复合材料风机叶轮内流场数值模拟

　　复合材料风机叶轮内流场数值模拟刘梓才，崔小朝，陈艳霞，晋艳娟，李朗太原科技大学工程力学系，山西太原030024动进行数值模拟，发现叶轮内气流流动状况不理想，据此对叶轮的叶片进行改进设计，得到了改进叶片设计后叶轮内的流场，改进了复合材料风机叶轮的结构，改善了叶轮内部气流的流动状况，提高了叶轮的气动性能，为研制出高性能的新型复合材料风机叶轮奠定了基础。

　　叶轮是矿用风机的关键部件，其质量优劣，决定着整台风机的质量。目前大都采用轻铝合金压铸而成，成本高份量重耐腐蚀性差，遇粉体颗粒碰冲易发生瓦斯爆炸等现象。纤维增强复合材料在轻质高强抗疲劳减振降噪耐腐蚀以及材料性能的可设计性和材料与结构的致性等方面比传统的单金属材料有明显的优越性。有资料显，国外已研制出结构合理性能优异的复合材料风机叶轮，国内在该方面的研究尚不成熟，正处在探索阶段。用先进复合材料制造风机叶轮，防止煤矿瓦斯爆炸已成为煤矿安全的重要研宄课。

　　叶轮叶片初步设计好后，叶片设计的是否合理，能否提高叶轮对气流的做功效率改善流道内气流动性能，必须进行叶轮内流场的数值模拟或实验测试，根据结果反过来修改叶片的设计，得到进步优化的叶片设计数值模拟是研究叶轮内气流流动和改进其性能己逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手段。通过这种数值试验可以充分认识流动规律，进行优化设计，并且可以大幅地减少实验研究工作量，提高设计质量缩短产品开发周期，为叶轮的设计工作提供帮助24.

　　型轴流通风机的叶轮，叶轮外径为28，1加轮毂比为动状况，发现叶轮内流动状况并不理想，流动紊乱气流阻塞厉害回流明显，较易产生气动噪声，减低叶轮的效率，需要改进叶轮叶片的设计。改进设计后，再次模拟明气流流动更加顺畅均匀，紊流程度降低，回流减少，降低了叶轮工作时的气动噪声，提高了叶轮效率，明叶轮的气动特性设计合理。

　　1叶轮内气流流动数值模拟1.1控制方程控制方程即连续性方程动量方程能量方程湍动能方程及湍动能耗散率方程。

　　质量守恒方程收稿日期20050514基金项目山西省攻关计划资助项目，283，男，福建武平人，硕士研究生，主要从事流体力学及工程应用研宄，了613834522913，+老朴揣动能耗散率方程斗十密度为压力；凡为体积力，为层流和湍流的粘度系数，为揣动能；为揣动能耗散率；9为温度；为有效导热系数；心为源项。

　　1.2基本假设气流的流动是稳定粘性不可压缩流动；气流在流动过程中忽略质量力重力作用；叶轮的进口气流方向为轴向。

　　1.3边界条件14气流进口。给出叶轮进口气流的质量入流条件。

　　气流出口。取压力出口边界条件，定义出口压力相对大气压力为，即没有附加的压力作用。

　　壁面。风道内壁及叶片均取壁面边界条件。

　　叶轮和壳与流体相接触的所有界面上均采用了无滑移固壁条件，在近壁区采用标准壁面函数。

　　2叶轮内气流流动数值模拟结果21叶轮内气流流动为更加清晰地了解流动状况，选取单个流道，在径向不同高度和轴向不同位置处选取截面。径向由叶根到叶顶方向分别取=13的截面。轴向由入口到出口方向分别取2=.，65的截面。各纵横截面2.

　　由2可，在靠近吸力面侧流体速度较高，并且随着流动的发展这区域不断扩大，后在叶轮出口处形成了个明显的高速区，在吸力面侧，流动较平缓，没有漩涡和回流，流动较顺畅。而在压力面侧，流动速度较小，回流明显，流动紊乱，易形成漩涡。进口和出口处紊流明显，特别是在叶轮出口处，形成了几个较大的漩涡。在径向，紊流强度随着半径的增大先增强后减弱。由轴向的各个截面可以看出，在叶轮的入口处气流不怎么紊乱，气流在叶片周围尤其是在压力面侧形成了很强的有旋流动，流动紊乱。在后缘附近形成个很强的漩涡，气流在叶轮出口处，紊流流动减弱，流动趋向平稳。总之流场模拟明在单个流道内，在压力面侧及前后缘附近，气流的流动状况不理想，气流流动较紊乱，回流较强，会造成气流阻塞，从而引起噪声和振动，增加流动损失，降低风机效率。

　　2.2改进叶片设计前后叶轮内气流流动状态比较由叶轮内气流流动模拟结果可知，设计的叶轮叶片并不理想，应该改进叶片设计，提高流动效率，减少紊流和回流，使流动更加均匀顺畅和平稳。改进叶片设计，重新计算叶轮内气流流动，发现改进叶片设计后的叶轮内气流的流动得到了较大的改善，气流流动紊乱阻塞得到大幅度的减小，回流显著减少，气流的流动效率明显提高，流动损失极大地减少，并且因紊流流动减小，产生的气动噪声也将极大地减小。因而改进叶片设计后的叶轮比较理想。

　　3，4为改进叶片设计前后气流流动状况对比。

　　3改进叶片设计前速度矢量3I改进叶几设计后速度矢泣43改进叶片设计前的迹线4b改进叶片设计后的迹线3结论叶轮内的流动状况不理想，特别是在压力面侧，流动紊乱回流较强，产生的气动噪声大，叶轮效率降低，应该改进叶片设计。

　　改进叶片设计后，叶轮内气流的流动状况得到很大的改善，流动趋向于更加的顺畅和均匀，紊流和回流减少，流动效率提高，流动损失减少，气动噪声降低，改进设计以后的叶轮比较合理。

　　数值模拟是种重要的工具和手段，是分析评判设计结果与调整设计方案的有效参考依据。

　　黄亮。轴流风机的优化设计和工程应他。北京清华大学，2000.

　　2潘地林，张立祥。离心式通风机蜗壳内部流动特性的数值计算分析。风机技术，1999，1031胡志伟，李开泰，苗永淼。离心风机叶轮维紊流场的有限兀数值分析1.工程热物理学报，2000，16212 15.41朱之犀，卢钰。利用维粘性流场分析提高风机设计水平。风机技术，1996，7编辑贾丽红