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集流器结构对离心通风机性能的影响研究
发布时间:2020-04-13 12:31

  集流器结构对离心通风机性能的影响研究_能源/化工_工程科技_专业资料。中国科技论文在线 集流器结构对离心通风机性能的影响研究 陈振华,陈科** 5 (合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥 230009) 摘要:采用 C

  中国科技论文在线 集流器结构对离心通风机性能的影响研究 陈振华,陈科** 5 (合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥 230009) 摘要:采用 CFD 方法对 6 种不同结构型式集流器的离心通风机进行模拟计算,以考察集流 器结构的变化对离心通风机整体性能的影响。 通过对比分析不同结构集流器的离心通风机全 压和两个特征截面的速度分布, 可以发现锥弧形集流器与整机的匹配最好, 圆筒形和圆锥形 与整机的匹配最差。以上结论为合理设计与选择集流器改善离心通风机性能提供了依据。 关键词:离心通风机;集流器;模拟计算;CFD 中图分类号:TH432 10 Research on the Effect of Bell mouth Structure on the Performance of Centrifugal Fan 15 Chen Zhenhua, Chen Ke (School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009) Abstract: The effects of six types of fan bell mouth on the performance of centrifugal fan are investigated by using the commercial CFD code Fluent. By analyzing the total pressure and velocity distribution of two feature sections of centrifugal fans with different bell mouth forms, it turned out that the cone arc bell mouth was the best in matching with fans, while the cylindrical and conical ones were worse. The conclusion provided the gist for well design and reasonable choose for improving the performance of centrifugal fan. Key words: Centrifugal fan;bell mouth;simulation;CFD 20 25 0 引言 集流器是风机的重要组成部分之一, 其作用是将气体导向叶轮, 使气流在风机的进口前 段建立起均匀的速度场和压力场, 以提高风机效率。 风机效率是风机最重要的性能参数之一, 影响因素较多,也较为复杂,需考虑集流器本身的流动损失,同时还要考虑到集流器出口进 入叶轮的气流流动情况;集流器的结构型式、结构参数等都对风机性能有影响[1]。针对集流 30 器进行深入研究, 合理地确定集流器的结构型式、 结构参数对提升风机的整机性能具有重要 的理论意义和工程实用价值。 国内外学者针对此问题进行了大量的研究,SHIGETOSHI 等研究了三种不同类型的进 口集流器对风机效率和噪声的影响[2],得出插入型和挤压型的组合型集流器能更好的提高风 机的工作效率。Montazerin 等通过激光多普勒测速法发现采用新的外向喇叭口集流器[3],可 35 以使集流器背部的流动分离消失,从而使风机内部流动性能得以改善。Wan-Ho Jeon 等采用 数值方法分析了设计参数对离心通风机性能和噪声的影响[4]。 许文明等通过数值模拟对三种 多翼离心风机的集流器结构进行对比研究[5], 发现轴向高度矮的和进口倾斜角小的新型收敛 型集流器可以提高叶轮对气流的利用率。王嘉冰等采用改变集流器出口截面参数的方法[6], 对风机内部流动状态进行了研究, 发现采用出口截面直径大于叶轮内径的收敛型集流器的风 40 机性能最优。林世扬等采用激光多普勒测速仪测速方法[7],对集流器内部流速分布问题进行 了研究。 前人对集流器的研究主要集中为气流在集流器中的流动平稳性以及针对集流器某一 作者简介:陈振华(1986-),男,硕士,主要研究方向:数字化设计与制造 通信联系人:陈科(1965-),男,教授,主要研究方向为:机电产品的现代设计理论和方法;人工神经网 络、进化算法等在机械产品中的应用;机电产品的 CAD/CAE/CAM. E-mail: K. -1- 中国科技论文在线 参数变化对离心通风机性能影响的研究[8] 。本文以某一大比转速离心通风机作为研究模型, 通过对离心通风机的内部流场进行数值模拟, 研究不同结构型式的集流器与离心通风机整机 的匹配关系,探寻集流器结构与通风机内部流场分布间的内在联系,为设计、制造出满足工 45 程需要、高性能、高效率的离心通风机奠定理论基础。 1 集流器结构 本文以 G4-73No.8D 型离心通风机为研究对象,其结构简图如图 1 所示,该风机主要由 蜗壳 1、叶轮 2、集流器 3 及传动部分组成。该型号风机的具体结构参数为,叶轮外径 D2=800mm,叶片数 Z=14,叶片出口安装角 β2y=45° ,叶轮出口宽度 b2=200mm,蜗壳宽度 50 B=520mm。为研究集流器结构对风机性能的影响,按照圆筒形、圆锥形、圆弧形、锥筒形、 弧筒形和锥弧形各设计了一个集流器。图 2 所示为具有不同结构型式的集流器[9]。 1—蜗壳,2—叶轮,3—集流器,4—泄漏间隙 图1 离心通风机结构简图 单位 mm 55 Fig. 1 Centrifugal fan structure diagram 圆筒形 圆锥形 图2 Fig. 2 圆弧形 锥筒形 弧筒形 锥弧形 6 种不同型式的集流器结构示意图 6 kinds of bell mouth structure diagram 60 2 离心式通风机整机内部流场模拟 本文首先建立风机的三维几何模型,然后,利用常用前处理软件 GAMBIT 对三维模型 进行网格划分并定义边界条件,再调用数值模拟软件 FLUENT 对风机模型进行全三维数值 模拟计算, 最后对比分析 6 种不同结构型式的集流器对风机全压和速度分布的影响, 以研究 集流器结构对离心通风机性能的影响。 65 2.1 建立模型和网格划分 采用三维建模软件 PROE 对风机整机进行三维建模, 得到 6 种包含不同结构集流器的风 机模型,完成之后导入前处理软件 Gambit,进行网格划分。 -2- 中国科技论文在线 将风机模型分为三个流体区域:蜗壳流体区域、叶轮流体区域和集流器流体区域。蜗壳 流体区域是指从叶轮出口到蜗壳出口部分的区域,如图 1 中的 A 区域;叶轮流体区域指从 70 叶轮进口到叶轮出口部分区域,如图 1 中的 B 区域;集流器流体区域指从集流器进口到其 出口部分区域,如图 1 中的 C 区域。由于离心通风机结构复杂,在物理模型网格划分时采 用混合网格, 该网格能适应复杂的几何形体。 在叶片表面、 叶轮流道、 蜗舌等几何结构复杂、 流场梯度变化较快的计算区域布置密集的非结构化网格; 在几何结构相对简单、 流场梯度变 化相对较为缓慢的区域布置相对稀疏的结构化网格。 混合网格技术结合了结构化网格和非结 75 构化网格的优点[10],可满足工程分析的要求。整体网格如图 3。每个模型的整体网格总数大 约为 130 万,所有网格扭曲率都小于 0.98,网格总体质量较好。AG亚游手机版下载 图3 Fig. 3 整机网格 Mesh of centrifugal fan 80 2.2 设定边界条件及计算模型 流体在风机中的流动要受到质量守恒定律、 动量定理和能量守恒定律三个基本物理定律 的支配。如果流动包含有不同成分的混合或相互作用,系统还要遵守组分守恒定律。在离心 通风机的数值计算中,可以对其作一定的简化,比如用定常流动、不可压流动等以近似反映 风机内部流场的基本特性, 既可以获得良好的计算精度和收敛解, 又避免了计算量非常大的 85 非定常流动计算。 为分析流体在风机中的流动情况, 取图 4 所示风机内部的微元体积为研究对象, 对其进 行分析,可得到如下基本控制方程组: (a)进出微元体的质量通量 (b)X 方向进出微元体的动量通量 (c)X 方向作用在微元体上的法向和应剪切应力 90 Fig. 4 图4 微元体积 Infinitesimal volume 假定该微元体积的速度为 v,在 x,y,z 三个方向上的速度分量分别为 u,v,w,则该 微元体积应满足连续条件,可描述为公式(1)。 ?u ?v ?w ? ? ?0 ?x ?y ?z -3- (1) 中国科技论文在线 设 τxx、 τxy 和 τxz 等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力 τ 的分量; Fx、Fy 和 Fz 是微元体上的体积力,包括重力和电磁力;ρ 是密度,t 是时间。则该微元体积 还应满足动量平衡条件,可描述为公式(2)、(3)、(4)。 X 方向 ?? yx ?? zx ?p ?? ? ( ? ? u ) ? ( ? ? u ? u ) ? ( ? ? u ? v) ? ( ? ? u ? w) ? ? ? ? Fx ? xx ? ? ? (2) ?t ?t ?t ?t ?x ?y ?z ?x Y 方向 100 Z 方向 ?? xy ?? yy ?? zy ?p ? ( ? ? v) ? ( ? ? v ? u ) ? ( ? ? v ? v) ? ( ? ? v ? w) ? ? ? ? Fy ? ? ? ? (3) ?t ?t ?t ?t ?x ?y ?z ?y ?? yz ?? zz ?p ?? ? ( ? ? w) ? ( ? ? w ? u ) ? ( ? ? w ? v) ? ( ? ? w ? w) (4) ? ? ? ? Fz ? xz ? ? ? ?t ?t ?t ?t ?x ?y ?z ?z 为了对离心通风机内部流场进行数值模拟,在计算时,入口边界采用速度入口,设定入 口速度为 13m/s,湍动能 k 和湍流耗散率 ε 均依据经验公式(5)、(6)计算确定[11],出口 边界采用自由流出口。蜗壳内壁及叶轮壁面粗糙度均取 0.5,集流器、叶轮、蜗壳等各流体 区域结合处的公共面采用 interface 边界类型面, 将叶片的压力面和吸力面以及叶轮前盘、 后 105 盘和转轴的内外表面一起定义为旋转壁面。环境压力为标准气压 P=101325Pa,空气密度 ρ=1.225kg/m3。流场内部气流做不可压缩稳定流动。 湍流参数 k、ε 的计算公式: k? 3 (u I ) 2 2 k3 2 l (5) (6) 34 ? ? C? 110 式中的 u 为湍流脉动平均速度,I 为湍流强度 I=0.3%,Cμ 取 0.09 ,l 为湍流长度 尺寸 l=0.056m。 本文使用基于有限体积法的 FLUENT 软件进行数值求解。采用标准的 k-ε 湍流模型求 解方程(2)、(3)、(4),速度-压力耦合采用 SIMPLE 算法,湍流动能、湍流耗散项、动量方程 均采用二阶迎风格式进行离散。叶轮区域选用旋转坐标参考系,旋转壁面边界条件为 115 1450r/min,其他区域选用静止坐标参考系及壁面无滑移边界条件并在其附近采用标准壁面 函数。 3 结果分析 3.1 风机全压比较 离心通风机的全压是指由离心通风机所给定的全压增加量。利用 Fluent 可得到采用 6 120 种不同结构型式集流器的离心通风机的全压,如表 1 所示。6 种不同结构型式集流器的离心 通风机全压有一定的差异, 全压主要与离心通风机内部气体的流速及出口的流动有关。 数值 模拟全压与文献[1]中 G4-73No.8D 型离心通风机参考全压(1400~2104Pa)相吻合。从表 1 可 以看出,锥弧形、弧筒形和锥筒形比圆弧形、圆锥形、圆筒形全压高,说明组合型比非组合 型好,圆弧形和圆锥形比圆筒形好。 125 Tab. 1 项目 全压/Pa 圆筒形 1684 表l 不同结构型式集流器的风机全压 圆锥形 1873 圆弧形 1846 -4锥筒形 1991 弧筒形 2024 锥弧形 2057 The full pressure of different types of bell mouth 中国科技论文在线 轴向截面压力场比较 轴向 Z=170mm 截面位于叶轮中部,包含了整个叶轮区域和蜗壳区域的流场,因此选择 此截面进行分析和比较有重要的意义。 图 5 给出了采用 6 种不同结构型式集流器的离心通风 130 机轴向 Z=170mm 处截面的全压分布。 (a)圆筒形 (b)圆锥形 (c)圆弧形 (d)锥筒形 (e)弧筒形 图5 Fig. 5 Z=170mm 截面处全压分布图 Full pressure at Z=34.44 cross section (f)锥弧形 135 从 Z=170mm 截面全压分布图可以看出:就整个叶轮内流体而言,压力呈现近似中 心对称形状,叶轮内缘处压力最低,而且压力为负值,这是由于气流从轴向开始向径向转变 引起的;叶轮外缘压力最高,压力面比吸力面高,这是由于叶轮做功引起的;就蜗壳而言, 140 其内部流体压力从中心到边缘逐渐增强, 经蜗壳流道流出的过程中, 由于克服阻力压力有所 下降。 图 5(a)采用圆筒形集流器的离心通风机整机内的压力梯度最大,全压最低;图 5(b)、图 5(c)比图 5(a)整机内的压力梯度平缓,而且全压值有升高;图 5(d)、图 5(e)比图 5(b)、图 5(c) 整机内的压力梯度平缓,而且全压值也升高;图 5(f)采用锥弧形集流器的离心通风机整机内 145 的压力梯度最平缓均匀。 以上结果表明锥弧形集流器引导气流进入叶轮的流动情况最好, 其 次是弧筒形、锥筒形、圆弧形、圆锥形,圆筒形集流器引导气流进入叶轮的流动情况最差, 且它本身的流力损失最大。 3.3 子午面速度场比较 子午面是通过整机轴线的平面,它包含蜗壳、叶轮和集流器截面,通过子午面可以清楚 150 地看到气体从集流器进入,经过叶轮做功,最后从蜗壳出口流出的整体流场分布情况。 图 6 是 X=0 的子午面上半部分速度矢量分布,从图中可以看出,气流在集流器区域 比较集中,且集流器横截面上最大速度点的位置不在轴中心,而是靠近集流器的边壁,进入 叶轮流道后气流开始分离。 气流流出叶轮进入蜗壳后, 沿周向不同截面处的流场分布差别很 大。在集流器区域流速很低,在叶轮区域,随着叶轮的做功速度逐渐增大。 图 6(a)和图 155 6(b)在叶轮前部有回流,而且叶轮内部靠近轮盖附近形成较大的涡流区,并伴有二次分离 现象发生。图 6(c)、6(d)、6(e)的叶轮前部的回流有所减少,且叶轮内部旋涡强度 减弱,流场分布较为合理;图 6(f)采用锥弧形集流器的离心通风机叶轮前部的回流最少 -5- 中国科技论文在线 几乎没有,叶轮内部的流场分布也最合理。分析认为,产生涡流的原因是因为集流器与轮盖 的形状不吻合,导致气流在流经集流器时出现边界层分离,并形成低压区,使得周围的气体 160 聚向于此产生旋涡。以上结果表明,锥弧形与轮盖吻合最好,其次是弧筒形、锥筒形和圆弧 形,圆筒形、圆锥形与轮盖吻合最差。 (a)圆筒形 (b)圆锥形 (c)圆弧形 165 (d)锥筒形 (e)弧筒形 图 6 X=0 子午面速度矢量图 Fig. 6 Vectors of speed at X=0 cross section (f)锥弧形 3.4 轴向截面速度矢量比较 图 7 是 Z=170mm 截面处速度矢量, 气流由集流器入口进入风机叶轮, 在叶轮流道内部, 170 由于叶片不断做功,气体的速度沿流动方向不断升高,在叶片外缘处达到最大值。气流以较 高的流速流入蜗壳。进入蜗壳区域后,由于流动损失的存在,气流速度顺着蜗壳流道从小到 大的方向逐渐减少,最后气流由蜗壳出口流出风机。图 7(a)采用圆筒形集流器的离心通 风机内部流体的流动最不顺畅,速度梯度也最不平缓,出口速度较小,是最不合理的流动。 图 7(b)、7(c)、7(e)风机内部流体的流动较为顺畅,速度梯度也较为平缓,出口速 175 度有所提高。图 7(d)、7(f)风机内部流体的流动最顺畅,速度梯度也很平缓。 (a)圆筒形 (b)圆锥形 (c)圆弧形 (d)锥筒形 (e)弧筒形 -6- (f)锥弧形 中国科技论文在线mm 截面处速度矢量图 Fig. 7 Vectors of speed at Z=170 cross section 结论 (1)6 种不同型式的集流器结构型式虽然很简单,但对通风机性能有明显的影响。 (2)通过对模拟结果的综合分析可以得出,圆筒形和圆锥形与叶轮和其他部件的匹配 185 较差,但加工工艺简单。圆弧形、锥筒形和弧筒形与叶轮和其他部件的匹配较好,加工工艺 也较复杂。锥弧形与叶轮和其他部件的匹配最好,加工工艺也最复杂。通过数值模拟,能很 好地获得风机流场内速度和压力等参数的分布情况, 有助于了解风机内部流动规律, 为合理 设计与选择集流器型式改善风机性能提供了依据。 [参考文献] (References) 190 [1] 商景泰. 通风机实用技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005. 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