无蜗壳风机分析与优化设计

着直接影 响 。因此 ， 为 了降低 因为 网格 计算 所导 致 的 误差 ， 需 要 通 过 对 网 格 无 关 性 的分 析 和 研 究 来 达 到 科 图 １ 原 始 实 际模 型 学计算 网格 的 目的。同时 计算 网格数 为 １ ６ ３ 万和８ ６ 万 的情况 。在相 同条件 下 ， 静压 为 １ ９ ３ ０ Ｐ ａ ， 网格数 １ ６ ３ ２ 网 格 划 分 万 时计算得 到的质量流 量为 ２ ． ４ ７ ８ ５ ｋ ｇ ／ ｓ ， 网格数 为 ８ ６ 从子午 面网格 可 以看 出 ， 计算 区域可 以分 为进 风 万时质量流量 为 ２ ． ４ ７ ９ ８ ０ ｋ ｇ ／ ｓ ， 可 以看 出网格 导致 的误 口区、 叶轮流 道 区 以及 前后 延 伸 区三个 区域 。其 中叶 轮流道是通过 Ｎ ＵＭＥ Ｃ Ａ叶轮 机械部 分 的网格生 成模 差 很 小 。 收敛标准 为： 随着 迭代次 数 的增 加 ， 进 出 口质量流 块 Ａｕ ｔ ｏ Ｇｒ ｉ ｄ 来 对 网格 进行 整 体划 分 的 。在 网格 生 成 量应控制在 ０ ． １ 以 下 ， 在 迭代 步 数 的增 加， 压 比、 效 的过程 中 ， 根据选择 的 Ｓ —Ａ湍 流模型 ， 叶轮 近壁 面第 率 、 扭矩等性能参数保持稳定 ， 不发 生改变 。 层 网格距离选取 ０ ． ０ １ ｍ ｍ， 将 Ｙ＋值控制在一定 的低 通过测试数 据 与变 工况计 算结 果对 比， 发 现实 验 雷诺数湍流模 型要 求 的范 围之 内 ， 位 于壁 面附 近 的 网 试 验结 果与模 拟 结果最 接 格是沿壁 面法 向方 向呈 几何 级数 加 密 的， 其数 量是 该 结果均低于数值 模 拟结 果 ， 方 向网格 总数 的 １ ／ ３ 左右， 网络 总数约 为 １ ６ ３ 万， 而边 近 的地方 出现在 设 计 工况 点 附 近 。经 过 研 究 可 以发 效率在大流量 区是不断加 大的 ， 而在小 流量 区是 不 界层外的 网格分 布均 匀 。在 计算 的 过程 中 ， 需 考虑 进 现 ， —Ａ湍 流模 型在模 拟大分 离 出 口与离心 叶轮 的间 隙以及 出 口等截 面延 伸 ， 以 防止 断缩小 的。分析发现是 Ｓ 进一步分析也发现 Ｓ —Ａ湍流模 计算域 的出 口截 面回流 ， 影 响计算 收敛 性 ； 根 据离心 风 工况时不准确造成 的， 型在设工 况模 拟 时准确 度较 高 。同时 ， 根据 离心 通 机 的流动特点可 知 ， 一 般而言后盘 流动较 为均匀 ， 主要 风机的性能 曲线特点 ， 在大流量 区域压 比变化大 ， 流量 的流动 问题集 中在 前盘 ， 因此 位 于后 盘 的轮毂 对整 体 变化小 ， 应该用给定压力条件计算 流量 ； 而在 小流量 区 流动 的影 响偏小 ， 故对 轮毂 的型线做 简化处 理 ， 仅保证 域， 流量 变化大 ， 压 比变化小 ， 这时候应 该用 流量条 件
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｂ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． １ ９ ３ １ １ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ６ ７ ２ — ３ １ ９ ８ ． ２ ０ １ ７ ． １ ６ ． ０ ９ ０
０ 前 言
随着科学技 术 的不 断发 展与 进步 ， 在 工程 设备 领 域 的研 发 中， 数 值 的计 算方 法 也更 加科 学化 。在对 旋 转 机械性 能预 测 、 内部 流动 数 值 模 拟 、 研 发 改 型等 方 面， Ｃ Ｆ Ｄ技 术 已被 广 泛采 用 。在 国外 ， Ｃ Ｆ Ｄ技 术 也 被 广 泛运用于工程 产 品 的预研 和设 备改 造 ， 并 取 得 了 良 好 的经济效益 。实验研究及数 值模拟是 探索 叶轮机 械 内部 流动规律 的科学研 究方法 ， 通过 运用 Ｃ Ｆ Ｄ技术 还 可 以发 现在试验研究和理论分 析 中无 法预见 的新 的流 动现象 ， 从 而为 优化 设计 提 供理 论依 据 。基 于 以上认 识， 可依 据叶轮机械全三维流 场数值计 算技术 ， 对无 蜗 壳风机进 行优化 ， 改进其 叶轮 中弧线 ， 以提高其性能 。 １ 算 例 简 介
部 的流场结构 ， 基 于数值模拟 结果 ， 以图表 形式给 出 了气动性 能参数 和流场 内部 的细节 ， 详 细分析 了叶轮 内的主 要 流动特 性 以及流道 内流场 的损 失来 源， 通过 对 比分析得 出比较理 想 的叶 片中弧线 型线 ， 有 效 的削弱 的流动分 离， 减 小流动损 失 ， 在设计点 附件效 率提 高 了约 ７个百分点。 关键 词 ： 无蜗 壳风机 ； 流场分析 ； 叶 片型线
其 面积基本不变 ， 以模 拟其对 流体通 道的堵 塞作用 。
３ 边 界 条 件 及 数 值 方 法
通过将 Ｎ ＵＭＥ Ｃ Ａ ／ Ｆ Ｉ Ｎ Ｅ软件 包 的 Ｅ ｕ ｒ ａ ｎ ｕ ｓ 求 解 器应用于数值 计 算 ， 利用 Ｊ ａ ｍｅ ｓ ｏ ｎ的有 限体 积 差分 格 式与 Ｓ ｐ ａ ｌ ａ ｒ ｔ －Ａｌ ｌ ｍａ ｒ ａ ｓ 湍 流模型 相结 合 的方 法 ， 来 求 解相对坐 标 系下 的三 维 雷诺 平 均 Ｎａ ｖ ｉ ｅ ｒ —Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 方 程 。Ｓ —Ａ 湍流模 型是连 接代数零 方程 Ｂ ａ ｌ ｄ ｗｉ ｎ — Ｌ ｏ ｍａ ｘ 模型和两方程 模 型 的桥 梁 ， 拥 有 能够处 理复 杂 流动 的能力 ， 具有较好 的鲁棒 性 ， 在旋转机 械领域得 到 广泛运用 。其一 方 面利用 显 式 四阶 Ｒ ｕ ｎ ｇ ｅ —Ｋ ｕ ｔ ｔ ａ法 时间推进 以获得定常解 ， 为 了提高计算效 率 ， 将二 阶和 四阶人工粘性项 加入 进去 ， 可 以较好 的消除伪 数值 振 荡 。另一方面 ， 也采取 了多种加 速收敛措施 ， 如局部 时 间步长 、 多重 网格法 、 残差光顺 等 。在旋转 坐标 系下对 叶轮网格求解时 ， 假设 风机 叶轮 在 圆周方 向上 是周期 的， 可采 用单 流道 叶轮 网格进行 计算 ， 进、 出 口延伸段 定义为无粘的欧 拉壁 面 ， 计 算轴 向推 力和扭 矩 时选择 计算 域中旋转的 固体壁面 。在定 常三维流场 计算 中对 每一个 工况点分别进行计算 ， 进 口给定总 温 ， 总压和气 流角 ， 出 口给定 静压 。通过 改变进 口总压来 获 得不 同 工况点 的气动性 能参数 ， 变 工况计 算 采用试 验测 量参 数作 为边界条 件 。工质为空气 ， 并 做低速流动预处 理 。
原型 直径 为 ３ ． ９ 米 的左旋 叶轮 ， 叶片数 为 ９叶 ， 叶 片厚度为 ３ ｍｍ， 配有进风 口。进 口接测试 管道 ， 出 口直 通 大 气 。在 大 气 压 力 １ ０ １ ３ ２ ５ Ｐ ａ ， 温度 ２ Ｏ ℃， 转 速 ３ ４ ９ ５ ｒ ／ ｍｉ ｎ时 ， 指定静压 下 达不 到所 需 流量 ， 并 且 效率 过低 ， 因此对模 型进行分析 ， 观察 流场 中存 在流 动损失 的部位 ， 进行优 化 。
无蜗 壳 风 机 分 析 与优 化 设 计
李建森 朱与伦 王 磊
（ 洛 阳北玻 台信风机技 术有 限责任 公 司， 河南 洛阳 ４ ７ １ ０ ０ ３ ） 摘 要： 对某型号无蜗 壳风机 的三维流场进行数值模拟 ， 使用 Ｃ Ｆ Ｄ软 件获得 叶轮 、 各种优化 方案叶轮 的气动 性 能参数 和流动 内部详 细的气动 参数 ， 提 高相 同静压下叶轮 的流量和 效率。对原型 叶轮 进行 变工况计算 ， 分析 内