基于fluen的离心风机叶轮参数优化设计

基于fluen的离心风机叶轮参数优化设计

该装置作为重要的发电装置，其能耗约占采用装置能耗的1.5%3%，占车间能耗的25%30%。目前,离心式风机在我国300MW以下机组中应用广泛,因此研究和改造离心式风机,对火电厂的节能增效具有重要意义。离心风机内部具有复杂的三维粘性湍流,可利用数值模拟了解离心风机内部流场。目前,CFD数值模拟软件已非常成熟,可用来模拟风机流场,对风机进行优化和改造。1g4-73no。8d流值模拟1.1模型网格划分应用GAMBIT软件对风机(图1)按实际尺寸建立几何模型并划分网格。风机叶片数Z为12片,叶片出口安装角β2y∞为45°。模型网格划分采用分块网格技术,并在关键区域和流场梯度较大的区域布置较密的网格,而梯度较小的区域布置稀疏网格以减少计算量和计算成本。将风机模型分为集流器(22688个网格)、叶轮(1152247个网格)和蜗壳(859263个网格)3个流动区域,网格总数为2034198个。1.2基本控制方程采用Realizablek-ε湍流模型求解N-S方程,速度-压力耦合采用SMPLE算法,采用二阶迎风格式离散控制方程中的变量和粘性参数,近壁面区采用标准壁面函数。气流入口采用速度入口,气流出口采用流出口。入口湍动能和湍流耗散率均依据经验公式计算确定。蜗壳内壁及叶轮壁面粗糙度取0.5nm,计算中忽略重力对流场的影响。1.3试验结果验证在实验室进行风机性能试验,选取12个不同流量进行测量,数值模拟时所采用的入口流速也分别由这12个试验值换算得到。试验操作过程严格遵循相关标准。将数值模拟得到的风机全压-流量性能曲线及效率-流量性能曲线与试验结果进行对比(图2),以验证数值模拟的准确性。图2中A点所示为设计工况点。由图2可见,试验与模拟得到的风机全压平均误差小于3%,在设计工况下效率误差小于2.3%。2离心风扇叶片的参数优化2.1风机最佳叶片数影响风机性能的诸多因素之间相互耦合,本文以效率η最大化为目标,以Z和β2y∞为变量,构建优化数学模型:Maxf(x,y)S.t11<x<14(1)[LM]43<y<48Μaxf(x,y)S.t11<x<14(1)[LΜ]43<y<48其中,f(x,y)为目标函数风机效率η;x代表Z;y代表β2y∞。根据埃克风机理论,离心风机的最佳叶片数由试验来确定,但实际设计时往往是根据经验公式计算得到,因此最佳叶片数不准确。在优化模型中将叶片数限定在经验公式计算值附近的11～14片范围内,将叶片出口安装角范围限定在经验公式计算值附近的43°～48°范围内。2.2叶轮参数的确定已知曲面f(x,y)在矩形域内n×m个网格点(xi,yj)上的函数值zij,用最小二乘法寻求曲面:f(x,y)=∑i=0n−1∑j=0m−1aijxiyj(2)f(x,y)=∑i=0n-1∑j=0m-1aijxiyj(2)的逼近系数矩阵{aij}f(x,y),它使得f(x,y)在网格点上的差值的平方和在权系数{ω(xs,yt)}f(x,y)下达到最小。得到关于{aij}的N×M阶代数方程组:∑s=0n−1∑t=0m−1ω(xs,yt)[f(xs,yt)−∑i=0N−1∑j=0M−1aijxisyjt]×xisyjt=0(3)∑s=0n-1∑t=0m-1ω(xs,yt)[f(xs,yt)-∑i=0Ν-1∑j=0Μ-1aijxsiytj]×xsiytj=0(3)其中,n-1≥s≥0,m-1≥t≥0。利用MATLAB软件,通过编程求解这个N×M阶代数方程组,得到效率η对于Z和β2y∞的拟合曲面表达式,并利用搜寻法求出曲面极值点所对应的Z和β2y∞。为保证精度,采用4×4高阶进行曲面拟合。数值模拟获得的不同叶轮参数下离心风机效率值见表1。得到的优化结果:Z为14片,β2y∞为44.5°。2.3风机内部流场分布利用FLUENT软件对叶轮参数优化后的风机进行数值模拟,并与优化前的风机内部流场和性能曲线进行对比。优化前、后蜗壳流道不同截面处的流线如图3所示。由图3可见,气体流出叶轮出口后,由于蜗壳的扩压作用,在叶轮前盖板、蜗壳、集流器之间形成了大尺度的二次流漩涡。由图3(a)、(b)可知,随着蜗壳容积的增大,在蜗壳周向不同截面上,二次流漩涡的尺度、强度和中心位置均发生改变,并呈螺旋状推进直至风机出口。从叶轮参数优化前、后相比可知,蜗壳流道内的二次流漩涡强度降低,流场分布趋于均匀,减小了漩涡造成的能量损失。由图3(a)、(c)可见,优化前在蜗壳流道00截面上,漩涡中心靠近叶轮出口,阻塞叶轮靠近前盘局部出口,导致出口气流向蜗壳前盘侧偏移,并且由于漩涡低能气流的掺混,造成能量损失;优化后,漩涡强度降低,并且漩涡中心移向远离叶轮出口的蜗壳后盘侧,减小了叶轮局部出口阻塞和低能气流掺混造成的能量损失。由图3(b)、(d)可见,优化前在蜗壳流道180°截面中心存在一个大尺度的漩涡,同时在蜗壳前盘靠近防涡圈的位置存在一个较小的漩涡,小漩涡造成的能量损失虽低于大漩涡,但由于它与大漩涡相互作用,造成的能量损失也是不容忽视的;优化后,大、小漩涡强度降低的同时,小漩涡体积减小到优化前的1/2,减少了漩涡相互作用造成的能量损失。图4为优化前、后蜗壳中截面处的总压、动压分布。由图4(a)可见,原风机在120°区域(图2中A处)存在一个总压相对较低的低能区域,并且直延至风机出口,这是由于蜗壳扩压作用沿流动方向呈螺旋状推进的二次流漩涡造成的。由图4(c)可见,风机叶轮参数优化后整机全压明显提高,由于Z由12片增加为14片,使叶轮工作面积增大,从而增加叶轮做功能力。另外,优化时将β2y∞减小了0.5°,虽然导致风机全压有所降低,但是合理的β2y∞改善了风机内部流场,使得原先存在于120°区域处的低能区域消失,蜗壳内的能量损失减小,令优化后风机内部流场总压分布更为均匀,弥补了β2y∞减小带来的损失。由图4(a)、(b)可见,在风机蜗舌处压力梯度很大,在蜗舌上游壁面和风机出口靠近蜗舌处存在2处明显的低能流体区域。这是由于蜗舌通道急剧缩小使蜗舌附近的气流分离为2部分:一部分高速气流流向蜗舌上游,与靠近蜗舌的叶轮出口流出的主气流掺混,使主气流方向发生偏移,造成蜗舌上游壁面处的能量损失;另一部分低速气流流向蜗舌下游,由于风机出口气流速度梯度较大,导致出口靠近蜗舌处低能流体堆积,阻塞部分出口。由图4(c)、(d)可见,风机β2y∞的优化改善了风机内部流场,蜗舌上游壁面和出口靠近蜗舌处的总压明显增高,低能流体区域减小。图5为优化前、后叶轮流道的总压、动压分布。由图5(a)、(c)可见,优化前叶轮流道内总压沿圆周方向均匀增长,在叶片吸力面前缘部分存在一个低压区域,证明叶片存在正冲角,导致叶片吸力面产生涡流,形成低能量区。优化后流道内总压总体升高,且分布比优化前更均匀。另外,叶片吸力面前缘部分存在的低压区域面积减小、压力升高,这是因为优化时β2y∞减小了0.5°,正冲角也随之减小,从而减小了叶片吸力面的涡流损失。由图5(b)、(d)可见,优化前在流道中间侧动压等值线呈“凸”型向压力面侧偏移,这是由于叶轮流道两侧压力面与吸力面处流体速度不同,导致了流道内动压分布不均,在流道出口形成了尾流-射流结构。优化后叶片吸力面上的动压显著提高,这是因为叶片数增加,使叶轮流道长度增大、宽度减小,延长了叶片对气流的做功时间。同时,流道宽度减小也降低了压力面与吸力面的动压差,使单个流道内动压分布更为均匀,有效降低了尾流-射流所造成的能量损失。图6为离心风机叶轮参数优化前、后性能对比。由图6可见,优化后风机性能整体提高,特别是在设计工况附近,风机全压有大幅度提高。优化后风机全流量范围内全压、效率均有所提高,全压平均提高3.6%,效率平均提高1.4%。在设计流量下全压为1912Pa、效率为77.3%,分别比优化前的1844Pa、76.8%提高了3.7%和0.5%,达到了优化目的。3离心风机内部流场模拟优化本文以G4-73No.8D型离心式通风机为研究对象,利用FLUENT软件进行数值模拟,获得了叶轮不同参数下的风机性能参数,并采用最小二乘法对离心风机叶轮参数进行优化的结果表明:(1)数值模拟可以准确地预测离心风机性能、显示风机内部流场,对研究离心风机内部损失机理、优化叶轮设计、风机改造等,具有重要的指导意义。(2)