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6-30型風(fēng)機(jī)流場(chǎng)與分析

信息來(lái)源：發(fā)布時(shí)間：2020-08-27閱讀：314

   技術(shù)創(chuàng)新6-30型風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的三維模擬與分析（遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院遼寧阜新FLUENT6.1對(duì)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。計(jì)算中采用了標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)了蝸舌對(duì)葉輪中流動(dòng)的影響和部分空氣在葉輪中的螺旋狀流動(dòng)，捕捉到了離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部許多重要的流動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，對(duì)該類風(fēng)機(jī)的性能改進(jìn)提供了一定的依據(jù)。

　　1前言近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）在離心風(fēng)機(jī)的研宄領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文就應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的商用軟件之一Fleunt對(duì)6-30型離心風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)做了三維模擬，并通過(guò)對(duì)其流場(chǎng)的研宄，為改進(jìn)風(fēng)機(jī)的性能找出方向。

　　2建模與計(jì)算方法方法，湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)、動(dòng)量方程都采用了二階迎風(fēng)格式離散；在迭代計(jì)算時(shí)，應(yīng)用亞松弛迭代，松弛系數(shù)采用默認(rèn)。2.1風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)本文以6-30型風(fēng)機(jī)為研宄對(duì)象，主要參數(shù)如下：流量gv min，葉輪夕卜徑D2=490mm，葉輪輪轂寬度b=39mm，葉片數(shù)2=12，蝸殼基圓半徑尺廣274mm，尺2動(dòng)充分發(fā)展，對(duì)入口和出口做了一定的加長(zhǎng)。工作介質(zhì)為標(biāo)況下的空氣，并認(rèn)為牛頓流體且局部各向同性。蝸殼垂直z軸，軸面為xy平面，垂直紙面向外為z軸。通過(guò)三維軟件AUTOCAD建模，模型（除去葉輪前蓋）如所示。

　　2.2網(wǎng)格化分本文采用gambit對(duì)風(fēng)機(jī)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行劃分，考慮到離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)情況較復(fù)雜，故整機(jī)采用非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并將整機(jī)劃分為三個(gè)部分：入口部分，葉輪流道部分，蝸殼部分。

　　2.3控制方程本文中旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止蝸殼之間、旋轉(zhuǎn)葉輪與靜止進(jìn)口管之間的耦合采用了多坐標(biāo)系（multiple referenceframe），把離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)簡(jiǎn)化為葉輪在某一位置的瞬時(shí)流場(chǎng)，將非定常問(wèn)題用定常方法計(jì)算。對(duì)于定常不可壓縮流體，取與葉輪一起以恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)系，考慮粘性假設(shè)，使用笛卡兒坐標(biāo)系，速度矢量在x，y和z方向的分量為u、v和采用標(biāo)準(zhǔn)A-e模型求解該問(wèn)題時(shí)，控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k方程、e方程，這些方程都可以表示成如下通式：u、v、單位為m/s，廠為擴(kuò)散系數(shù)，S為廣義源項(xiàng)，湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率e，方程的具體形式和含義參見(jiàn)。

　　2.4邊界條件在計(jì)算域的進(jìn)口處，假定進(jìn)口速度沿進(jìn)水管入口截面均勻分布，給出進(jìn)口質(zhì)量流量，并指定其方向與進(jìn)口垂直。進(jìn)口處的湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率e取默認(rèn)值。

　　入口和蝸殼部分為靜止網(wǎng)格，葉輪流道部分采用懸轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，三部分之間的連接面設(shè)置為interface.入口，葉輪和蝸殼與流體相接觸的所有壁面均采用無(wú)滑移固壁條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，除葉輪流道部分壁面為旋轉(zhuǎn)壁面外其他壁面均為靜止。計(jì)算中忽略重力呢靠近蝸舌流道z=15截面靜技術(shù)創(chuàng)新-對(duì)流場(chǎng)的影響。

　　3計(jì)算結(jié)果分析3.1模擬結(jié)果可信度判斷風(fēng)機(jī)全壓在風(fēng)機(jī)入口，流道入口，流道出口和蝸殼出口上的流量加權(quán)平均報(bào)告如下：從以上圖表及數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算結(jié)果的速度和壓力分布都與實(shí)際情況相符，且風(fēng)機(jī)出口和入口的全壓差為3.90 kPa，與給定的風(fēng)機(jī)全壓3.98kPa誤差僅為2%，可以判斷該模擬結(jié)果可信。

　　3.2流場(chǎng)分析從各流道的靜、壓全壓和速度等高線看，各流道內(nèi)的流動(dòng)情況并不相同。為靠近蝸舌的流道z=15截面的靜壓和速度等高線，為遠(yuǎn)離蝸舌的流道的靜壓和速度等高線。從兩個(gè)圖的對(duì)比可以看出，靠近蝸舌的流道入口和出口的平均流速都比遠(yuǎn)離蝸舌的流道小?？拷伾嗟牧鞯乐辛魉僮兓^快，達(dá)到最高流速的區(qū)域較大，且位于流道的中后部；而遠(yuǎn)離蝸舌的流道中達(dá)到最高流速的區(qū)域僅分布在出口靠近葉片的小區(qū)域內(nèi)，流動(dòng)比較平穩(wěn)。

　　4流動(dòng)損失分析從可以看出，由于蝸舌的滯止效應(yīng)，蝸舌周?chē)嬖谝粋€(gè)靜壓力的高壓區(qū)，導(dǎo)致蝸舌附近的流道出口處?kù)o壓力較大，從而使這部分流道的出口和入口速度比其它流道要小，因此同一時(shí)間內(nèi)通過(guò)該部分流道流量較小，即靠近蝸舌的流道做功能力較其它部分有所削弱。且靠近蝸舌的流道中流體流動(dòng)較紊亂，即該流道中流體的流動(dòng)損失較其他部分大，和所示即為整個(gè)葉輪中的跡線和近蝸舌流道中的跡線。

　?。?）從可見(jiàn)，在每個(gè)葉輪流道中都存在一些與葉片方向背離較為嚴(yán)重的跡線。為更清楚研宄這些跡線，在一個(gè)流道的入口處，均勻設(shè)置4條靶線，觀察以這4條靶線為起點(diǎn)流體跡線。為靶線分布示意圖，標(biāo)為A，B，C，D4條靶線。為從兩個(gè)方向觀察到的以這4條靶線為起點(diǎn)的流體跡線?？梢钥闯觯钥拷~片非工作面的A、B靶線為起點(diǎn)的氣體的流動(dòng)較均勻和平穩(wěn)；而以靠近葉片工作面的C、D靶線的上部為起點(diǎn)的氣體沿流道方向有明顯的螺旋狀流動(dòng)，這必將增加葉輪流道的流動(dòng)損失。

　　5結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)6-30型離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下內(nèi)部流場(chǎng)的模擬，了解了流體在各葉輪流道中壓力和流速的不均勻性，特別是靠近蝸舌的流道也其它位置流道差異較大。并分析了在葉輪入口，葉輪內(nèi)部和蝸舌周?chē)l(fā)生的能量損失。

　?。?）在葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，各流道的流動(dòng)隨它在葉輪中相對(duì)位置的不同而不同。壓力和速度分布具有明顯的軸不對(duì)稱性，尤其在靠近科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)蝸舌的流道中差異更加顯著。

　　蝸舌的設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)的性能有重要影響，因?yàn)槲伾嗖粌H引起環(huán)流損失，而且會(huì)影響到靠近它的的做功能力。

　　在葉輪各流道中都存在橫貫流道的流動(dòng)，這種不規(guī)則的流動(dòng)也帶來(lái)一部分能量損失。這種不規(guī)則流動(dòng)主要是由從靠近葉片工作面一側(cè)的上部流入葉輪的氣體引起的。

　　綜上所述，使用數(shù)值模擬方法研宄離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)能夠方便直觀的讓我們觀察到氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)狀況，并能夠根據(jù)需要提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)，為我們改進(jìn)和設(shè)計(jì)性能更好的風(fēng)機(jī)指明方向。

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