流体力学结课论文

离心通风机气体流动的流体力学分析

摘要:本文从流体力学的角度进行了详尽的分析研究，介绍了风机的选型对抽风量的影响，探讨了管路系统中的摩擦阻力、局部阻力、风管直径大小、弯头的曲率半径等对风量风压的影响；同时介绍了离心风机特性、抽风系统的管网特性，管网中实际阻力与风机额定风压及风量的关系；应用计算流体力学软件FLUENT 对4-73 №10D离心式通风机内部的三维气体流动进行了数值模拟分析，重点分析了各个部分的压强和速度分布。

关键词：管网特性；离心式通风机；三维数值模拟；压力场；流场

1 引言

由于通风机流场的试验测量存在许多难，使得数值模拟成为研究叶轮机械流场的一种重要手段。随着计算流体力学和计算机的快速发展，流体机械的内部流场研究有了很大的进展，从二维、准三维流动发展到全三维流动。Guo和Kim 用定常和非定常的三维RANS方法分析了前向离心通风机流动情况；Carolus和Stremel通过CFX针对风机进风处的湍流分析得出压强和噪声的关系；Meakhail 等利用PIV试验方法和CFX模拟相结合的方法对叶轮区域进行了分析。但是很多的研究者都是选取某一个流道或单元作为研究对象，从而忽略了蜗壳的非对称性导致流动的非轴对称性，或者把实际风机模型简化无法得到真正的内部流场。本文运用商业软件FLUENT6. 3，对4-73№10D离心式通风机在设计工况下进行定常三维流动数值模拟，捕捉内部流动现象，揭示风机流动实际情况，为风机的进一步改进，扩大运行工况提供理论依据。

2 抽风系统的流体力学分析

2.1 摩擦阻力对抽风量和风压的影响

空气沿通风管道内流动时会产生两类阻力，一是由空气和管壁间的摩擦所造成的摩擦阻力（又称沿程阻力）；二是空气经过风管内某些部件（如弯头、三通、吸风罩、蝶阀等）时发生方向和速度的变化以及产生涡流等原因而产生的局部阻力。圆形风管单位长度的摩擦阻力可按下式计算：

2νρ

λD P mr =

式中： P mr ——圆形风管单位长度的摩擦阻力，Pa/m ；

λ —— 摩擦阻力系数；

ν —— 风管内空气平均流速，m/s ；

ρ —— 空气的密度，kg/m 3；

D —— 圆形风管的直径，m 。

在计算这两类阻力时，通常是按照层流状态来取摩擦阻力系数λ的，这时，沿程的压力损失与空气流速的一次方成正比，当流速增大超过临界流速Re ＝2 300 时，风管内的空气流型变为紊流状态，则管内沿程的压力损失与空气流速的

1.75～

2.0次方成正比，也就是说，沿程阻力增加了近1倍。

通常把风管内壁看作是水力光滑管，即管壁的绝对粗糙度K ＝0.1 mm 来计算的，而实际上，使用一段时间后，风机叶轮、风管、弯头、伞形抽风罩、折流板气水分离器等处内壁沾满了油漆，这时风管内壁已经变成了水力粗糙管（或称阻力平方区），管壁的绝对粗糙度值K ≈0.9～3.0 mm ；这时，单位长度实际摩擦阻力 P ′ mr 应为计算单位长度摩擦阻力乘以修正系数β，即：

P′ mr ＝β × P mr

假设：风管内空气流速为10 m/s ，绝对粗糙度值K ＝0.1 mm ，则：

修正系数β＝（Kν ）0.25＝（0.1 × 10）0.25＝1 （1）式中：K ——风管内壁绝对粗糙度，mm；

ν ——风管内空气流速，m/s。

再假设：风管内空气流速不变，仍为10 m/s，但绝对粗糙度值K＝1 mm，则：

修正系数β＝（Kν）0.25＝（1×10 )0.25＝1.78 （2）也就是说，这时单位长度风管内的摩擦阻力是原来的1.78 倍。

再假设：风管内空气流速为10 m/s，绝对粗糙度值K＝2 mm，则：

修正系数β＝（Kν）0.25＝（2×10 ）0.25＝2.114 （3）这时，单位长度风管内的摩擦阻力是原来的2.114 倍。

还有一个很重要的原因是，很多厂家在使用水帘喷漆室时，不添加或不按时按量添加漆雾絮凝剂，再就是不定时打捞漆泥漆渣，水中大量的漆泥随着循环水流挂在折流板、挡水板、涡旋板、风管内壁上，使得内壁绝对粗糙度大幅增加，摩擦阻力也增加了许多倍。这就是众多的喷漆室使用一段时间后风压下降、抽风量减小、漆雾外溢的原因之一。笔者认为，设计时风压选择不能仅仅放10％～20％的余量，而是最好增加80％左右的富余量；要定期清理风机叶轮、蜗壳、风管、折流板等抽风系统内的漆泥，而这是许多厂家不注重的，应对操作人员进行使用和维护的培训。

2.2 局部阻力的影响

在风道中流动的流体，在通过弯头、阀门、变径管等处，方向和断面积大小发生改变，有可能产生涡流损失或碰撞损失，这些称为局部阻力。

风道部件的局部阻力可按下式计算：

22ρ

νξ=∆P

式中：Δ P ——风管部件的局部阻力，Pa ；

ξ——局部阻力系数；

ν ——风管内空气平均流速，m/s ；

ρ —— 空气的密度，kg/m 3 。

在一般通风系统中，由于风管中各部件形状不一，局部阻力系数很难计算，通常通过试验测定，而后查表确定。而实际风管系统由于管径、流速、介质、曲率半径、渐扩角等大小不一，一旦有1个参数变化，其管路系统中实际局部阻力也是变化的。例如，折流板汽水分离器在使用一段时间后，表面会沾上漆泥，使得局部阻力增大，空气流速下降；断面面积变小，又使得空气流速加快，空气中含漆雾颗粒增加，空气密度增大，局部阻力系数也会变大，在这种状况下，气体会产生漩涡，气流变成紊流状态，这些因素都会导致折流板处的局部阻力增大、 抽风量下降。

局部阻力系数 ξ 是针对某一过流断面平均流速而言的，但是，各种管件的局部阻力损失，不是发生在流动的某一断面上，而是发生在一段长度的流段中，如果2个部件相隔太近，那么它们之间就会相互影响，这时流动的状况就复杂了，就不能用手册中给定的ξ来计算了。因为，手册中的ξ值都是在没有其它阻力影响的条件下测定的。例如：为了降低喷漆室的高度，在喷漆室后部顶上，往往是1个伞形吸风罩和蝶阀、弯头及风机吸风口直接连接，中间很少有直管过渡，这时，这一流段的局部阻力就不是几个部件的阻力相加那么简单了。阻力系数ξ会有变化，管道中会产生漩涡，主流受到压缩或扩散，流速分布会迅速改组，黏性阻力和惯性阻力都会显著增大。