离心风机CFD模拟及改进

2005 Fluent 中国用户大会论文集

由于CFD计算可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场等特性,因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能,而且很容易从对流场的分析中发现产品和工程设计中的问题,所以在国外已经逐步得到广泛的应用。另外,跨学科组合优化设计方法也已经成为复杂叶轮产品的设计平台。

如今,CFD技术运用于风机的实例在我国已不少见,但由于计算机计算能力的限制,模型过于简单。如单独一个离心叶轮的流道或单独算一个蜗壳;或运用一个流道与蜗壳迭代计算的方法研究风机内部流动,上述模型均忽略了由于蜗壳型线的非对称而导致叶轮各叶道流动呈现的非对称流动特征,而且从离心风机通道内流场分析来看,各部件间的相互影响很严

重,所以,必须充分考虑它们之间的相互影响,不能孤立地分别研究[2]。

本文应用Fluent流动分析软件,计算某型号离心通风机全流场,详细得到通风机内部流场流动情况,并根据气动流场,对叶轮前盘

形状和蜗壳出口部位等进行优化设计,同

时,运用多学科优化平台软件OPTIMUS集成流体计算软件FLUENT,优化计算通风机进口型线,比较集成优化型线与单独用Fluent

反复计算的结果,两者基本接近,说明集成优化是可信的。

将流动区域分为三部分:通风机进口部分、叶轮和蜗壳。进口部分和蜗壳是静止元件,叶轮转动,采用gambit进行参数化建模。整个通风机的网格数为80 万,网格采用四面体和六面体混合的非结构网格技术。

气体在通风机内流动时,它的气动性能在很大程度上由它本身的造型决定。由于流道形状、哥氏力和粘性力的影响,通风机内的气体流动十分复杂。一般认为气流在叶轮内的相对运动和在静止元件内的绝对运动为定常流,而且通风机内的气体压强变化不大,可忽略气体的压缩性。因此,通风机内的流动是三维、定常、不可压缩流动。求解相对稳定的、三维不可压缩雷诺平均N-S方程,湍流模型采用标准的εκ?两方程模型,采用一阶迎风格式离散方程,用SIMPLE方法求解控制方程。在OPTIMUS提供的优化算法中,采用序列二次规划算法。 3 数值计算结果与分析 3.1原通风机建模及数值模拟原有离心通风机存在风量不足、风压不均匀等问题,所以首先对原通风机模型进行数值模拟,分析其内部气流流动状况,找出问题所在。图 1 原通风机子午面的速度分布表2 原通风机回转面的速度分布叶轮出口部位的速度

分布很不均匀,在叶轮前半部分,叶轮不出风反而进风,所以此处有较多逆流存在。观察叶轮子午面上速度分布如图1所示,可以看到叶轮出口明显的逆流现象。风机出风口有较多逆流现象,如图2所示。通过上述流场仿真计算,可以确定原通风机的气动性能很不好。分析气动流场,认为性能差的原因主要基于三个方面:1叶片进口部位缺乏导流部分,气体流动的流线不能折转,所以造成叶片前半部分压强低,产生逆流。由于叶轮出口有较多逆流,导致进入蜗壳的气流速度不均匀。2原模型叶轮

采用前向叶片,叶轮的前盘采用平前盘。平前盘制造简单,但对气流的流动情况有不良影响[3]。3通风机蜗壳出口的面积过大,所以在蜗壳出口处压力过低而产生较多的逆流。3.2通风机改型优化计算优化是对通风机改型以得到较好

气动性能的过程。针对原通风机模型气动流场中存在的问题,在结构上作一些相应修改。3.2.1 改进模型A 针对原通风机模型计算中存在的叶片前半部分逆流

现象严重的问题,将叶轮前盘改为弧线型,使计算结果改善。但由于将叶轮的前盘改为弧形,而使叶轮出口宽度减小,所以为了不降低流量,将叶轮的轴向尺寸增加。叶轮出口宽度增加到252mm。如此改动后,叶轮沿子午面速度分布如图3所示。改为

弧形前盘,对气流进行导流,则气动性能改善。与原模型相比,通风机的出口风压增加24.9%,出口流量增加17%,轴功率增加9.4%,效率增加7.6%。2005 Fluent 中国用户大会论文集90 气动性能有所改善,但轴功率增加。通过观察通风机内部气流

的流动情况,叶轮进口部位的流动得到好转,但蜗壳出口部位的流动仍然不好,蜗壳

出口仍然存在着逆流现象。3.2.2 改进模型B 在模型A的基础上,把蜗壳出口部位的尺寸减小,消除了蜗壳出口逆流的现象。蜗壳出口截面的位置没有改变,但尺寸减小。出口风量有所减小,但转矩减小,轴功率减小,出口总压增加,效率提高。可见气动特性有很大的提高。原蜗壳模型改进模型B 图3 蜗壳改动前后z=-0.2 压力分

布蜗壳出口改动之后,出口截面尺寸减小,质量流量有所下降,但蜗壳出口逆流面减少,效率提高7.4%,轴功率减小12%。说明改动使通风机内部的气动流场得到较大改善。3.2.3 改进模型C 离心式通风机的空气动力特性除了取决于叶轮内部的结构

之外,还与通风机的进口形状密切相关,进口又称为集风器,其形状对风机的性能有很大的影响。在改进模型B的基础上,进一步改善叶轮进口的流动情况。对进口管道处做成缩放型,从而与叶轮轮盖处的曲线对接,使流动平缓地从轴向转向径向使进口气流缓慢从轴向向径向过渡。通风机网格数130万。通过多次改变进气管形状计算,最终得到较好模型。改进模型的气动性能大为改善,通风机出口总压增加14.1%,出口流量增加6.9%,效率提高8.21%,轴功率增加0.1%。所以通风机进口部位型线

对气流的导向作用非常关键。若把物体制成流线型,可使边界层的分离点后移,甚至不发生分离,阻力系数大大减小。在此,一方面减小阻力,另一方面对气流流动起导向作用,使叶轮进口速度分布均匀,流动状况好转。2005 Fluent 中国用户大会论文集91 图 4 改进模型C沿叶轮子午面速度分布图5 改进模型C回转面速度分布图

6 通风机内部气流运动轨迹在子午平面上,流动被很好的导向。由于蜗壳的存在,使得每一个流道内的速度和压力分布是非对称的。表一模型改进性能参数一览表出口总压(Pa) 出口流量(kg/s) 转矩(N·m) 轴功率(W) 效率原始模型2014 5.294 122.

7 38033.4 22.9% 改进模型A 2515.9 6.193 134.3 41600 30.5% 改进模型B 2951.5 5.746 117.9 36539 37. 9% 改进模型C 3368.

8 6.141 118.1 36607

46.1% 通过上述通风机结构的改变,多方案比较,改型后的叶轮气动性能改善。叶轮出口和蜗壳出口没有逆流,出口流量均匀。出风量和风压有所提高,效率提高,轴功率基本小于或等于原模型的轴功率。与原模型相比,通风机的出口流量增加16%,出口总压增加67.3%,轴功率下降3.8%,效率增加23.2%。 4 基于OPTIMUS与FLUENT 的离心通风机进口优化在数值化的今天,新产品的开发周期越来越短,产品的成本需要大幅降低,而产品的外延性以及拓展空间又需要极大的扩展,这就需要广泛地采用