基于数值模拟的对旋风机功率匹配研究
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王 涛 陈庆光 张永超 张永健
（ 山东科技大学 机 电工程系， 泰安 ２ １０ ） ７０ ０
Ｓｔ ｄ ｎ ｐ ｗｅ ｔ ｈ ｆ ｏｎ ｒ － ｏ ａ ｉｇ ｆ ｎ ｂ ｓ ｄ ｏ ｕ ｕ ｙｏ ｏ ｒ ｍａ ｃ ａ ｃ ｔａ ｒ ｔ ｔ ａ ａ ｅ ｎ ｎ ｍｅｒ ａ ｉ ｌｔ ｎ ｏｒ ｎ ｉ ｌ ｍｕ ａ ｉ ｃ ｓ ｏ ＷＡ Ｇ Ｔ ｏＣ Ｎ Ｑ ｎ － ｕｎ ，Ｈ Ｎ ｏ ｇ ｃ ａ ，Ｎ Ｎ ｏ ｇｊ ｎ Ｎ ａ ，ＨＥ ｉｇ ｇ ａ ｇＺ Ａ Ｇ Ｙ ｎ— ｈ ｏＺ Ａ Ｇ Ｙ ｎ －ｉ ａ
成本高， 周期长 。 再就是在设计 中过多地依赖于经验 ， 致使产品整 体． 陛能不高， 特别是 由于两级叶轮功率分配不合理引起 的叶片断
裂、 烧毁 电机等事故 ， 严重影响安全生产。
设计安装角 卢
分别 为 ４ ． 。 ２ ． 。 流不可压缩流动， ６ １和 ８ ５ 。气 ６ ６
计算中忽略重力对流场的影响。 考虑到前后两级 叶轮与相邻静止 部件之间的相互影响， 确保给定边界条件的准确性 。对于全流场
ｏ ｔｒｅ—ｉｅｓ ｎ — ｑａｉ ｕ ｒ ａ ｓ ｌｉｎｗ ｓ ｅｒｍ ｄｏ ｃｎｒ－ｏ ｔ ｇ ａ． ｈ ｆａ ｈｅ— ｍ ｎｉ ａ Ｎ— ｅｕｔ ｎａｎｍ ｉｌ ｉ ａ ｏ ａ ｐ ￣ ｒｅ ａ ｏｔ ｒｔ ｉ ｆｎ Ｔｅ ｄ ｏｌ Ｓ ｏ ｅ ｃ ｍｕ ｔ ｏ ｆ ａ ａｎ ｂｓｃ ｈｒｃｅｉｉＷ ｅｎｓｏ ｅ ｄｔｅ ｅ ｒ ｎｅｏｔｅ ￣ Ｗ ｒｄｃｅ． ｙｃａｇｎ ｅｅｔ — ａｉｃａａｔｒｔ ａ ｂｅ ｗ ｄａ 咖 ｍａｃ ｈ ／ ａ ｐｅｉｔ Ｂ ｈｎｉｇｔ ｓ ｂ ｓｃ ｓ ｈ ｎ ｈｐ ｆ ｓ ｄ ｈ ａ ｌｈｄａｇｅ ｔｄ ｅＰｏｅｙＭａｃ ｏ ｏｎｅ－ｏａｎ ｆ ａ ａｃｍ ｌｈｄ Ｔｅｒｓａｃ ａ ｉ ｅ ｌ ｓ ｙｏ ｔ ｒｐｒ ｔ ｆｒＣ ｕｔｒｒｔｉｇ ａ Ｗ ｃｏ ｐｉ ｅ． ｅｅ ｈｗ ｙ ｓ ｎ ｓ ｕ ｆ ｈ ｔ ｈ ｔ ｎ ｓ ｓ ｈ ｒ
ｃｎｓｒｅａ ａｔｅｒｔ ａ ｂ ｉｆｒ ｐ ｉ ｍ ｄ ｓ ｎ ａ ｖ ｓ ｏｅｉｌ ａ ｓ ｏ ｔ ｅ ｈ ｃ ｓ ｏ ｍｕ ｅｉ ． ｇ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｃｏ ｔ ａ ｒ ｔ ｔｎ ａ Ｐ ｗｅ ａ ｃ Ｎｕ ｒｃ ｌ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ； ｔ ｕ ｄ ｓｇ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎ ｒ － ｏ ａ ｉ ｇ ｆ ｎ； ｏ ｒ ｍ ｔ ｈ； ｍｅ ｉ ａ ｍ ｌ ｔｏ Ｏｐ ｉ ｍ ｅ ｉ ｎ ｓ ｍ
压恼 妇 ， 盔 盆 盘 盔 姐 ， 压 盔值 盔值 盆 盆 蓝 “ 盆盘 盆 盘 盔 ， 、 盔 盔 ‘ “ ＾ 盔 蕊
【 摘
要】 针对于一台 对旋风机样机，建立从集流器进 口 到扩散器出口的全流场作为计算域，采用
Ｓ ＰＥ Ｉ Ｌ Ｃ算法和 Ｒ Ｇ湍流模型， Ｍ Ｎ 通过求解三维 Ｎ ｓ — 方程 ， 对全流场进行数值模拟， 揭示了对旋式通风机 流场内 部气流的真实流动规律。 通过改变运行参数 ， 完成对旋风机两级叶轮最佳功率匹配的研究， 为对旋
利用 Ｃ Ｄ进行数值模拟正逐步成为了解流体机械 内部流动 Ｆ 状况的重要手段 。 将对旋式通风机从集流器进 口到扩散器 出口的 全流场作为计算域，采用 ＳＭＰ Ｅ Ｉ Ｌ Ｃ算法和 Ｒ Ｇｋ ｓ湍流模型， Ｎ － 通
过求解三维 Ｎ Ｓ — 方程 ， 对全流场进行数值模拟。通过这种“ 数值 实验”可以充分掌握通风机全流场的流动规律 ， ， 利用此方法进行
（ ｅａｔ ｎ ｆ ｃａ ｉａ ＆ Ｅｅｔ ｎｃＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｓ ａ ｄｎ ｎｖ ｒ ｔ ｏ ｃ ｎ ｅ＆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ， Ｄ ｐｒ ｍｅｔ ｈ ｎｃｌ ｏ Ｍｅ ｌ ｒ ｉ ｎ ｉｅｒ ，ｈｎ ｏ ｇＵ ｉ ｓ ｙ ｆ ｉ ｃ ｃｏ ｎ ｅ ｉ Ｓ ｅ ｅｈ ｏｏｙ
Ｔ ｉａ ７ ０ ０ Ｃ ｉａ ａ’ｎ２ １０ ， ｈｎ ）
第 ３期
２１ ０ ０年 ３月
文章编号 ：０ １ ３９ （０ ０ ０ — ２ ７ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）３ ０ ０ — ２
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈｉ ｅ ｙ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｎ ｒ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ
基 于数值模拟 的对旋风机功率匹配研究 ： ｌ ：
计算域分块生成计算网格 ， 采用非结构化 四面体单元 ， 在湍流剧 烈变化的前后两级叶轮段加密 网格。而在流动较为稳定 的集流 器、 电机筒以及扩散器段采用结构化 网格， 来减少网格数。 非结构
长无条件稳定， 保证计算精度的同时尽 建立对旋风机样机 的几何模ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ，风机设计转速均为 ２ ２ ｒ ９０／
ｍｎ 叶轮外径 ５ ０ ｍ； ｉ； ０ ｍ 轮毂 比 ０ ９设 计流量为 ３ ｍ３； ．； ５ ． ／ 设计总 ５ ｓ 压升 ２ ０． ｐ ； １３１ ａ前后两级 叶片数分别 为 ８和 ７ ４ 。前后级叶片根部
风机 的优化设计提供理论基础 。 关键词 ： 对旋式通风机 ； 功率 匹配 ； 数值 模拟 ； 设计 优化
【 ｂｔ ｃ】 ｅ ｐｏｉ ｇｒｈ Ｉ Ｐ Ｅ ｎ Ｎ ｒｕ ｎ ｍ ｄｌ ｎ ｒｕｈｔ ｌ ｉ Ａ ｓ ａｔ ｒ ｍ ｌ ｎ ａ ｏｉｍ ＳＭ Ｌ ＣａｄａＲ Ｇ ｔ ｂ ｌ ｔ ｏｅ ａｄｔ ｏｇ ｅ ｏ ｔ ｎ ｙｇｌ ｔ ｕ ｅ ｈ ｈ ｓ ｕｏ
中图分 类号 ： Ｈ ３ ． 文献标 识码 ： Ｔ ４ ２１ Ａ
１ Ｉ 弓言
由于相似理论的不适用， 目前风机 的开发制造过多的依赖大 量的实验数据和传统的一维 、 二维理论 ， 做出不同的风机样机后
再进行实验 ， 经比较后采用性能较好的样机模型进行生产， 生产
格 ；时 相 的 定 项 用 阶 隐 式有 于 时 步 式与 间 关 非 常 采 二 全 格 ，利 大 间
（ 山东科技大学 机 电工程系， 泰安 ２ １０ ） ７０ ０
Ｓｔ ｄ ｎ ｐ ｗｅ ｔ ｈ ｆ ｏｎ ｒ － ｏ ａ ｉｇ ｆ ｎ ｂ ｓ ｄ ｏ ｕ ｕ ｙｏ ｏ ｒ ｍａ ｃ ａ ｃ ｔａ ｒ ｔ ｔ ａ ａ ｅ ｎ ｎ ｍｅｒ ａ ｉ ｌｔ ｎ ｏｒ ｎ ｉ ｌ ｍｕ ａ ｉ ｃ ｓ ｏ ＷＡ Ｇ Ｔ ｏＣ Ｎ Ｑ ｎ － ｕｎ ，Ｈ Ｎ ｏ ｇ ｃ ａ ，Ｎ Ｎ ｏ ｇｊ ｎ Ｎ ａ ，ＨＥ ｉｇ ｇ ａ ｇＺ Ａ Ｇ Ｙ ｎ— ｈ ｏＺ Ａ Ｇ Ｙ ｎ －ｉ ａ
成本高， 周期长 。 再就是在设计 中过多地依赖于经验 ， 致使产品整 体． 陛能不高， 特别是 由于两级叶轮功率分配不合理引起 的叶片断
裂、 烧毁 电机等事故 ， 严重影响安全生产。
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分别 为 ４ ． 。 ２ ． 。 流不可压缩流动， ６ １和 ８ ５ 。气 ６ ６
计算中忽略重力对流场的影响。 考虑到前后两级 叶轮与相邻静止 部件之间的相互影响， 确保给定边界条件的准确性 。对于全流场
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【 摘
要】 针对于一台 对旋风机样机，建立从集流器进 口 到扩散器出口的全流场作为计算域，采用
Ｓ ＰＥ Ｉ Ｌ Ｃ算法和 Ｒ Ｇ湍流模型， Ｍ Ｎ 通过求解三维 Ｎ ｓ — 方程 ， 对全流场进行数值模拟， 揭示了对旋式通风机 流场内 部气流的真实流动规律。 通过改变运行参数 ， 完成对旋风机两级叶轮最佳功率匹配的研究， 为对旋
利用 Ｃ Ｄ进行数值模拟正逐步成为了解流体机械 内部流动 Ｆ 状况的重要手段 。 将对旋式通风机从集流器进 口到扩散器 出口的 全流场作为计算域，采用 ＳＭＰ Ｅ Ｉ Ｌ Ｃ算法和 Ｒ Ｇｋ ｓ湍流模型， Ｎ － 通
过求解三维 Ｎ Ｓ — 方程 ， 对全流场进行数值模拟。通过这种“ 数值 实验”可以充分掌握通风机全流场的流动规律 ， ， 利用此方法进行
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Ｔ ｉａ ７ ０ ０ Ｃ ｉａ ａ’ｎ２ １０ ， ｈｎ ）
第 ３期
２１ ０ ０年 ３月
文章编号 ：０ １ ３９ （０ ０ ０ — ２ ７ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）３ ０ ０ — ２
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈｉ ｅ ｙ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｎ ｒ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ
基 于数值模拟 的对旋风机功率匹配研究 ： ｌ ：
计算域分块生成计算网格 ， 采用非结构化 四面体单元 ， 在湍流剧 烈变化的前后两级叶轮段加密 网格。而在流动较为稳定 的集流 器、 电机筒以及扩散器段采用结构化 网格， 来减少网格数。 非结构
长无条件稳定， 保证计算精度的同时尽 建立对旋风机样机 的几何模ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ，风机设计转速均为 ２ ２ ｒ ９０／
ｍｎ 叶轮外径 ５ ０ ｍ； ｉ； ０ ｍ 轮毂 比 ０ ９设 计流量为 ３ ｍ３； ．； ５ ． ／ 设计总 ５ ｓ 压升 ２ ０． ｐ ； １３１ ａ前后两级 叶片数分别 为 ８和 ７ ４ 。前后级叶片根部
风机 的优化设计提供理论基础 。 关键词 ： 对旋式通风机 ； 功率 匹配 ； 数值 模拟 ； 设计 优化
【 ｂｔ ｃ】 ｅ ｐｏｉ ｇｒｈ Ｉ Ｐ Ｅ ｎ Ｎ ｒｕ ｎ ｍ ｄｌ ｎ ｒｕｈｔ ｌ ｉ Ａ ｓ ａｔ ｒ ｍ ｌ ｎ ａ ｏｉｍ ＳＭ Ｌ ＣａｄａＲ Ｇ ｔ ｂ ｌ ｔ ｏｅ ａｄｔ ｏｇ ｅ ｏ ｔ ｎ ｙｇｌ ｔ ｕ ｅ ｈ ｈ ｓ ｕｏ
中图分 类号 ： Ｈ ３ ． 文献标 识码 ： Ｔ ４ ２１ Ａ
１ Ｉ 弓言
由于相似理论的不适用， 目前风机 的开发制造过多的依赖大 量的实验数据和传统的一维 、 二维理论 ， 做出不同的风机样机后
再进行实验 ， 经比较后采用性能较好的样机模型进行生产， 生产
格 ；时 相 的 定 项 用 阶 隐 式有 于 时 步 式与 间 关 非 常 采 二 全 格 ，利 大 间