離心風(fēng)機(jī)整機(jī)三維數(shù)值仿真方法及分析（續(xù)）
關(guān)鍵詞：離心風(fēng)機(jī) 發(fā)布時(shí)間：2013-09-04 點(diǎn)擊數(shù)：2534
模型的選取
以離心風(fēng) 機(jī)作為研究對(duì)象, 利用 DES公司的三維造型軟件 UG。風(fēng)機(jī)原始設(shè) 計(jì)參數(shù)為: 轉(zhuǎn)速 n = 2900r /m in。葉輪主要幾何參數(shù)為 : 葉輪葉片進(jìn)口直徑 D1 = 318172 mm, 葉片出口直徑 D2 = 480 mm, 葉片 進(jìn)口高 度 b1 = 144mm, 葉 片出口高度 b2 = 96 mm, 葉輪進(jìn)口直徑 D0 = 3071 2 mm, 出口葉片角B2 = 50b 葉片數(shù) Z = 12 葉輪 采用 直葉 片。蝸殼 寬度 B =264 mm, 采用矩形斷面, 外型線為對(duì)數(shù) 螺線。
3. 2 網(wǎng)格生成
采 用分區(qū) 分塊網(wǎng) 格生成 方法將 復(fù)雜的幾 何區(qū)域 分割成若干簡(jiǎn)單的 小塊 , 然后 將每 一 小塊 區(qū)域 單 獨(dú)生 成 合適 的網(wǎng)格, *后將所有的網(wǎng)格耦合起來(lái), 整個(gè)計(jì)算 區(qū)域分為集 流區(qū)、葉道區(qū)及蝸殼 區(qū)。葉道 區(qū)利用 Num eca中專門(mén)針對(duì) 葉輪機(jī)械部分網(wǎng)格生成 模塊 Au to G rid生 成。集流器和 蝸殼部 分網(wǎng)格利用 UG 與 I 通用接口建立數(shù)學(xué) 模型, 利 用多塊網(wǎng) 格技術(shù)GG進(jìn)行劃分。整個(gè)計(jì)算單 元總數(shù)為 7387040。
3. 3 計(jì)算及邊界條件
由于對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn) 行整機(jī)仿真計(jì)算網(wǎng)格 數(shù)較多, 計(jì)算量較大, 對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高, 普通計(jì)算機(jī)很 難達(dá)到要 求, 故本計(jì) 算使用 了擁有 13個(gè) 并行節(jié) 點(diǎn)的大型 計(jì)算站, 每 個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有雙核 CPU, 2G 內(nèi)存, 有 著突出的計(jì)算能力。使用時(shí)間 相關(guān)法求解 R eyno lds時(shí)均方 程, 為了 快速計(jì)算各種復(fù)雜流場(chǎng) , 采用多塊 /多重網(wǎng)格的計(jì)算技 術(shù), 并 有多種可供選擇的對(duì)流項(xiàng)離散格 式和湍流模型。計(jì)算采用 B - L 代數(shù)模型, 對(duì)流項(xiàng)采用中 心差分 并結(jié) 合四階 耗散 項(xiàng), 時(shí)間 推進(jìn)選用四階顯式 Runge- K utta方法。計(jì)算 時(shí)使用 三重 / V 型 0網(wǎng)格循環(huán), CFL 數(shù)取值 3。由于流場(chǎng)中多處出現(xiàn)漩渦, 且在出口處渦核強(qiáng)度和渦核位置均受上 游的影響不斷 發(fā)生變化, 因此整個(gè)流場(chǎng)呈現(xiàn)了一定的非定常 特性, 因 此當(dāng)進(jìn)出口 流量發(fā)生小幅振蕩時(shí), 可基 本認(rèn) 為計(jì)算 收斂。計(jì) 算時(shí) 給定進(jìn) 口總 溫、進(jìn)口速度及進(jìn)口 氣流角, 出 口給 定背壓, 葉 輪進(jìn) 出口延 伸區(qū)和葉頂間隙給定周期 條件, 絕熱固體壁面給定無(wú)滑移條件。
4 計(jì)算結(jié)果及分析
數(shù)值計(jì)算額定 轉(zhuǎn)速 為 2900r /m in, 進(jìn) 口邊 界條 件取 無(wú)預(yù)旋, 總壓為 101325Pa 總溫為 300K (此處總 溫、,總壓 值為假定周圍大氣流速為 0時(shí) 的測(cè)量 值 ), 出 口給定 流量 和流場(chǎng) 初始壓力。進(jìn)口軸向 進(jìn)氣, 給定 靜溫 和軸向 進(jìn)口 速度, 出口 給定的背壓為大氣壓力。
4. 1 計(jì)算結(jié)果的可靠性與實(shí)用性分析
圖 1給出了試驗(yàn) 和計(jì) 算的 絕熱效 率和 壓力系 數(shù)隨 流量
圖 1 流量系數(shù)曲線
4. 2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析比較
蝸殼的高度非 對(duì)稱 特性表 明, 葉輪、蝸殼 相互 作用 會(huì)引起流場(chǎng)的非對(duì)稱性及 復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu) 。本文對(duì) 某包含離心葉輪與蝸殼一體的離心風(fēng)機(jī) 進(jìn)行了整機(jī)仿 真計(jì)算, 下面就蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)的不均 勻性和不對(duì)稱性進(jìn)行詳細(xì)分析。圖 3給出了蝸殼 進(jìn)口 處的 靜壓在 設(shè)計(jì) 工況與 變工 況下的變化曲線圖。其 中 Q 為設(shè) 計(jì)流 量, 017Q 為 017 倍設(shè) 計(jì)流量, 相對(duì)為小流量, 11 4Q 為 11 4倍設(shè) 計(jì)流量, 相 對(duì)為大 流量,H為周向角 ( 見(jiàn)圖 2)。由圖 3可以看 出, 在 變工 況時(shí)周 向靜壓波動(dòng)很大, 特別 是在 蝸舌 ( 見(jiàn)圖 2)附 近, 壓力先 急劇 下降后急劇上升, 這說(shuō)明 在變工 況時(shí), 蝸 殼內(nèi)氣 流沿 周向流 動(dòng)是非常紊亂的, 尤其是 在蝸舌 附近, 氣 流先加 速后 減速致 使流動(dòng)惡化。只有在設(shè)計(jì)工況下, 氣流沿蝸 殼周向的流 動(dòng)比較均勻, 因此壓力盡管有波動(dòng)但相對(duì)比較平 穩(wěn), 特 別在蝸舌 處, 壓力未出現(xiàn)強(qiáng)烈 的波 動(dòng)。從整 體來(lái)看, 蝸 殼結(jié) 構(gòu), 特 別是 蝸舌及其鄰近的蝸殼流道 對(duì)小流量時(shí)的空氣流動(dòng)影響顯著。受葉輪出口氣流 分布不均以及蝸殼流 道不對(duì)稱的 影響,蝸 殼入口氣 流沿周 向和軸 向分布 都不均 勻。圖 4是 各葉輪通道 (見(jiàn)圖 2)的 流量分 布圖, 由該 圖可 明顯 看出, 對(duì)于 帶蝸殼的離心風(fēng)機(jī) 由于蝸殼的影響, 各個(gè)葉 輪通道出口 流量相差很大, 如果用單一通 道模式 來(lái)計(jì) 算, 很難準(zhǔn) 確把 握這 種非對(duì)稱 性。圖 5是 *大效 率工況 下的葉 輪中心回 轉(zhuǎn)面蝸 殼相對(duì)總壓分布圖, 由圖可 以明顯 看出, 在 蝸殼內(nèi) 部遠(yuǎn) 離蝸 殼出口葉輪產(chǎn)生的壓 比較大, 而在靠近蝸殼出 口附近葉輪 產(chǎn)生的壓系數(shù)變化的無(wú) 量綱性能曲線圖。圖 1( a)表示 試驗(yàn)和 計(jì)算的絕熱效率隨流量系數(shù)的 變化, 其中 x 軸代表流量系數(shù), y 軸代表絕熱效率; 圖 1( b) 表示 試驗(yàn) 和計(jì) 算的壓 力系 數(shù)隨 流量系數(shù)的變化, 其中 x 軸代表流量系數(shù), y 軸代表 壓力系數(shù)。從圖中可以看出, 計(jì)算性 能與已 有的 試驗(yàn)數(shù) 據(jù)吻 合較 好, 誤差均在 5% 以內(nèi), 證明了數(shù)值仿 真方法的 可靠性。 但由于 計(jì)算模型中網(wǎng)格數(shù)目 、網(wǎng)格 質(zhì)量、數(shù)值 結(jié)果 帶有一 定的 非定 常波動(dòng)特性均會(huì)對(duì)計(jì) 算結(jié)果 產(chǎn)生 一定的 誤差。但 是由 于試 驗(yàn)條件的限制, 無(wú)法對(duì)內(nèi)部流動(dòng)流場(chǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行 測(cè)量, 同時(shí), 試驗(yàn)費(fèi)用昂貴, 這說(shuō)明數(shù)值仿真方法在流場(chǎng)分析 及工程設(shè)計(jì) 中具有試驗(yàn)所無(wú)法替代 的實(shí)用性。
4. 1 計(jì)算結(jié)果的可靠性與實(shí)用性分析
圖 1給出了試驗(yàn) 和計(jì) 算的 絕熱效 率和 壓力系 數(shù)隨 流量
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4. 2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析比較
蝸殼的高度非 對(duì)稱 特性表 明, 葉輪、蝸殼 相互 作用 會(huì)引起流場(chǎng)的非對(duì)稱性及 復(fù)雜渦系結(jié)構(gòu) 。本文對(duì) 某包含離心葉輪與蝸殼一體的離心風(fēng)機(jī) 進(jìn)行了整機(jī)仿 真計(jì)算, 下面就蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)的不均 勻性和不對(duì)稱性進(jìn)行詳細(xì)分析。圖 3給出了蝸殼 進(jìn)口 處的 靜壓在 設(shè)計(jì) 工況與 變工 況下的變化曲線圖。其 中 Q 為設(shè) 計(jì)流 量, 017Q 為 017 倍設(shè) 計(jì)流量, 相對(duì)為小流量, 11 4Q 為 11 4倍設(shè) 計(jì)流量, 相 對(duì)為大 流量,H為周向角 ( 見(jiàn)圖 2)。由圖 3可以看 出, 在 變工 況時(shí)周 向靜壓波動(dòng)很大, 特別 是在 蝸舌 ( 見(jiàn)圖 2)附 近, 壓力先 急劇 下降后急劇上升, 這說(shuō)明 在變工 況時(shí), 蝸 殼內(nèi)氣 流沿 周向流 動(dòng)是非常紊亂的, 尤其是 在蝸舌 附近, 氣 流先加 速后 減速致 使流動(dòng)惡化。只有在設(shè)計(jì)工況下, 氣流沿蝸 殼周向的流 動(dòng)比較均勻, 因此壓力盡管有波動(dòng)但相對(duì)比較平 穩(wěn), 特 別在蝸舌 處, 壓力未出現(xiàn)強(qiáng)烈 的波 動(dòng)。從整 體來(lái)看, 蝸 殼結(jié) 構(gòu), 特 別是 蝸舌及其鄰近的蝸殼流道 對(duì)小流量時(shí)的空氣流動(dòng)影響顯著。受葉輪出口氣流 分布不均以及蝸殼流 道不對(duì)稱的 影響,蝸 殼入口氣 流沿周 向和軸 向分布 都不均 勻。圖 4是 各葉輪
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通道 (見(jiàn)圖 2)的 流量分 布圖, 由該 圖可 明顯 看出, 對(duì)于 帶蝸殼的離心風(fēng)機(jī) 由于蝸殼的影響, 各個(gè)葉 輪通道出口 流量相差很大, 如果用單一通 道模式 來(lái)計(jì) 算, 很難準(zhǔn) 確把 握這 種非對(duì)稱 性。圖 5是 *大效 率工況 下的葉 輪中心回 轉(zhuǎn)面蝸 殼相對(duì)總壓分布圖, 由圖可 以明顯 看出, 在 蝸殼內(nèi) 部遠(yuǎn) 離蝸 殼出口葉輪產(chǎn)生的壓 比較大, 而在靠近蝸殼出 口附近葉輪 產(chǎn)生的壓
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比較小, 這是由于氣 流在葉 輪出 口之后 在蝸 殼內(nèi)部 積聚, 然后再增速?gòu)某隹谂懦?nbsp;, 這說(shuō)明蝸殼的存 在對(duì)葉輪流 場(chǎng)的影響非常顯著。
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圖 6是蝸殼周向截面上的相對(duì)馬赫 數(shù)分布圖, 圖 7是 S1截面 ( 見(jiàn)圖 2) 上的速度矢量分布 圖。從圖中可 以看出, 靠近蝸殼出口處與蝸殼其余區(qū)域相 比有大范圍的 低速區(qū), 圖 7即是該區(qū)域的軸向截面圖的速度 矢量分布圖, 從圖中 明顯可以看出在蝸殼通道中 部以 及靠近 蝸殼 外壁區(qū) 域有 明顯二 次流及其形成的漩 渦, 造 成該區(qū) 域流 場(chǎng)嚴(yán)重 堵塞, 也 使蝸 殼內(nèi)部流場(chǎng)變得極不 均勻。因 此出口 氣流 的不均 勻分 布以 及蝸殼流道的不對(duì)稱 性產(chǎn)生的 二次流 及其 漩渦是 造成 蝸殼 內(nèi)部流場(chǎng)不對(duì)稱性的 主要因素。
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5 結(jié)論
1)葉輪出口流動(dòng)對(duì)蝸殼內(nèi)的流動(dòng)影響 較大, 而 蝸殼的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)葉 輪出口流動(dòng)的反作用亦不能忽視。
2)受葉輪出口氣流 分布不 均以 及蝸殼 流道 不對(duì) 稱的影響, 蝸殼入口氣流沿周向和軸向分布都不均勻。本 次數(shù)值 仿真很 好地捕 捉了離 心風(fēng)機(jī)內(nèi) 部許多 重要的流動(dòng)現(xiàn)象, 這些現(xiàn)象 表明了 離心 風(fēng)機(jī)內(nèi) 的流 動(dòng)非 常復(fù)雜, 屬于全三維的粘 性流動(dòng), 準(zhǔn)確反映了蝸殼 與葉輪之間 的相互作用, 為風(fēng)機(jī)的 設(shè) 計(jì)和 性能 優(yōu) 化提 供了 可 信的 理 論依 據(jù)。因此, 在某些簡(jiǎn)化模型下對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)某個(gè)部 件或某個(gè)流 道做的數(shù)值仿真并不能準(zhǔn)確反映 蝸殼與葉輪之間的相 互作用, 也很難為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì) 和性能優(yōu)化提供可信的理論依據(jù)。
常州市（無(wú)錫）文順風(fēng)機(jī)有限公司產(chǎn)品齊全，主要產(chǎn)品有：高、中、低離心風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)；各種軸流風(fēng)機(jī)；水泥立窯專用高壓離心風(fēng)機(jī)；化鐵爐高壓離心風(fēng)機(jī)；化鐵企業(yè)替代進(jìn)口的不銹鋼風(fēng)機(jī)；空調(diào)專用風(fēng)機(jī)；各種除塵、耐磨、防腐、非標(biāo)等特種風(fēng)機(jī)近三十個(gè)系列，三百多種規(guī)格的產(chǎn)品。
公司各類通用、專業(yè)設(shè)備齊全，工藝先進(jìn)，技術(shù)力量雄厚，性能測(cè)試運(yùn)用微機(jī)電腦處理。
常州市文順風(fēng)機(jī)有限公司
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