- 多翼离心通风机内部流场数值模拟
摘要： 运用计算流体力学软件 Fluent 对多翼离心通风机进行了全三维的内部流场数值模拟。计算采用了 SIMPLEC 算法和标准的 k －ε湍流模型，并对数值模拟的结果进行了分析。计算结果与试验结果的对比表明数值模拟具有较好的准确性和可信度，同时，数值模拟结果有助于了解多翼离心通 风机内部流动规律，可为多翼离心通风机的改进设计提供参考。
关键词： 多翼离心通风机；内部流场；数值模拟
中图分类号： TH43 文献标识码： B
文章编号： 1006-8155 （ 2008 ） 03-0013-04
Numerical Simulation of Internal Flow Field in Multi-blade Centrifugal Fans
Abstract: The software of CFD Fluent is applied in 3-D numerical simulation of internal flow field in multi-blade fans. The method of SIMPLEC and standard k - e turbulent model are applied in the computation and the numerical simulation results are analyzed. The comparison between numerical simulation results and experimental results demonstrates the better accuracy and reliability of the numerical simulation. In the meantime, the numerical simulation results are very useful for understanding the internal flow pattern in multi-blade centrifugal fans. Besides, it can also give references for improving design of multi-blade centrifugal fans.
Key words : multi-blade centrifugal fan; internal flow field; numerical simulation
0 引言
近年来，随着计算机软硬件水平和计算流体力学（ CFD ）技术的飞速发展，更多的湍流模型和计算方法应用于风机内部的三维流动计算中，使人们对风机内部流场有了更深入地了解；而大型商用 CFD 软件的出现给风机的数值模拟又带来了更大的便利，使用该软件对风机内部流场进行全三维的数值模拟，其结果更加真实可信。
多翼离心通风机以其体积小、结构紧凑和低噪声等优点在国民经济的各个领域都有着广泛的应用，并在很多特殊使用场合下被公认为是一种最理想的风源 设备。为此，本文针对某型吸油烟机（吸油烟机的主体部件就是多翼离心通风机）采用 Fluent 软件进行全三维的数值模拟，并对模拟计算结果与试验结果进行了对比，吻合较好，同时对流场进行了分析。
1 数值模拟
1.1 几何建模和网格划分
采用 Fluent 软件的前处理软件 Gambit 进行几何建模和网格划分。吸油烟机主要由多翼离心叶轮、蜗壳和机壳组成，由于蜗壳的不对称性，不能通过定义周期性边界条件实施单通道流域计算，应取整机作为计算对象 [1] ，同时考虑到吸油烟机结构的复杂性以及烟机各个部件尺寸的不同，因此将整个计算域分成 4 个互相连接的流体区域：机壳区域（机壳和蜗壳之间的流道）、叶轮进口区域（进风圈与叶轮之间的流道）、叶轮区域（ 60 个前向的单圆弧非扭曲叶片之间的流道）和蜗壳区域（叶轮和蜗壳之间的流道）。
对以上 4 个流体区域的连接面，有两种处理方法：一种方法是将连接面定义为内边界 (interior) ，此时就要在几何建模阶段使这个面相邻的两个区域共用这个面；另一种方法是将连接面定义为交界面 (interface) ，此时在几何建模阶段，对这个面相邻的两个区域分别定义一个面，而这两个面的几何位置和形状是相同的，但拥有不同的名称和标记，并可采用不同的网格类型。 采用第一种方法，在计算中不需要进行任何处理；若采用第二种方法，则在计算中需要通过 Fluent 中的 Define/Grid interface 来实现这两个面的数据交换 [2] 。
划分网格时，根据各个流体区域的大小采用不同类型、不同大小的网格（非结构化的三棱体和四面体网格），整个计算域一共划分了约 70 万个网格，如图 1 所示。
1.2 计算参数设定及边界处理
考虑到所计算的烟机进出口温度变化不大，同时流速也不高，因此把流动区域的介质看作不可压缩气体，采用 SIMPLEC 算法求解速度和压力的耦合问题。
多翼离心通风机的内部流态是湍流，在计算中采用标准的 k- ε湍流模型，对近壁面区域采用壁面函数法进行处理。也有文献模拟离心通风机内部流场时用的湍流模型是 RNG k-ε模型[1]和realizable k-ε模型[3] 。
进出、口边界条件均选定为压力边界条件，固壁边界满足无滑移条件。
另外，由于多翼离心通风机是旋转机械，其中叶轮区域是旋转的，而其它部分是静止的，因此在计算中要采用多重参照系，叶轮区域作为独立的区域定义为旋转参照系，其它流动区域均为静止的。
2 数值结果与试验结果对比分析
计算中在采用标准 k- ε湍流模型的同时，也分别采用 RNG k- ε模型和 realizable k- ε模型进行了计算，并把计算所得的风机的最大流量和截止风压（简称风压）与试验测量的数值进行了对比，见表 1 。
表 1 数值结果与试验结果对比
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流量 /(m3 /min) |
风压 /Pa |
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标准 k- ε模型 |
15.47 |
256 |
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RNG k- ε模型 |
15.53 |
260 |
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realizable k- ε模型 |
15.51 |
259 |
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试 验 |
14.83 |
252 |
从表1中同样看出，数值结果比试验测量结果偏大，这主要是由于在建模阶段对烟机的部分区域进行了简化处理，导致摩擦损失、轮阻损失和泄漏损失比试验测量结果偏小的缘故 [4,5] 。
3 流场分析
图2是风机的整机流线图，从图中可看出，风机内部的流场非常复杂，尤其是在风机叶轮的进口处。气流从进气口进入机壳后，大部分直接进入到旋转的 叶轮中得到加速，而其余的部分则通过蜗壳和机壳之间的区域流入叶轮中，从而在叶轮上方形成了两个漩涡，这些漩涡的存在不仅影响了风机的气动性能（如流量、 压力等），而且会带来一些噪声的增加，因此风机进气条件的好坏对这些漩涡的产生发展有着直接的影响，从而影响着风机的性能。
图 3 和图 4 给出了风机叶轮截面的压力分布，从图中看出，在靠近蜗壳出口处的叶轮通道内的压力分布与其它部分的叶轮通道内的压力分布的明显不同。从总压分布图上来看，越靠近叶轮外缘的地方压力越高。
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就多翼离心通风机的叶轮来说，图 8 和图 9 分别给出了叶轮进口角度增大 5 °和减小 5 °时，叶轮通道内部的速度分布情况。从分布图上看出，角度改变前后，叶轮通道的内部流动并无明显改善；从流量上来看，角度增大 5 °时流量为 15.53m 3 /min ，角度减小 5 °时流量为 15.42m 3 /min ，与原型相比，效果甚微。经过反复的计算分析，并鉴于本风机叶片进口角较小的可调范围，可知通过调节叶片进口角来有效地提高此风机的性能是很难实现的。
图 10 给出了风机蜗舌区域的流动情况。从图上可看出在这一区域，一部分流体直接流向出口，而另外一部分则随着叶轮的旋转重新流入蜗壳中，从而在蜗舌附近产生漩涡，进而影响风机的性能。
4 结论
应用计算流体动力学的方法对多翼离心通风机进行三维的内部流场数值模拟，从流场图来看，风机的内部流动非常复杂。试验结果与数值模拟结果的对比 分析验证了数值模拟较好的准确性和可信度，从而在实际工程中，可用数值模拟来代替部分试验，以达到缩短周期、节省开发费用的目的。通过数值模拟同时可以获 得风机内部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，为风机的改进设计提供参考。此外，此方法还可以用来检验现有风机的性能，判别其是否 能够达到设计指标。
参 考 文 献
[1] 张力．空气清新机用多翼离心风机的改进设计研究 [D] ．西北工业大学硕士论文， 2006 ．
[2] 王福军．计算流体动力学分析 -CFD 软件原理与应用 [M] ．北京：清华大学出版社， 2004.9 ．
[3] 李建锋，吕俊复．风机流场数值模拟 [J] ．流体机械， 2006 ， 34(4) ： 10 － 13 ．
[4] 刘正先，等．离心叶轮内三维湍流流场的数值计算与实验比较 [J] ．流体机械， 2000 ， 28(4) ： 9 － 12 ．
[5] 陈修怀，李嵩，等．利用三维数值模拟改进离心通风机设计 [J] ． 风机技术， 2003(2) ： 6 － 8 ．
本文引用地址：http://www.fanxp.com/Article/Tech/TTest/200809/828.html
