多翼离心风机的三维数值分析

219414992_基于三维扭转叶型设计的多翼离心风机噪声的数值仿真与分析

Numerical Simulation and Analysis of Multi-blade Centrifugal Fan Noise Based on Three-dimensional TwistBlade Profile Design*Ri-tian Ji 1Rui-peng Fu 1Shang-feng Wang 2Bing-yi Zhao 2Ming-ze Yuan 2Zhi-guo Qu 1,*(1.School of Energy and Power Engineering,Xi'an Jiaotong University;2.Shenyang Blower Group Auxiliary CompleteEngineering Co.,Ltd.)Abstract：In this paper,the flow and noise of a three-dimensional muti-blade centrifugal fan with twisted blade profile is numerical simulated by combining computational fluid dynamics (CFD)and Ffowcs Williams -Hawkings (FW-H)equations.The effect of twist blade profile on the sound pressure level at the near-field and far-field measurement points is researched to realize fan noise reduction.By analyzing the flow field,it is found that the muti-blade centrifugal fan has an obvious aerodynamic separation near the bottom side endwall of blade due to the increase of the relative attack angle.In this case,the twist design of fan blade profile is carried on and the noise pressure levels of fan with different bottom twist angles at the far-field and near-field measurement points are paring the calculation results of noise pressure levels ,it is found that with the increase of bottom twist angle,the far-field and near-field sound pressure levels both decrease first and then increase,and finally the optimal far-field sound pressure level is obtained when the bottom twist angle is -35°.It is verified by experiments that the average sound pressure level in the far field of twist blade profile fan is reduced by 1.3dB compared with the original blade profile fan.Keywords：Computational Fluid Dynamics;Computational Aeroacoustics Analogy;Ffowcs Williams-Hawkings Equation;Multi-blade Centrifugal Fan摘要：本文通过计算流体力学(CFD)和Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程相结合的方式，对含扭转叶型的三维多翼离心风机进行流动与噪声仿真模拟，研究了叶型扭转对于近场和远场测点噪声声压级的影响，并实现了风机的降噪优化。

新型多翼式车载离心空调风机叶型的数值模拟分析及改型研究

中心为（ 0，0，0），默认的绕 Z 轴旋转，并且设置的
旋转速度单位为 r / min，计算模型风机转速控制
在 3000 ～ 4000r / min。
（ 4）由于中心体是和叶轮相连的，则中心区
域的壁面和叶轮壁面均设置成移动壁面，相对于
旋转坐标系的转速为 0，其它默认设置。
（ 5）对于 interface 面不用设置，对动静交接
2012 年第 40 卷第 9 期
流体机械
25
文章编号： 1005 － 0329（ 2012） 09 － 0025 － 06
新型多翼式车载离心空调风机叶型的数值模拟分析及改型研究
周鼎舜，赵军，赛庆毅，吴昌，胡寿根
（上海理工大学，上海 200093）
摘要：针对车载空调系统中常用的多翼风机，利用三维造型软件进行几何建模，通过非结构化网格的离散化手段处
以及壁面要分别设置边界条件：
（ 1）进口边界条件，取质量流量（根据不同试
验工况点取值设置）；
根据求解质量流量的计算公式计算每个工况
下的质量流量：
( ) ( ) ∑ qm
=
π 4
1
－
0． 55Δp pa + ps
2Δp ρ2
0． 5 n
αi d2i ρ2
i =1
其中，试验需要测量和采集的环境参数数据
近误差小பைடு நூலகம் 10% ，模拟风机效率提升 4． 6% ，充分说明改进叶片性能提高。
关键词：多翼风机；车载空调；叶片型线；数值模拟
中图分类号： TH432
文献标识码： A
doi： 10． 3969 / j． issn． 1005 － 0329． 2012． 09． 006

多翼式离心空调通风机流场数值模拟与分析

（ｏｐｔｔｎｌｕｄｄｎｍｃ）ｔｓｕａｅｎｉｉｏｅａ．ｈｅｃｔｆｌａｄｐｅｓｒｆｌ，ｈｓｌｍ— ＣｍｕａｏａｆｉｙａｉｉｌｓｏｉｌｔｔｓｅａｗｏｔｎＴｅｖｌｉｅｎｒｓｕｅｅｄｔｅｒｕｔｏｓｍｅｈｉｄｒｌｆｆｈｆｏｙｉｄｉｅｓｉｆ
摘
要：围绕空调系统常用的多翼式风机流场特性研究与分析，尝试运用计算流体力学（Ｆ）ＣＤ方法对多翼式空调通风
机内部气流组织进行数值模拟计算，利用ＰｏＥ进行几何建模并导入ＣＤ软件ＦＵＮｒ／ＦＬＥＴ中的Ｇｍｉ前处理器，ａｂｔ采用非
ＹＵａ — ｎＸｉｏｍｉｇ，ＨＵＤｉ
（ｎｖｒｉｆｈｎｈｉｏｃｎｅａｄＴｃｎｌｙＳａｇａ２０９，ｈａＵｉｅｔｏＳａｇａｆＳｉｃｎｅｈｏｏ，ｈｎｈｉ００３Ｃｉ）ｓｙｒｅｇｎ
ＡｂａｔＢｓｄｏｈａｕｅｏｅａｒｏｂｕｅｍｕｔｂａｅｄｌｓｄｉｅａｒｃｎｉｏｉｇｓｓｍ．ＴｙｔｓＦ￣ｒｃ：ａｅｎｔｅｆｔｒｔｉｗａｏｔｔｌ — ｌｄｓｗｉｅｙｕｅｎｔｉｏｄｔｎｎｙｔｅｆｈｌｆｈｉｈ — ｉｅｒｏｕｅＣＤ
ｔｅａｒｏｔｔｄｌｓｗｅｌａｈｏｙｐｏｒｔｅｏｔｓｔｎｏｄｌａｄｔｅａａｙｉｅｃａａｔｒｔｅａｒｏｈｉｕｌｅｍｏｅｌｓｔｅｒｒｏｆｈｐｉａｉｍｏｅｎｈｎｓｓｏｔｈｒｃｅｉｉｏｔｉｗ．ａｆｏｍｉｏｆｌｆｈｓｃｆｈｌｆＫｅｒｓｙｗｏｄ：ｖｎｉｔｎｏｉｃｎｉｏｉｇｉｏｅｔａｉｆａｒｏｄｔｎｎ；ａｒｗ；ｍｕｔ— ｌｄｓｆｎｎｍｅｃｉｌｔｎｌｏ・ｉｌｆｌｂａｅａ；ｕｒａｓｍｕａｉｉｉｌｏ

多翼离心风机数值计算及改进设计研究

从表 1 中可以看出，采用的 3 种 k-ε 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，这说明了数值计算的结果是合理的，计算方法是可靠的，同时也说明了采用这 3 种 k-ε 模型计算风机内部流场均是可行的。从表 1 可以看出，数值计算结果比试验测量结果偏大，产生该误差的主要原因如下：
（ 1）建模阶段对风机的部分区域进行了简化处理，从而使得数值计算中的摩擦损失、轮阻损失和泄漏损失与试验测量结果相比偏小。
（ 2）建模时忽略的一些次要结构，会带来一定的误差。
（ 3）由于模型的复杂性以及计算条件的限制，选用的网格类型是非结构网格，精度有限，从而引起一定的误差。 1. 4 流场分析
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该面；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］。
2 结构参数对风机性能的影响影响多翼离心风机性能的结构参数很多，如叶片
进口安装角、叶片出口安装角、叶轮宽度比、叶轮内外径比、叶轮外径、叶片型线、叶片数、蜗壳型线、蜗舌间距等等。笔者只在转速、叶轮内外径、叶轮宽度不变的情况下，对叶片进口安装角、叶片出口安装角、叶片数、叶片型线、蜗壳型线和蜗舌间距这些影响多翼离心风机性能的结构参数进行数值模拟计算。 2. 1 叶片进口安装角的影响

新型多翼式车载离心空调风机叶型的数值模拟分析及改型研究

ＳｔｙｏｌＮｅＴｙｐｆＭｕｔ— ｕｄｌｗｅｏｌｉＭａｄｎｏｈｅＣａｒａｈｅＮｕｅｉａｍｕａｏｅＦａｔｆｎｄｔｍｒｃｌＳｉｌｔｎｉ
ＺＯｉｇｓｕ，ＨＯｊｎＳＩＱｎ —ｉＷｕＣａｇＵＳｏ —ｅＨＵＤｎ — ｎＺＡｕ，Ａｉｇｙ，ｈｎ，Ｈｈｕｇｎｈ
ｍｔｃｍｄｌｇｗｉｉｅｉｐｒｄｉｏｔｕｄｃｌｕａｏｏｗｒＧｍｂｔｒｖｕｒｃｓｒ，ｔｏｕａｏａｆｉｅｉｏｅｎｈｃｗｌｂｏｔｔｈｆｉａｌｉｓｆａｅ（ａｉｐｅｉｓｐｏｅｓ）ｈｃｍｐｔｔｎｌｕｄｒｉｈｌｍｅｎｅｌｃｔｎｔｏｏｅｉｌ
ｌｓｈ０．Ｔｅｐｒｒｎｅｈｓｂｅｍｐｏｅ．ｅｓｔａ１％ｈｅｆｍａｃａｅｎｉｒｖｄｎｏ
Ｋｅｒｓｍｕｔｂａｅｆｎ；ｅｉｌｉｏｄｔｎｎ；ｅｔｐｌｄ；ｕｒａｉｌｔｎｙｗｏｄ：ｌｉｌｄａｖｈｃｅａｒｃｎｉｏｉｇａｎｗｅｏｂａｅｎｍｅｃｓ－ｉｙｆｉｌｍｕａｉｏ
ｌｒａｃｔｐｌｄ．Ｔｅｃｃａｉｎｒｓｌｓａｄｔｅｅｐｒｎａｅｕｔｒｏａｅｏｐｏｅｔｅｃｃａｉｎｍｅｈｄｉｃｒｅｔａｒｙｅｂａｅｈａｕｔｅｕｔｎｈｘｅｉｌｌｏｍｅｔｌｓｌａｅｃｍｐｄｔｒｖｈａｕｔｔｏｓｏｒｃ．ｒｓｒｌｌｏ

多翼离心式风机内部三维流场数值模拟与分析

ｖｒｆｈｃｕａｙｏｈｏｆｅｄ，ｎｄｐｏｉｅｔｅｂｓｓｆｒｏｔｍａｅｉｎｂｎｌｚｎｆｃｉｎｏｅｉｙｔｅａｃｒｃｆｔｅｆｗｌａｒｖｄｈａｉｏｐｉｌｄｓｇｙａａｙｉｇａｆｔｏｆｌｉｅｃｎｒｆｇｌｆｎｗｉｈｎｉｇｔｅｆｎｓｚ．ｅｔｕａａｔｃａｇｎｈａｉｅｉｈＫｅｒｓ：Ｃｅｔｉｕａｎ；Ｍｕｒｃｉｌｔｏｙｗｏｄｎｒｇｆｆｌａｍｅｉａｓｍｕａｉｎ；ＦＶＭ；ｋ－ｄｌｌｅｍｏｅ
摘要：用ＦＵＮ利ＬＥＴ软件，以三维时均Ｎ —Ｓ方程和标准两方程湍流模型为基础，用采
ＳＭＬＩＰＥ算法，离心式通风机内部整机流场进行了三维数值模拟并分析了其内部流动特征。对数值模拟结果显示，离心式通风机内部流场存在着明显的不对称性，个叶轮流道的压力和速各度分布并不相同。最后利用五孔探针流场测试系统试验台，用ＭＧ使Ｓ通风机实验数据采集系统和数据处理系统实验验证模拟流场的准确性，并通过改变风机的出口尺寸，整体风机的性对能分析，离心式通风机的优化设计提供了依据。为关键词：离心式通风机；ＬＥＴ数值模拟；限体积法；型ＦＵＮ；有模中图分类号：Ｈ３文献标志码：文章编号：０９— ２０（０１００２０Ｔ４２Ｂ１０３３２１）６— ０６— ５

多翼离心式风机流场数值模拟

多翼离心式风机是一种叶轮机械，因为其噪音低、压力系数高得到广泛使用，在国防事业和国民经济中发挥着重要作用。多翼离心式风机的气动特性受到风机内部的尾流、压力脉动、边界层分离及旋涡脱落的很大影响；同时其内流场的三维流动是全粘性的，要想准确地测试叶轮流道内的流动现象通过实验的手段是困难且很局限的。与多翼离心风机整机三维流场分析相关的数值模拟不多，而要想真实反映风机内部流动特性通过对某个流道或截面的数值计算是很难实现的。笔者首先使用 solidworks 建立风机整机模型，通过布尔运算得到风机内部流体模型，再使用 ICEM CFD 划分高质量混合网格，最后使用成熟的 CFX 软件对多翼离心风机整机的三维内部流场进行数值分析，浅析了前置整流叶片对离心风机流场的作用，为离心式风机的改进优化提供依据。
结果分析
本文着眼于多翼离心风机整机的三维内部流场，旨在
图 2 离心式风机全流场计算域
பைடு நூலகம்
图3
探究添加整流叶片后风机内部流场的压力与速度，为此笔者将流场高度为 140mm 的流体域划分为 10 层，分别于 14mm，28mm，42mm，56mm，70mm，84mm， 98mm，112mm，126mm 高度处设置观测面，进行压力与速度分析。
H=14mm
H=28mm
H=42mm
H=56mm
H=70mm
模型建立及网格生成模型建立
多翼离心式风机的叶轮结构如材料中图 1（a）所示，根据统计资料，其主要结构参数所在范围（α ＞ 60°， β ≥ 154°，内外径比 0.8 ～ 0.95，叶片数 32 ～ 64），其性能较优，具体结构参数如表 1 所示，模型结构如图 1 所示。

离心风机整机三维数值仿真方法及分析

万方数据万方数据万方数据围３蜗壳进口静压沿周向分布比较小，这是由于气流在叶轮出口之后在蜗壳内部积聚，然后再增速从出口排出，这说明蜗壳的存在对Ｄｔ。

轮流场的影响非常显著。

图４各叶轮通道出口处的的流量分布圈５叶轮中心回转面蜗壳相对总压分布图６是蜗壳周向截面上的相对马赫数分布图，图７是ｓ１截面（见图２）ｔ：的速度矢量分布图。

从图中可以看Ｈ｛，靠近蜗壳出口处与蜗壳其余区域相比有大范嗣的低速区，图７即是该区域的轴向截面图的速度矢量分布图，从图中明显可以看出在蜗壳通道中部以及靠近蜗壳外壁区域有明显二次流·－－——３３８－－－——及其形成的漩涡，造成该区域流场严重堵塞，也使蜗壳内部流场变得极不均匀。

因此出Ｌ］气流的不均匀分布以及蜗壳流道的不对称性产生的二次流及其漩涡是造成蜗壳内部流场不对称性的主要因素。

图６蜗壳周向截面上的相对Ｍａ分布图７Ｓｌ截面上的速度矢量分布５结论１）叶轮出口流动对蜗壳内的流动影响较大，而蜗壳的不对称结构对叶轮出口流动的反作用亦不能忽视。

２）受叶轮出口气流分布不均以及蜗壳流道不对称的影响，蜗壳入口气流沿周向和轴向分布都不均匀。

本次数值仿真很好地捕捉了离心风机内部许多蕈要的流动现象，这些现象表明ｒ离心风机内的流动非常复杂，属于全三维的粘性流动，准确反映了蜗壳与叶轮之问的相互作用，为风机的设计和性能优化提供了可信的理论依据。

因此，在某些简化模型下对风机内某个部件或某个流道做的数值仿真并不能准确反映蜗壳与叶轮之间的相互作用，也很难为风机的设计和性能优化提供可信的理论依据。

参考文献：［１］孙长辉，刘正先。

王斗，罗惕乾．蜗壳变型线改进离心风机性能的研究［Ｊ］．流体机械，２００７，３５（４）．（下转第３６５页）万方数据运用表达式ＳＩＭ来区分相间策略所检索到的文档，若采取不检索重复文档原则，则可得到如表４排列的输出。

例如，Ｑ，检索到了除ｄ２和ｄ。

，外的所有文档，有一个文档与Ｑ。

是同一定义的，一个文档粗糙包含于Ｑ。

多翼式低噪声离心风机参数

多翼式低噪声离心风机参数多翼式低噪声离心风机主要包括叶轮、进出风口、风箱、电机等部件。

叶轮是离心风机的核心部件，它的形状、数量和叶片的角度等参数直接影响风机的性能。

本文将分析多翼式低噪声离心风机的主要参数。

一、叶轮叶轮是多翼式低噪声离心风机中最为关键的部件。

其主要参数包括叶轮直径、轮毂直径、叶片数、叶片型式、叶片倾角等。

1. 叶轮直径叶轮直径是指叶轮所在的圆周直径。

叶轮直径越大，风机的静压和流量也就越大。

叶轮直径需要根据实际需求进行选择，过大会使风机的功率增加，过小则会限制风机的性能。

2. 轮毂直径轮毂直径是指叶轮中心部分的直径。

轮毂直径与叶轮直径的比值称为叶轮的伸长比（H/D）。

伸长比越大，流量和压力都会有所下降，但叶轮的稳定性和强度也会有所提高。

3. 叶片数叶片数是指叶轮上叶片的数量。

叶片数越多，离心力越大，但叶片之间的相互作用也会增加，从而影响风机的效率和噪声。

叶片数需要根据叶轮的实际使用情况进行选择。

4. 叶片型式叶片型式是指叶片的形状和截面。

叶片型式不同，对流动的影响也不同。

常见的叶片型式有矩形叶片、圆弧形叶片、前后弯曲叶片等。

5. 叶片倾角叶片倾角是指叶片与叶轮轴线之间的夹角。

叶片倾角越大，对离心力的贡献也就越大。

叶片倾角过大或过小都会影响风机的效率和噪声，因此需要根据实际需求进行选择。

二、进出风口进出风口是多翼式低噪声离心风机中的重要部件，主要有进风道、出风道、扩散器和喇叭口等。

进出风口的设计直接影响风机的流量和压力。

1. 进风道进风道是指风机吸入空气的管道。

进风道的截面形状和长度都会影响进风的流量和速度分布。

为了最大程度地减少进风道对风机流量和压力分布的影响，通常采用圆形截面或近似圆形截面的进风道。

2. 出风道出风道是指风机将空气排出的管道。

出风道的形状和长度也会对风机的性能产生影响。

通常采用扩散器或喇叭口等方式来降低出风的速度和噪声。

3. 扩散器扩散器是一种圆锥形或圆台形的装置，可以将风机出口的高速气流扩散成低速气流。

离心风机内部流场三维数值模拟

关键词：流场；Ｆ；Ｃ１数值模拟）
中图分类号：Ｔ４２Ｈ４
文献标识码：Ａ这样做可以缩短ＲＧｋ模型的收敛时间。压力一速度Ｎ —Ｅ
１离心风机流场数值模拟计算模型的选择
叶轮机械内全三维粘性流的计算越来越受到国内外学离散采用ＳＭＰＥ法，ｎｔｄｏｍｌｔｎ选取２ｄｒｅ — ＩＩＵｓａｙＦｒｕｉｅａｏｎ —ｏｄｒ
式。
右，个网格扭曲率如果过大，单计算精度将受到影响。网格
和所利用ＣＤ商用软件ＦＵＮ．对离心风机内部流场图如图１图２示。ＦＬＥＴ６１
进行数值模拟存在的主要困难有：１由于几何模型复杂，２３边界条件（）．
需要大量的网格分布，由于网格的扭曲率的原因，非结构化
流以及可能出现的分离流、尾流和射流等流动现象。因此
涡壳参数为：圆半径Ｄ＝５ｔ涡室宽度Ｂ２０基５０ｉ，ｎｏ＝６
对于这种复杂流场的求解必须以Ｎｖｒｔｅ方程为基ｍ转速ｒ０／ｌｌａｅ—Ｓｋｓｉｏｍ，＝２８０ｒｍｎ叶轮：宽度ｂ０ｔ，＝１０ｉ叶轮直径ｄ５ｌ，ｎｏ＝３０ｍｎ叶片数为本方程。从数学的观点来看，流就是Ｎ—ｓ方程的通解，湍湍流场的求解，只要对Ｎ方程进行求解即可。但是， —Ｓ就１：０个目前的计算机的发展水平，要想通过直接求解Ｎ— 来求Ｓ过求解ＲＮ方程来对离心风机内部粘性流场进行求解，ＡＳ
在ＧＭＢＴ２１２中设置求解器为ＦＵＮ／，ＡＩ．．ＬＥＴ５６对模

多翼离心风机性能的数值计算和实验测量

多翼离心风机性能的数值计算和实验测量刘小民;赵嘉;李典【摘要】The large eddy simulation (LES) coupled with the Smagorinsky model and the Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) equation were used to numerically predict the pressure, efficiency and aerodynamic noise of a multi-blade centrifugal fan under different mass flow conditions respectively. Based on experimental measurement,the effectiv-eness of numerical simulation method and calculation model and the accuracy of results are verified.The numerical results show that the vortex core region of the multi-blade centrifugal fan appears mainly in the impeller close to the outlet of the volute. There is a region with higher pressure at the leading edge of the blade while there is a negative pressure region at the trailing edge of the blade. With the flow rate increasing, both the total pressure and the static pressure decrease at the outlet of the multi-blade centrifugal fan, the dynamic pressure increased and the efficiency increase first and then decrease. Even in the maximum flow rate condition, the noise obtained by the numerical calculation is good agreement with the experimental measurement. They are 68.3dB and 69.4dB respectively.%采用基于Smagorinsky 模型的大涡模拟（LES）方法及FW-H方程，对不同流量工况下多翼离心风机的压力、效率、噪声等性能参数进行了数值模拟，并通过实验测量，对数值方法和计算模型的有效性及结果的准确性进行了验证。

多翼式离心风机叶轮参数

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叶轮通过高速旋转驱动产生显著的离心效应，有效地吸引和加速气流的流入，并将其高效地排放，从而达成风量的传输。

浅谈基于Fluent的多翼式离心风机性能分析

由于现阶段国内对于Fluent系统软件下多翼式的离心风机各项性能研究相对较少。

鉴于此，本文以Fluent系统软件为基础，开展多翼式离心风机基本性能分析，望能够为相关专家及学者对这一课题的深入研究提供有价值的参考依据。

1　几何配置与前期处理操作计算采用多翼式的离心风机，以当成油烟机使用的小型风机。

该风机几何参数如下：轮毂比λ为0.8，叶轮外径D O为223mm，叶片进口位置安放角βO为78°为；叶片数z为60，叶轮轴向的长度b为150mm，风机轴端的间隙h为15mm。

另外，蜗壳由多段圆弧所构成，蜗舌的半径r为11.5mm，出风口的直径d为165mm，进风口处于两个端面，其一侧的大径d O为180mm，小径圆环d1为90mm，已安设电机，d2=d O圆为其一侧直径。

充分考虑该多翼式的离心风机极具复杂性特征，具体建模期间，不会应当到流场情况下，可护理操作工艺细微、尖角等局部结构；通过有线体积方法形成非结构化的四面体式网格。

为确保生成网格质量提高，便于Fluent计算分析期间用MRF旋转式架构模式，实际建模期间需把计算域合理划分成蜗壳、叶轮这两个部分，相助间连接采用interface，网格总数目约273万左右。

为真实进口总压,模拟风机工作全程，进出口边界条件可分别运用压力进口、出口等来设计，压力出口位置设出口的静压，在叶轮壁位置用旋转式壁面，设定好叶轮实际转速。

2　试验比较分析通过Fluent系统软件，围绕全部风机实施建模操作，对所有试验操作工况数值进行计算分析。

经过比较数值计算分析结果及试验研究结果，全面评估建模型准确性、计算结果可信程度等，将数值模拟误差明确。

选择多翼式的离心风机为两对普通交流电机来拖动着叶轮。

整个试验操数值小一些；若相反，则数值会偏大些，转矩计算分析参数值与实验值相互较小。

3　结果与分析3.1　蜗舌半径方面离心风机当中，蜗舌有着一定分流作用，几何形状针对风机内流场流动状况有着较大影响；流动实际状态对风机噪声、风量有着直接影响。

离心通风机内部流场的数值分析

第３５卷第６期２０１８年６月机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.３５Ｎｏ.６Ｊｕｎ.２０１８收稿日期:２０１７－１２－０４基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１６０５１３８)ꎻ江苏省自然科学基金资助项目(ＢＫ２０１６０２８６)ꎻ中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(２０１７Ｂ６７５Ｘ１４)ꎻ江苏省研究生科研与实践创新计划项目(ＫＹＣＸ１７￣０５３４)作者简介:何小笛(１９９３－)ꎬ女ꎬ河北邯郸人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事机械设计方面的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ａｌｉｓａｄｉ＠ｈｈｕ.ｅｄｕ.ｃｎ通信联系人:纪爱敏ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｊａｍ＠ｕｓｔｃ.ｅｄｕＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４５５１.２０１８.０６.００３离心通风机内部流场的数值分析∗何小笛ꎬ纪爱敏∗ꎬ彭利平ꎬ龙登燕ꎬ王㊀豪(河海大学机电工程学院ꎬ江苏常州２１３０２２)摘要:针对离心通风机内部流动损失大㊁效率低的问题ꎬ利用有限元软件对风机内部流场规律进行了研究ꎮ首先以风机ＭＥ１０３为例进行了进气试验测试ꎬ确定了ＦＬＵＥＮＴ流体仿真所需的边界条件ꎬ运用ＵＧ软件建立了风机的三维流道模型ꎬ用ＩＣＥＭ软件进行了网格划分ꎬ经ＦＬＵＥＮＴ解算得到了ＭＥ１０３内部流场的三维数值模拟结果ꎻ然后将ＭＥ１０３仿真流场的出口速度与试验数据进行了对比ꎬ得到了两者基本吻合的结果ꎬ验证了数值分析结果的可靠性ꎻ最后通过对工况流量与非工况流量下离心通风机内部仿真流场的分析ꎬ获得了风机内部流场的规律ꎬ提出了该风机性能优化的方案ꎮ研究结果表明:将进气试验测试与数值分析结合的研究方法ꎬ可以进一步阐述风机内部流场的特性ꎬ为同系列高效离心通风机设计及制造提供指导ꎮ关键词:离心通风机ꎻ数值分析ꎻ流场ꎻ进气试验中图分类号:ＴＨ４３ꎻＴＨ１２２㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ文章编号:１００１－４５５１(２０１８)０６－０５６６－０６ＮｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎＨＥＸｉａｏ￣ｄｉꎬＪＩＡｉ￣ｍｉｎꎬＰＥＮＧＬｉ￣ｐｉｎｇꎬＬＯＮＧＤｅｎｇ￣ｙａｎꎬＷＡＮＧＨａｏ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌａｒｇｅｆｌｏｗｌｏｓｓａｎｄｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｔｈｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎꎬｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅｆａｎｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ.ＦｉｒｓｔｌｙꎬｔａｋｉｎｇｔｈｅｆａｎＭＥ１０３ａｓａｎｅｘａｍｐｌｅꎬｔｈｅａｉｒｉｎｌｅｔｔｅｓｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｒｅ￣ｑｕｉｒｅｄｂｙｔｈｅＦＬＵＥＮＴｆｌｕｉｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆａｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＵＧｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｍｅｓｈｅｄｂｙｔｈｅＩＣＥＭｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｔｈｅ３ＤｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎＭＥ１０３ｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｉｎＦＬＵＥＮＴꎻＳｅｃｏｎｄｌｙꎬｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｅｘｉｔｖｅ￣ｌｏｃｉｔｙｏｆＭＥ１０３ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａꎬｔｈｅｔｗｏｗｅｒｅｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｅａｃｈｏｔｈｅｒｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓꎻＦｉｎａｌｌｙꎬｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎｕｎｄｅｒｗｏｒｋｉｎｇｆｌｏｗａｎｄｎｏｎ￣ｗｏｒｋｉｎｇｆｌｏｗꎬｔｈｅｌａｗｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅｆａｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｆａｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｏｆａｉｒｉｎｌｅｔｔｅｓｔａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｃａｎｆｕｒｔｈｅｒｅｘｐｌａｉｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅｆａｎａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓａｍｅｓｅｒｉｅｓｏｆｈｉｇｈｌｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓꎻｆｌｏｗｆｉｅｌｄꎻｉｎｌｅｔｔｅｓｔ０㊀引㊀言离心通风机作为一种通用机械ꎬ广泛应用于金属矿山㊁煤炭工业㊁钢铁工业和电力行业ꎮ研究提高风机性能的方法ꎬ减少风机用电量对节约能源具有重要意义ꎮ离心通风机内部复杂的流场备受国内外专家学者的关注ꎬ刘小民等[１]研究了两种内凹式蜗舌对多翼离心风机气动性能的影响ꎬ得出内凹式蜗舌有效的增加了相应风机的流量ꎻ周水清等[２]获得了前弯离心风机集流器最佳的偏心位置ꎻ方挺等[３]对通过改变蜗壳安装位置来提高离心风机性能ꎻ李辉等[４]进行了３组不同叶片数对风机性能影响的探讨的仿真分析ꎻｋｉｍꎬＪｉｎ￣ｈｙｖｋ[５]进行了分离叶片对风机气动性能更有益的分析ꎻＰｏｌａｎｓｋ ꎬＪｉｒí[６]对前向叶片离心风机进行了气动性能预测分析ꎻ简晓书等[７]确定了一款小型后向离心风机叶轮叶片出口宽度尺寸ꎮ这些研究进一步表明离心风机各部件对整机性能有显著影响ꎬ而不同的风机内部流场规律也不尽相同ꎬ当前对于离心内部流场的研究成果通用性不足ꎮ本文主要研究一种新型风机ＭＥ１０３内部流场的规律ꎬ采用风机进口试验测试与数值分析结合的方法ꎬ进一步阐述风机内部流场的特性ꎮ１㊀风机结构及测试结果分析本次研究用风机是某公司型号为ＭＥ１０３的一款离心通风机ꎮ该风机结构示意图如图１所示ꎮ图１㊀离心通风机ＭＥ１０３示意图１集流器ꎻ２蜗壳ꎻ３叶轮ꎻ４电机ꎻ５底座该离心风机主要是由叶轮㊁蜗壳㊁电机以及集流器㊀等几部分组成ꎮ叶轮为平盘式ꎬ采用后向型叶片ꎬ蜗壳的气流出口处采用圆形出口ꎬ与传统的离心风机矩形出口不同ꎬ在进行性能分析的过程中要充分考虑到圆形出口对于风机流体损失的影响ꎮ根据国家标准ＧＢ/Ｔ１２３６￣２０００ꎬ笔者对该风机进行了进气试验ꎬ测试如图２所示ꎮ图２㊀离心风机ＭＥ１０３进气试验本研究按照风机手册[８]对试验结果进行转换计算ꎬ得出风机的气动性能测试结果ꎬ离心风机ＭＥ１０３进气试验测试结果如表１所示ꎮ试验是在大气气压１０１３７０Ｐａꎬ空气密度为１.１９ｋｇ/ｍ３ꎬ温度２２.２ħ的条件下进行的ꎮ从表１中可以得出ꎬ该风机效率最高约为７５.５６％ꎬ对应工况空气流量约为１３００ｍ３/ｈꎬ风机全压达到２０１９Ｐａꎬ转速为２９３７ｒ/ｍｉｎꎬ进气口气流的平均速度为１４.０９ｍ/ｓꎬ进气口静压为－１７９４.７９Ｐａꎮ对于进气口风机测试试验ꎬ由于风机出口与大气直接相连ꎬ因而风机出口处静压为０ꎮ在工作流量为５６０ｍ３/ｈ处ꎬ风机全压达到２５１４Ｐａꎬ转速２９６４ｒ/ｍｉｎꎬ进口速度６.０２ｍ/ｓꎬ进气口静压为－２４７２.０６Ｐａꎮ表１㊀离心风机ＭＥ１０３进气试验测试结果转速/(ｒｍ－１)进口平均速度/(ｍｓ－１)出口平均速度/(ｍｓ－１)进口静压/Ｐａ流量/(ｍ３ｈ－１)全压/Ｐａ效率η/％２９７６２.２４４.８５－２５３９.７９２０７.６３２５４６２２.２７２９６９３.９２８.４８－２５３９.７９３６２.９３２５５７３５.９０２９６４６.０２１３.０４－２４７２.０６５５７.９３２５１４５１.７７２９５４８.２６１７.８９－２３３６.６１７６５.３３２４１４６１.５８２９４６１１.０５２３.９３－２０９９.５６１０２３.５６２２３８７１.７０２９４１１３.０８２８.３２－１８９６.３８１２１１.２２２０９０７４.４８２９３７１４.０９３０.５１－１７９４.７９１３０５.０４２０１９７５.５６２９３５１４.８５３２.１５－１６９３.１９１３７５.３３１９４１７５.０９２９３３１５.７５３４.１０－１５５７.７４１４５８.５１１８３６７３.３２２９３３１６.４２３５.５６－１４５６.１５１５２１.１５１７５９７３.０８２９３１１６.９２３６.６５－１３８８.４２１５６７.５８１７１０７２.７４２９２９１９.０６４１.２７－９４８.１９１７６５.４６１３５６６３.５２２㊀数值分析模型２.１㊀流道几何模型首先笔者采用三维建模软件ＵＧꎬ对离心风机进行几何建模ꎬ建模过程中ꎬ对原有风机几何模型进行简化ꎬ忽略一些次要的倒角㊁圆角特征以及一些间隙ꎮ之后在此基础上进行离心风机流道建模ꎬ流道几何模型即是空气从离心风机进风口到出风口的过程中ꎬ气体７６５第６期何小笛ꎬ等:离心通风机内部流场的数值分析流过空间的三维模型ꎮ将流道模型分为进风口流道㊁叶轮流道以及蜗壳流道３个部件模型ꎬ最终装配在一起形成离心风机流道模型ꎮ为保证进口气流的真实工况ꎬ特别将进口流道模型拉伸了２００ｍｍꎮ流道模型如图３所示ꎮ图３㊀离心风机ＭＥ１０３流道模型２.２㊀网格模型笔者在完成风机流道模型后将其保存成ｓｔｐ格式ꎬ导入到前处理器ＡＮＳＹＳＩＣＥＭＣＦＤ中进行网格划分ꎮ其中集流器以及进口管道流道模型部分采用六面体网格ꎬ叶轮流道以及蜗壳流道采用非结构网格划分方法[９]ꎮ风机叶轮主要尺寸为流道进气口直径１４０ｍｍꎬ流道外径为３８０ｍｍꎬ厚度为４０ｍｍꎻ蜗壳流道的厚度为１０２ｍｍꎬ螺旋线相对于３０ｍｍ的等边基方的最大半径和最小半径分别为２１６.６ｍｍ和４１３ｍｍꎮ划分网格时ꎬ将进口流道㊁叶轮流道以及风机流道的Ｅｌｅｍｅｎｔｓｉｚｅ分别设置为５ｍｍ㊁２ｍｍ和３.５ｍｍꎮ风机流道模型共划分为５.５７ˑ１０６个网格单元ꎬ其中叶轮流道网格２.９２ˑ１０６ꎮ风机流道网格模型如图４所示ꎮ图４㊀风机流道网格模型为保证数值模拟结果的可靠性ꎬ笔者对叶轮和蜗壳流道的网格进行了细化ꎬ验证了风机的网格无关性ꎮ完成网格划分后ꎬ对离心风机相应的表面ꎬ包括进风口㊁出风口以及风机的壁面等进行标记ꎮ２.３㊀数值方法及边界条件确定在完成风机流道网格划分后ꎬ笔者主要通过ＦＬＵ￣ＥＮＴ对风机流场进行数值计算以及风机内部流场分析ꎮ根据进气试验过程中的空气条件对流场对应的空气参数进行设置ꎮ速度与压力耦合方式选择ＳＩＭＰＬＥ算法ꎬ采用湍流模型对旋转区域与非旋转区域进行耦合计算[１０￣１２]ꎮ对风机流道进行冻结转子法(ｍｕｌｔｉｐｌｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅꎬＭＲＦ)[１３￣１４]ꎬ也就是多坐标参考系设置ꎮ由于要对两个不同流量下的风机流场进行分析ꎬ笔者分别进行相应参数的设置ꎮ对于叶轮流道ꎬ分别添加２９３７ｒ/ｍｉｎ㊁２９６４ｒ/ｍｉｎ旋转速度ꎬ蜗壳流道以及集流器流道静止不动ꎮ对于边界条件的设置ꎬ集流器进口采用速度进口ꎬ分别设置速度为１４.０９ｍ/ｓ㊁６.０２ｍ/ｓꎬ静压为－１７９４.４９Ｐａ㊁２４７２.０６Ｐａꎻ蜗壳流道出口处采用压力出口ꎬ即设定出口的静压为０ꎻ将集流器与叶轮流道ꎬ叶轮流道与蜗壳流道的接触面设置为交界面(ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ)ꎻ叶轮流道的壁面设置旋转速度与叶轮流道相关ꎬ滑移速度设置为０ꎻ蜗壳以及集流器其他的面都设置为固定壁面ꎮ３㊀流场状态分析本研究完成相应的边界设置ꎬ将流场初始化ꎬ分别计算出离心通风机内部各流道在工作流量１３００ｍ３/ｈ㊁５６０ｍ３/ｈ处的速度与压力分布详情ꎮ３.１㊀数值分析结果与测试结果对比由于对于离心风机进行的是进气试验ꎬ在添加边界条件的过程也是按照进气试验所得数据进行设定的ꎬ这就导致离心风机的流场仿真反映的是风机进行进气口试验时内部流场的详情ꎮ在进行流场分析前需要先对流场仿真结果进行验证ꎮ进气口测试试验得出离心风机进气口气流速度以及表压值ꎬ在根据风机手册进行数据转化ꎬ最终得出在工作流量１３００ｍ３/ｈ㊁５６０ｍ３/ｈ处ꎬ离心风机出口平面的平均速度分别为３０.５１ｍ/ｓ㊁１３.０４ｍ/ｓꎮ在进行仿真分析过程时ꎬ本研究将风机叶轮轮盘外表面与叶轮轴线相交点设置为原点ꎬ建立了以轮盘外表面为ＸＹ平面ꎬ叶轮轴线为Ｚ轴的坐标系ꎮ风机出口平面在工作流量１３００ｍ３/ｈ㊁５６０ｍ３/ｈ处ꎬ在Ｚ轴对应坐标的速度分布分别如图５㊁图６所示ꎮ例如在出口平面上有一条线段的坐标是ｚ＝０ꎬ划分网格的过程可以看作这条线段分为很多点组成ꎬ而每个点的速度不同ꎬ最终形成图５和图６所示的速度分布图ꎮ经分析ꎬ出口速度数值分析结果与试验测试结果相符ꎬ即表示出口动压以及风机全压与试验结果基本相符ꎮ在此基础上ꎬ可以进行风机内部流场速度分布和压力分布的分析ꎮ８６５机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３５卷图５㊀工作流量１３００ｍ３/ｈ时出口速度分布图６㊀工作流量５６０ｍ３/ｈ时出口速度分布３.２㊀速度场分析离心通风机分别在工作流量１３００ｍ３/ｈ㊁５６０ｍ３/ｈ时的风机内部速度分布图如图７所示ꎮ(ａ)流量１３００ｍ３/ｈ时速度分布(ｂ)流量５６０ｍ３/ｈ时的速度分布图７㊀离心通风机速度分布首先从速度范围进行分析ꎬ风机在工况流量１３００ｍ３/ｈ处的最大速度７３.８ｍ/ｓ大于风机在流量５６０ｍ３/ｈ处的最大速度６９.８ｍ/ｓꎬ结合速度分布图可以发现流量大时流场相应的速度值也偏大ꎮ气流在蜗壳处的速度分布特征为在叶轮与蜗壳交接面处较为紊乱ꎻ气流在蜗壳出口处速度的变化梯度最大ꎻ最大的气流速度出现在蜗舌处ꎻ在蜗壳型线起始端ꎬ气流发生较为明显的气流逆流现象ꎻ经过蜗舌部分的气流在出口前出现涡流现象ꎻ在蜗壳轮廓型线处ꎬ出现气流大面积速度大致相同ꎬ气流方向也较为紊乱ꎮ离心通风机叶轮分别在工作流量１３００ｍ３/ｈ㊁５６０ｍ３/ｈ时的内部速度分布图如图８所示ꎮ(ａ)流量１３００ｍ３/ｈ时速度分布(ｂ)流量５６０ｍ３/ｈ时的速度分布图８㊀风机叶轮处速度分布风机叶轮作为风机最为关键的部分ꎬ风机叶轮的性能一定程度反映了风机的整体性能ꎮ通过对两种不同流量下的叶轮速度分布进行分析ꎬ可以发现ꎬ大流量下叶轮中的整体速度较大ꎬ在工况流量１３００ｍ３/ｈ处ꎬ气流在叶轮轮盖入口处产生涡流ꎬ在叶轮出口处ꎬ尤其是在蜗壳出口相反的一侧ꎬ产生特别明显的涡流现象ꎮ而在非工况流量下ꎬ可以发现气流的紊乱主要发生在气流从集流器流道进入叶轮流道的过程ꎮ３.３㊀压力场分析离心风机流场和叶轮流道流场分别在工作流量１３００ｍ３/ｈ㊁５６０ｍ３/ｈ处的静压分布详情如图９㊁图１０所示ꎮ９６５第６期何小笛ꎬ等:离心通风机内部流场的数值分析(ａ)流量１３００ｍ３/ｈ时静压分布(ｂ)流量５６０ｍ３/ｈ时的静压分布图９㊀风机流场的静压分布(ａ)流量１３００ｍ３/ｈ时静压分布(ｂ)流量５６０ｍ３/ｈ时的静压分布图１０㊀风机叶轮流场的静压分布从图中可以看到:由于离心风机是按照进气试验过程中的离心风机流场状态进行仿真ꎬ因而在风机出口处气流和大气层相同ꎬ静压为０ꎬ而在进气口时ꎬ风机的静压为负ꎮ风机最大静压出现在蜗壳流道外侧ꎬ尤其是气流出口的相反侧静压最大ꎬ与速度分布图相对比也可以发现静压增大的主要原因是随着流道体积的变大ꎬ速度减小ꎮ而在蜗壳的气流出口处ꎬ气流速度增大静压逐渐较小ꎮ在蜗壳的蜗舌处ꎬ出现静压为负ꎬ以及气流经过蜗舌处后静压相对较低ꎬ表明在蜗舌部分ꎬ静压有所减小ꎬ能量损失较为明显ꎮ对比风机集流器进口可以发现ꎬ风机在工作流量为５６０ｍ３/ｈ处时ꎬ进口静压的负压值更小ꎬ表明风机在低流量处产生更大的吸力ꎮ风机的功率是和风机的结构㊁性能相关的变量ꎬ因而在实际运用风机的时候ꎬ需要综合所需流量和压力以及风机的性能来进行选择ꎮ在叶轮静压分布图中ꎬ可以观察到由于叶轮叶片的旋转对气流不断地做功ꎬ风机的静压值是逐步递增的ꎮ在叶轮进气口处ꎬ叶片的背压面有明显的边界层出现ꎬ结合速度矢量图可以发现ꎬ贴近该壁面处出现速度倒流ꎬ产生分离损失ꎮ离心风机流场和叶轮流道流场分别在工作流量１３００ｍ３/ｈ㊁５６０ｍ３/ｈ处的全压分布详情如图１１㊁图１２所示ꎮ(ａ)流量１３００ｍ３/ｈ时全压分布(ｂ)流量５６０ｍ３/ｈ时的全压分布图１１㊀风机流场的全压分布离心风机的全压值为风机出气口的全压值与风机进气口的全压值的差值ꎮ风机出口处的全压与气流在出口处的速度相关ꎬ在进气试验过程中的风机流场中ꎬ风机出口处的全压就是风机的动压ꎮ结合风机叶轮全０７５机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３５卷压图ꎬ在接近叶轮流道最外侧时全压值最大ꎬ主要是因为在该处风机叶轮流道截面积变大ꎬ产生较典型的二次流损失[１５]ꎬ在背离风机气流出口的叶轮侧此现象更为明显ꎮ在风机非工况流量处工作时ꎬ二次流现象更为明显ꎮ在叶轮流道进口处ꎬ工作流量下风机进口低压区主要集中在轮盘进口的局部ꎬ而非工作流量下风机的叶轮流道进口处出现大面积低压区域ꎬ表明非工况流量下风机的效率较低主要是受气流从集流器流道流入叶轮流道过程中的冲击损失影响ꎮ(ａ)流量１３００ｍ３/ｈ时全压分布(ｂ)流量５６０ｍ３/ｈ时全压分布图１２㊀风机叶轮流场的全压分布４㊀结束语本研究针对一种新型风机ＭＥ１０３ꎬ提出以进气试验与ＦＬＵＥＮＴ仿真相结合的方法来探索其内部流场的规律ꎬ结果表明:(１)该离心风机蜗壳张度不够大ꎬ叶轮在蜗壳中的安装位置不佳ꎬ导致叶轮在出口侧伸出长度不够ꎬ蜗舌间隙过大ꎬ增大了风机的流动损失ꎻ(２)平盘式的风机叶轮设计ꎬ致使叶轮流道内截面积逐步增加ꎬ在叶轮流道出口处极易产生二次流ꎬ增㊀大流体损失ꎬ但考虑到该叶轮为装配型叶轮ꎬ在工艺上较难实现锥形叶轮ꎬ可以考虑轮盖开隙的优化方法ꎻ(３)通过对比工况流量下和非工况流量下风机的速度矢量图㊁静压和全压分布矢量图ꎬ得到了风机流量对效率影响的主要因素ꎬ得到了风机内部流场的一般规律ꎮ参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ):[１]㊀刘小民ꎬ魏㊀铭ꎬ杨罗娜ꎬ等.内凹式蜗舌对多翼离心风机气动性能和噪声影响的研究[Ｊ].西安交通大学学报ꎬ２０１７ꎬ５１(１２):１￣８.[２]㊀周水清ꎬ李㊀辉ꎬ王㊀军ꎬ等.集流器偏心对前弯离心风机气动性能影响分析[Ｊ].工程热物理学报ꎬ２０１５ꎬ３６(７):１４６６￣１４７０.[３]㊀方㊀挺ꎬ杨㊀昕ꎬ温选锋ꎬ等.改变蜗壳安装位置提高多翼离心风机性能的试验研究与数值分析[Ｊ].流体机械ꎬ２０１３ꎬ４１(９):１￣６.[４]㊀李㊀辉ꎬ王㊀军ꎬ周水清ꎬ等.叶片数对多翼离心风机性能影响的分析[Ｊ].风机技术ꎬ２０１７ꎬ５９(２):１９￣２２.[５]㊀ＫＩＭＪＨꎬＣＨＡＫＨꎬＫＩＭＫＹꎬｅｔａｌ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａ￣ｔｉｏｎｏｎＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａＣｅｎｔｒｉｆｕｇａｌＦａｎｗｉｔｈＳｐｌｉｔｔｅｒＢｌａｄｅｓ[Ｊ].ＩＪＦＭＳꎬ２０１２ꎬ５(４):１６８￣１７３.[６]㊀ＰＯＬＡＮＳＫＪꎬＧÁŠＰÁＲＲ.ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＣｅｎ￣ｔｒｉｆｕｇａｌＦａｎｗｉｔｈＦｏｒｗａｒｄＣｕｒｖｅｄＢｌａｄｅｓ[Ｃ].ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＡＳＭＥ２０１２ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｇｒｅｓｓａｎｄＥｘｐｏｓｉｔｉｏｎꎬＨｏｕｓｔｏｎ:ＡＳＭＥꎬ２０１２.[７]㊀简晓书ꎬ陈㊀强ꎬ赛庆毅ꎬ等.小型后向离心风机叶轮叶片出口宽度对性能的试验分析[Ｊ].风机技术ꎬ２０１７ꎬ５９(５):７１￣７６.[８]㊀续魁昌ꎬ王洪强ꎬ盖京方.风机手册[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ２０１０.[９]㊀张吉礼ꎬ马良栋ꎬ任晓东.Ｇｈｏｓｔ离心叶轮内部湍流流动数值模拟[Ｊ].流体机械ꎬ２００９ꎬ３７(３):１９￣２３.[１０]㊀徐立章ꎬ于丽娟ꎬ李耀明ꎬ等.双出风口多风道离心风机内部流场数值模拟[Ｊ].农业机械学报ꎬ２０１４ꎬ４５(１０):７８￣８６.[１１]㊀丁问司ꎬ何祥滨.吸粮机三级离心风机内部流场的数值模拟[Ｊ].农业工程学报ꎬ２０１１ꎬ２７(１１):７８￣８４.[１２]㊀杨国来ꎬ张婧芳ꎬ叶建中.黑水调节阀固液两相流数值模拟及内流场分析[Ｊ].液压气动与密封ꎬ２０１６(１２):４￣７.[１３]㊀杨华运.对旋风机轴向间隙变化对内流特性影响的数值分析[Ｊ].风机技术ꎬ２０１６ꎬ５８(４):３４￣３７.[１４]㊀ＥＮＤＡＬＥＷＡＭꎬＤＥＢＡＥＲＣꎬＲＵＴＴＥＮＮꎬｅｔａｌ.ＡｎｅｗｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＣＦＤｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｔｏｗａｒｄｓａｉｒ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｏｒ￣ｃｈａｒｄｓｐｒａｙｉｎｇ.ＰａｒｔＩ.ｍｏｄｅｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｎｓｐｒａｙｅｒａｉｒｆｌｏｗ[Ｊ].Ｃｏｍｐｕｔ￣ｅｒｓ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅꎬ２０１０ꎬ７１(２):１２８￣１３６.[１５]㊀成心德.叶片式泵通风机压缩机(原理㊁设计㊁运行㊁强度)[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ２０１１.[编辑:张㊀豪]本文引用格式:何小笛ꎬ纪爱敏ꎬ彭利平ꎬ等.离心通风机内部流场的数值分析[Ｊ].机电工程ꎬ２０１８ꎬ３５(６):５６６－５７１.ＨＥＸｉａｏ￣ｄｉꎬＪＩＡｉ￣ｍｉｎꎬＰＥＮＧＬｉ￣ｐｉｎｇꎬｅｔａｌ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１８ꎬ３５(６):５６６－５７１.«机电工程»杂志:ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｍｅｅｍ.ｃｏｍ.ｃｎ１７５第６期何小笛ꎬ等:离心通风机内部流场的数值分析。

275 多翼离心风机降噪优化研究

多翼离心风机降噪优化研究青岛理工大学王刚，郑小锋，周睿，胡松涛，刘国丹摘要：本文对某型号多翼离心风机内流场进行三维数值模拟，发现风机前盘附近蜗舌下方存在的回流区域是影响噪声的重要因素，针对该区域，采用改变蜗舌弧度及蜗舌纵向偏移量的优化方法，达到降噪的目标。

关键词：多翼离心风机三维数值模拟蜗舌弧度蜗舌纵向偏移量降噪1 引言随着计算流体力学和计算机技术的发展，风机的性能优化及降噪已逐渐采用数值流场模拟的方式，与传统的试验测量方法相比，数值流场模拟有投资少、研究周期短的特点。

风机噪声中占主导地位的是空气动力噪声，主要有旋转噪声和涡流噪声两部份组成[1][2]，由于在蜗舌附近叶轮与蜗壳的间隙最小，气流不均匀性最强，所以在蜗舌部位产生的旋转噪声也最强。

通过调整蜗舌对风机降噪的方式有改变蜗舌半径及蜗舌间隙错误！未找到引用源。

[3]、改变蜗舌形状或倾斜角[4][5]等方法。

本文通过计算多种蜗舌弧度和蜗舌纵向偏移量的工况，以分析蜗舌弧度及纵向偏移量对风机噪声产生噪声。

2 物理模型2.1 风机的结构参数本论文所研究的风机为多翼离心风机，叶片数Z=60，叶轮外径D2=220mm，轮径比D1/D2=0.85，叶片进口安装角β1=90°，出口安装角β2=158°，叶片均为单圆弧厚度直叶片，叶片厚度δ=0.4mm，叶片圆弧半径D=19.18mm；集流口与叶轮之间的轴向间隙取6mm，选用同心的叶轮和蜗壳，其结构如图1所示。

图1 风机结构示意图2.2 风机物理模型假设风机运行时，内部气流流动较为复杂，做如下假设：（1）由于多翼离心风机中压力，速度不是很大，故忽略空气密度的变化，假设流动为不可压流动，视气体的物性为常数；（2）对湍流运动引入各向同性假设；（3）简化风机进、出风口及风机蜗壳的局部结构变化；（4）假设流动中无热量交换。

2.3 边界条件设定定义叶轮区域为旋转区，采用多重旋转坐标系，转速n=800r/min，其余区域为静止区，采用静止坐标系，坐标系原点位于进风口圆心，Z轴垂直进风口；叶片表面为旋转壁面，旋转壁面与静止壁面满足无滑移条件；风机进气口及出气口均为压力边界条件，压力值取大气压。

基于非线性湍流模型的多翼离心风机内部流场三维数值模拟及性能预测

文章编号：1005－0329（2012）10－0041－05收稿日期：2012－02－09基于非线性湍流模型的多翼离心风机内部流场三维数值模拟及性能预测李亮，王瑞，金晗辉（浙江大学流体工程研究所，浙江杭州310027）摘要：采用三维时均Navier-Stokes 方程，在显式代数雷诺应力湍流模型（EASM ）的基础上，通过引入扩展内禀平均旋转张量，建立了多翼离心风机数值模拟方法。

基于数值模拟结果的性能预测和实验结果吻合良好，证实了所采用的计算模型和数值方法的可行性。

通过数值模拟，分析了叶轮流道内速度场和压力场的分布，数值模拟结果表明叶轮流道呈现非常复杂的三维特性，在叶轮前盘存在二次涡流，吸力面则存在流动分离，并发现低能量的流体聚集在前盘区域，并分析比较了不同流量下流道中分离流动的情况。

关键词：CFD ；多翼离心风机；非线性湍流模型中图分类号：TH43文献标识码：Adoi ：10．3969/j．issn．1005－0329．2012．10．009Three Dimensional Numerical Simulation of Internal Flow Field in Multi-bladeCentrifugal Fan ased on the Non-linear Turbulent ModelLI Liang ，WANG Rui ，JIN Han-hui（Institute of Fluid Engineering ，Zhejiang University ，Hangzhou 310027，China ）Abstract ：Based on the three-dimensional RANS and explicit algebraic stress models （EASM ），a new method ，which the ex-tended intrinsic mean spin tensor is instead of the intrinsic mean spin tensor ，is developed to simulate the turbulent flow in a multi-blade centrifugal fan．The comparison of performance based on the simulating results with the experiment shows the simula-tion method is reliable．The velocity and pressure distribution of internal flow shows that the flow in impeller is very complicated ，some essential characteristics of internal flow ，such as separated flow on the suck side and the second flow on the front plane ，have been observed．Additionally ，the lower energy fluid is accumulated on the front plate area．Key words ：CFD ；multi-blade centrifugal fan ；non-linear turbulent model1前言多翼离心风机因其结构紧凑，压力系数高、噪音低而被广泛应用在油烟机、空调换气系统等场合。

多翼离心风机设计

a) 过宽叶片 b) 正常宽度叶片过宽叶轮和正常宽度叶轮的比较

2 通常取叶片宽度 b D2 5
2.3 叶片及流道设计
• 为了制造方便，叶片一般为圆弧形； • 根据气流在叶道内速度变化的情况，叶道可分成：
a)
b)
c)
a)先减速后加速流道:δ>90°，损失大，效率低，目前少采用； b)气流速度基本不变的流道：δ≤90°，气流速度在叶道中基本不变，相对速度保持不变。常用δ=90°； c)加速流道：流道截面积不断减小，气流不断加速，具有高效低噪特点。
• 多翼离心风机的流量系数
4 DbC1m
式中： D ——叶片入口轮径比 D D1 / D2 b ——叶片相对宽度 b b / D1 • 为了得到较大的流量系数，应当增加 D 。所以叶轮的轮径比比一般叶轮的大得多，通常取 D 0.8 ~ 0.95 。
2.2 叶轮宽度
• 增加叶片宽度 b 同样使风机的流量系数增加。所以多翼型叶轮的叶片宽度 b 也比一般叶轮大。 • 但是，叶片宽度也不能过大，否则靠近前盘处将形成较大的漩涡区或倒流，引起效率的降低。
直径比
栅距
0.8
0.85 叶片数
0.9
0.95
t 0.7 Rk t 1.0 Rk
64 44
85 60
127 89
254 178
2.5 压力系数
• 便于分析，取叶片中心角 90 ， 1 2 90 其进、出口速度三角形如图所示：
c1 c1r u1 tan 1
1 1 A R R2 R2 [m (m ) 2 (m )3 ] 2 3 2
A R2 m
就是阿基米德螺旋线方程。 • 螺线终了截面的张开度：

通风散热离心风机三维数值仿真与实验研究

通风散热离心风机三维数值仿真与实验研究多翼离心风机的设计要求较高，需要同时满足流量大，噪声低，工况点位于最高效率点等要求，而在设计初期很难对其气动及声学性能进行有效控制。

本文建立包括离心风机叶轮及蜗壳在内的三维全流场几何模型，完成风机的流体力学仿真计算，并对风机流量-压力性能及噪音进行了实验测试，对离心风机的优化仿真设计具有重要作用。

标签：多翼离心通风机；非定常；仿真；实验0 引言通风散热离心风机的设计包括气动性能、结构强度等方面，其中气动性能最为重要[1]。

对于离心风机的设计要求一般包括：流量大，工况点位于最高效率点附近，效率曲线尽量平坦，调节性能好，噪声低，抗压能力强，维护方便等[2]。

1 研究模型离心风机设计过程中需要根据风量、压力等设计要求，首先完成离心叶轮的设计，之后通过等边基方法或者不等边基方法确定蜗壳内壁型线[3]，图1所示为某通风散热多翼离心风机的叶轮及蜗壳设计。

仿真的网格模型采用四面体网格进行划分[4]，最终生成体网格数量约300万。

2 实验研究仿真计算的同时对离心风机的主要性能参数进行了实验测试，图2所示为不同出口背压工况下的风机流量，图3所示为风机噪音的测试数据。

从图2多翼离心风机的流量-压力性能曲线可以看出，风机最大压头约120Pa，最大流量约0.25m3/s。

从图3风机噪音测试曲线可以看出，该风机在350Hz时的噪音存在明显峰值。

3 仿真结果3.1 速度场图4所示为离心风机典型截面的速度场，从中可以发现，在蜗壳出口区域存在明显的高速区，气流的流动路径是沿离心风机轴向进入，沿径向流出风机。

离心风机叶轮周围的气流流动分布趋势都是类似的，叶轮与蜗壳间隙之间的流动轨迹随蜗壳型线的变化而不同。

整体看来，离心风机的气动性能较好。

3.2 气动噪声为了进一步对离心风机的噪音测试数据进行分析，获取离心风机蜗壳及叶轮表面的气动噪声数据，如图5所示。

可以看出，蜗壳蜗舌区域存在明显的高噪音区域，相对应的，与蜗舌接近叶片的气动噪音数据也高于其他叶片，说明叶轮与蜗舌之间的气流旋转运动是离心风机的主要气动噪声源。