蜗壳与叶轮相对位置对离心风机蜗壳内流场影响的数值模拟

蜗壳与叶轮相对位置对离心风机蜗壳内流场影响的数值模拟

宋宝军，李花

（陕西清水川能源股份有限公司，陕西 榆林 719400）

摘 要：以G4-73№8D型离心风机为研究对象，利用NUMECA软件，采用Spalart-Allmaras湍流模型和多重网格技术，对改变蜗壳与叶轮轴向相对位置的风机进行了数值模拟，分析了各方案在给定截面上二次流漩涡、气流速度以及静压的变化情况。

关键词：离心风机；轴向相对位置；NUMECA； 蜗壳内流场

中图分类号：TK284.8

0 引  言

离心风机属于通用机械的范畴，在国防和国民经济的诸多领域中有着广泛的应用，同时也是主要的能源消耗设备。由于离心风机的结构特点，叶轮之外的蜗壳形成了一个特殊形状的腔体[1]，当气体在蜗壳内流动时，其流场分布十分复杂[2-5]。高负荷、大流量、高效率、低噪声、小型化以及更好的运行性能成为现代风机发展的总趋势。

本文以G4-73№8D离心风机为具体研究对象，利用NUMECA软件对改变蜗壳与叶轮轴向相对位置不同方案进行数值模拟，研究不同方案对风机蜗壳内流场的影响，在工程中设计风机时提供参考。

1模型建立和数值方法

1.1 结构模型

利用Solidworks软件建立风机物理模型，风机结构参数取自风机产品样本。本次计算中，轴向相对位置的变化参数见表1。

表1 轴向相对位置变化参数

1.2 网格生成

针对计算中的具体实例，采用AutoGrid提供的H型网格自动生成功能，通过调整相应的控制参数来生成最终的叶轮网格，AutoGrid中划分的进风口和叶轮单通道网格大约为60万。风机其它部分的网格生成需要首先划分区域，然后手动划分网格，IGG中手动划分的网格约为40万。最小网格正交性角度≥5；网格长宽比≤5000；最大网格延展比≤10。图1为风机叶轮与蜗壳网格示意图。

图1风机叶轮与蜗壳网格示意图

1.3 控制方程

计算过程中采用Spalart-Allmaras湍流模型，选用中心差分格式进行空间离散，使用多重网格技术以加快了迭代收敛的速度，且多重网格的层数在i/j/k方向都大于8。 

其中，与分别为非粘性项与粘性项，Q为源项。

1.4 边界条件与初始值设定

1) 进口边界条件：给定速度方向，流速，静温；

2) 出口边界条件：给定出口静压；

3) 壁面边界条件：给定各网格块所包含的实体壁面的转速，其中所有旋转壁面(如：叶轮前盘、后盘、叶轮叶片等)输入转速，n＝1450rpm，其他非旋转壁面(如：蜗壳)，转速为零。

初始值设定的好坏，直接影响计算迭代的时间，甚至影响计算结果的收敛与否。本文采用全区均匀初场。

1) 初始静压：p＝1.01325×105Pa；

2) 初始温度：T＝293K；

3) 初始速度：V＝18m/s。

2 计算结果比较

由图2可以看出，气流流出叶轮进入蜗壳后，沿周向不同截面处的流场分布并不完全相同，蜗壳流道内存在强烈的漩涡。由于蜗壳结构不完全对称，随着蜗壳容积的增大，在蜗壳周向不同截面上，二次流漩涡的尺度、强度和中心位置发生改变，呈现为一种产生、发展和逐渐耗散的演变过程，并呈螺旋状推进，一直延续到风机出口。

由图3可以看出，随着1和2的增大，蜗壳中的漩涡也随之增大。这是因为1和2的增大使蜗壳通流面积也随之增大，气体流出叶轮后，沿着蜗壳容积增大的方向做旋转流动，速度箭头指向蜗壳前端面和远离叶轮的方向，随着流体继续流动，流体到达距离叶轮最远处且靠近风机蜗壳前端面。气体继续流动，新流出叶轮的气体会按照上述规律占据原流体空间，原流体会向蜗壳后端面和靠近进风口方向流动。整个蜗壳内部这种规律会一直持续下去，直到气体流出蜗壳。这种不同方向不同速度的流体相互掺混，能量损失很大。

图2　原模型二次流漩涡发展示意图

           图3270截面速度矢量图

随着1和2的增大，由叶轮射出的气流进入蜗壳扩散的速度也随之增大，蜗壳内气流的速度也随之减小，其计算结果如图4所示。

图4  270截面速度等值线分布图

由图5可以看出，静压随蜗壳半径R的增大而增大，在靠近蜗壳外壁面处达到最大值；靠近叶轮出口，静压曲线起伏较大，而且由于蜗壳内叶轮两侧局部扩压不同。同时，随着2的增大，蜗壳内靠近后端面区域的静压变化越加平滑。

图5  270截面静压等值线分布图

图6为各方案相比于原方案的效率提高值折线，其中0和q0分别为原风机的效率和流量。由图7可知，各方案对风机的效率都有不同程度的影响，方案3和方案4相比于方案1和方案2，其风机效率的提高值变化幅度较大，说明2对风机效率影响较大。

图6不同方案下的效率提高值

3 结论

1）本文通过数值模拟的方法，研究了改变蜗壳与叶轮轴向相对位置对风机蜗壳内流场的影响。结果表明，改变轴向相对位置，对蜗壳内的流动状态有较大的影响。

2）由数值模拟可知，

随着沿流向截面的逐渐增大，蜗壳通道内的漩涡呈现为一种产生、发展和逐渐耗散的演变过程；同时，随着1和2的增大，蜗壳中的漩涡也随之增大。

3）随着1和2的增大，由叶轮射出的气流进入蜗壳扩散的速度也随之增大，蜗壳内气流的速度也随之减小。

4）静压随蜗壳半径R的增大而增大，在靠近蜗壳外壁面处达到最大值；靠近叶轮出口，静压曲线起伏较大；随着2的增大，蜗壳内靠近后端面区域的静压变化越加平滑。

5）2相比于1，对风机效率的影响较大。

参考文献：

[1]刘秋洪,王学军.蜗壳对离心风机内部气动噪声影响的初步数值分析[J].风机技术,2011,(1):3-7

[2]Denger G R, Mcbride M W．Three-Dimensional Flow Field Characteristics Measured in a Forward–Curved Centrifugal Blower Using Particle Tracing Velocimetry(PIV)[J]．Proceeding of the Fluid Measurement and Instrumentation Forum,1990,95:49-56．

[3]王企鲲，戴韧，陈康民．蜗壳进口周向来流的非均匀性对其流动影响的数值研究[J]．上海理工大学学报，2004，26(3)：207-211．

[4]杨昕，陈望明，袁民建，温选锋，何明杰．改变叶轮与蜗壳相对安装位置对双吸多翼风机性能影响的试验研究[J]．流体机械，2011，39(7)：1-5．

[5]张顾钟．离心风机优化设计方法研究[J]．风机技术，2011， (5)：26-30．