多翼离心通风机内部流场数值模拟

1、多翼离心通风机内部流场数值模拟 韩非非 赵 旭 席德科/ 西北工业大学摘要：运用计算流体力学软件Fluent对多翼离心通风机进行了全三维的内部流场数值模拟。计算采用了SIMPLEC算法和标准的k湍流模型，并对数值模拟的结果进行了分析。计算结果与试验结果的对比表明数值模拟具有较好的准确性和可信度，同时，数值模拟结果有助于了解多翼离心通风机内部流动规律，可为多翼离心通风机的改进设计提供参考。关键词：多翼离心通风机；内部流场；数值模拟中图分类号：TH43 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2008）03-0013-04Numerical Simulation of Internal Flo

2、w Field in Multi-blade Centrifugal FansAbstract: The software of CFD Fluent is applied in 3-D numerical simulation of internal flow field in multi-blade fans. The method of SIMPLEC and standard k-e turbulent model are applied in the computation and the numerical simulation results are analyzed. The

3、comparison between numerical simulation results and experimental results demonstrates the better accuracy and reliability of the numerical simulation. In the meantime, the numerical simulation results are very useful for understanding the internal flow pattern in multi-blade centrifugal fans. Beside

4、s, it can also give references for improving design of multi-blade centrifugal fans.Key words: multi-blade centrifugal fan; internal flow field; numerical simulation0 引言近年来，随着计算机软硬件水平和计算流体力学（CFD）技术的飞速发展，更多的湍流模型和计算方法应用于风机内部的三维流动计算中，使人们对风机内部流场有了更深入地了解；而大型商用CFD软件的出现给风机的数值模拟又带来了更大的便利，使用该软件对风机内部流场进行全三维的数

5、值模拟，其结果更加真实可信。_收稿日期：2007-10-23 西安市 710072多翼离心通风机以其体积小、结构紧凑和低噪声等优点在国民经济的各个领域都有着广泛的应用，并在很多特殊使用场合下被公认为是一种最理想的风源设备。为此，本文针对某型吸油烟机（吸油烟机的主体部件就是多翼离心通风机）采用Fluent软件进行全三维的数值模拟，并对模拟计算结果与试验结果进行了对比，吻合较好，同时对流场进行了分析。1 数值模拟1.1 几何建模和网格划分采用Fluent软件的前处理软件Gambit进行几何建模和网格划分。吸油烟机主要由多翼离心叶轮、蜗壳和机壳组成，由于蜗壳的不对称性，不能通过定义周期性边界条件实施

6、单通道流域计算，应取整机作为计算对象1，同时考虑到吸油烟机结构的复杂性以及烟机各个部件尺寸的不同，因此将整个计算域分成4个互相连接的流体区域：机壳区域（机壳和蜗壳之间的流道）、叶轮进口区域（进风圈与叶轮之间的流道）、叶轮区域（60个前向的单圆弧非扭曲叶片之间的流道）和蜗壳区域（叶轮和蜗壳之间的流道）。对以上4个流体区域的连接面，有两种处理方法：一种方法是将连接面定义为内边界(interior)，此时就要在几何建模阶段使这个面相邻的两个区域共用这个面；另一种方法是将连接面定义为交界面(interface)，此时在几何建模阶段，对这个面相邻的两个区域分别定义一个面，而这两个面的几何位置和形状是相同

7、的，但拥有不同的名称和标记，并可采用不同的网格类型。采用第一种方法，在计算中不需要进行任何处理；若采用第二种方法，则在计算中需要通过Fluent中的Define/Grid interface来实现这两个面的数据交换2。划分网格时，根据各个流体区域的大小采用不同类型、不同大小的网格（非结构化的三棱体和四面体网格），整个计算域一共划分了约70万个网格，如图1所示。图1 网格划分1.2 计算参数设定及边界处理考虑到所计算的烟机进出口温度变化不大，同时流速也不高，因此把流动区域的介质看作不可压缩气体，采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合问题。多翼离心通风机的内部流态是湍流，在计算中采用标准的k-

8、湍流模型，对近壁面区域采用壁面函数法进行处理。也有文献模拟离心通风机内部流场时用的湍流模型是RNG k-模型1和realizable k-模型3。进出、口边界条件均选定为压力边界条件，固壁边界满足无滑移条件。另外，由于多翼离心通风机是旋转机械，其中叶轮区域是旋转的，而其它部分是静止的，因此在计算中要采用多重参照系，叶轮区域作为独立的区域定义为旋转参照系，其它流动区域均为静止的。2 数值结果与试验结果对比分析计算中在采用标准k-湍流模型的同时，也分别采用RNG k-模型和realizable k-模型进行了计算，并把计算所得的风机的最大流量和截止风压（简称风压）与试验测量的数值进行了对比，见表1

9、。表1 数值结果与试验结果对比流量/(m3/min)风压/Pa标准k-模型15.47256RNG k-模型15.53260realizable k-模型15.51259试 验14.83252从表1中看出，采用的3种k-湍流模型所得到的结果极为接近，并且与试验结果也比较吻合，这说明数值模拟的结果是合理的，计算方法是可靠的，同时也说明这3种k-模型在计算风机内部流场的结果是可信的。从表1中同样看出，数值结果比试验测量结果偏大，这主要是由于在建模阶段对烟机的部分区域进行了简化处理，导致摩擦损失、轮阻损失和泄漏损失比试验测量结果偏小的缘故4,5。3 流场分析图2是风机的整机流线图，从图中可看出，风机内

10、部的流场非常复杂，尤其是在风机叶轮的进口处。气流从进气口进入机壳后，大部分直接进入到旋转的叶轮中得到加速，而其余的部分则通过蜗壳和机壳之间的区域流入叶轮中，从而在叶轮上方形成了两个漩涡，这些漩涡的存在不仅影响了风机的气动性能（如流量、压力等），而且会带来一些噪声的增加，因此风机进气条件的好坏对这些漩涡的产生发展有着直接的影响，从而影响着风机的性能。图2 风机整机流线图图3和图4给出了风机叶轮截面的压力分布，从图中看出，在靠近蜗壳出口处的叶轮通道内的压力分布与其它部分的叶轮通道内的压力分布的明显不同。从总压分布图上来看，越靠近叶轮外缘的地方压力越高。图3 风机叶轮截面静压分布（Pa）图4 风机叶

11、轮截面总压分布（Pa）图5 风机叶轮截面速度分布云图（m/s）图6 风机叶轮截面速度矢量分布图（m/s）图5和图6给出了风机叶轮截面的速度分布。就整个叶轮的速度分布情况来看，它与总压的分布十分类似，也说明了在靠近风机蜗壳出口处的叶轮通道与其它叶轮通道速度分布的明显不同。速度和压力在各个叶轮通道分布的不同也正好说明了在计算时，不能采用通过定义周期性边界条件实施的单通道流域计算的方法，而要进行整机的计算。从速度分布中同样可以看出，气流在叶轮外缘处的速度比较大，而且气流在蜗壳内的速度分布，除了在靠近蜗壳出口处分布明显不均外，其余部分的分布情况差别不是很明显。图7 叶轮通道内部速度分布（m/s）图8

12、增大角度后的速度分布（m/s）图9 减小角度后的速度分布（m/s）图10 风机蜗舌处的流动（m/s）图7（图中速度矢量之间的空白区域为叶片所在的位置）给出了叶轮通道内部的速度分布，从分布图中可看出，气流在叶片进口处和轮缘处的流动非常复杂，有漩涡的存在。因此，叶轮叶片进出口角度选定的好坏对叶轮的气动性能乃至风机的性能有着很大的影响。就多翼离心通风机的叶轮来说，图8和图9分别给出了叶轮进口角度增大5°和减小5°时，叶轮通道内部的速度分布情况。从分布图上看出，角度改变前后，叶轮通道的内部流动并无明显改善；从流量上来看，角度增大5°时流量为15.53m3/min，角度减小

13、5°时流量为15.42m3/min，与原型相比，效果甚微。经过反复的计算分析，并鉴于本风机叶片进口角较小的可调范围，可知通过调节叶片进口角来有效地提高此风机的性能是很难实现的。图10给出了风机蜗舌区域的流动情况。从图上可看出在这一区域，一部分流体直接流向出口，而另外一部分则随着叶轮的旋转重新流入蜗壳中，从而在蜗舌附近产生漩涡，进而影响风机的性能。4 结论应用计算流体动力学的方法对多翼离心通风机进行三维的内部流场数值模拟，从流场图来看，风机的内部流动非常复杂。试验结果与数值模拟结果的对比分析验证了数值模拟较好的准确性和可信度，从而在实际工程中，可用数值模拟来代替部分试验，以达到缩短周期、节省开发费用的目的。通过数值模拟同时可以获得风机内部速度和压力等参数的分布情况，有助于了解风机内部流动规律，为风机的改进设计提供参考。此外，此方法还可以用来检验现有风机的性能，判别其是否能够达到设计指标。参 考 文 献1