求解不可压缩流动应用最广泛的一种方法是压力修 正法。压力修正法为了防止锯齿形压力分布要求使用交错网格( m a c 网格) ，这就 增加了插值计算工作量，也需要更大的存储容量。近几年来由于使用贴体网格， 发展了非交错网格