6-30型风机流场的三维模拟与分析

　　技术创新6-30型风机流场的三维模拟与分析李文华1范兴文2（辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新FLUENT6.1对离心风机内部流场进行了三维数值模拟。计算中采用了标准k-e湍流模型与非结构化网格。通过模拟发现了蜗舌对叶轮中流动的影响和部分空气在叶轮中的螺旋状流动，捕捉到了离心通风机内部许多重要的流动现象，同时对计算结果进行了分析，对该类风机的性能改进提供了一定的依据。

　　1前言近年来，随着计算机技术的快速发展，使得计算流体动力学（CFD）在离心风机的研宄领域得到了越来越广泛的应用。本文就应用计算流体动力学的商用软件之一Fleunt对6-30型离心风机的流场做了三维模拟，并通过对其流场的研宄，为改进风机的性能找出方向。

　　2建模与计算方法方法，湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用了二阶迎风格式离散；在迭代计算时，应用亚松弛迭代，松弛系数采用默认。2.1风机的主要参数本文以6-30型风机为研宄对象，主要参数如下：流量gv min，叶轮夕卜径D2=490mm，叶轮轮毂宽度b=39mm，叶片数2=12，蜗壳基圆半径尺广274mm，尺2动充分发展，对入口和出口做了一定的加长。工作介质为标况下的空气，并认为牛顿流体且局部各向同性。蜗壳垂直z轴，轴面为xy平面，垂直纸面向外为z轴。通过三维软件AUTOCAD建模，模型（除去叶轮前盖）如所示。

　　2.2网格化分本文采用gambit对风机的内流场进行划分，考虑到离心风机的内部流动情况较复杂，故整机采用非结构体网格进行划分，并将整机划分为三个部分：入口部分，叶轮流道部分，蜗壳部分。

　　2.3控制方程本文中旋转叶轮与静止蜗壳之间、旋转叶轮与静止进口管之间的耦合采用了多坐标系（multiple referenceframe），把离心风机内流场简化为叶轮在某一位置的瞬时流场，将非定常问题用定常方法计算。对于定常不可压缩流体，取与叶轮一起以恒定转速转动的坐标系，考虑粘性假设，使用笛卡儿坐标系，速度矢量在x，y和z方向的分量为u、v和采用标准A-e模型求解该问题时，控制方程包括连续性方程、动量方程、k方程、e方程，这些方程都可以表示成如下通式：u、v、单位为m/s，厂为扩散系数，S为广义源项，湍动能k和湍动能耗散率e，方程的具体形式和含义参见。

　　2.4边界条件在计算域的进口处，假定进口速度沿进水管入口截面均匀分布，给出进口质量流量，并指定其方向与进口垂直。进口处的湍动能k和湍动能耗散率e取默认值。

　　入口和蜗壳部分为静止网格，叶轮流道部分采用悬转坐标系，三部分之间的连接面设置为interface.入口，叶轮和蜗壳与流体相接触的所有壁面均采用无滑移固壁条件，在近壁区采用标准壁面函数法，除叶轮流道部分壁面为旋转壁面外其他壁面均为静止。计算中忽略重力呢靠近蜗舌流道z=15截面静技术创新-对流场的影响。

　　3计算结果分析3.1模拟结果可信度判断风机全压在风机入口，流道入口，流道出口和蜗壳出口上的流量加权平均报告如下：从以上图表及数据可以看出，计算结果的速度和压力分布都与实际情况相符，且风机出口和入口的全压差为3.90 kPa，与给定的风机全压3.98kPa误差仅为2，可以判断该模拟结果可信。

　　3.2流场分析从各流道的静、压全压和速度等高线看，各流道内的流动情况并不相同。为靠近蜗舌的流道z=15截面的静压和速度等高线，为远离蜗舌的流道的静压和速度等高线。从两个图的对比可以看出，靠近蜗舌的流道入口和出口的平均流速都比远离蜗舌的流道小。靠近蜗舌的流道中流速变化较快，达到高流速的区域较大，且位于流道的中后部；而远离蜗舌的流道中达到高流速的区域仅分布在出口靠近叶片的小区域内，流动比较平稳。

　　4流动损失分析从可以看出，由于蜗舌的滞止效应，蜗舌周围存在一个静压力的高压区，导致蜗舌附近的流道出口处静压力较大，从而使这部分流道的出口和入口速度比其它流道要小，因此同一时间内通过该部分流道流量较小，即靠近蜗舌的流道做功能力较其它部分有所削弱。且靠近蜗舌的流道中流体流动较紊乱，即该流道中流体的流动损失较其他部分大，和所示即为整个叶轮中的迹线和近蜗舌流道中的迹线。

　　（3）从可见，在每个叶轮流道中都存在一些与叶片方向背离较为严重的迹线。为更清楚研宄这些迹线，在一个流道的入口处，均匀设置4条靶线，观察以这4条靶线为起点流体迹线。为靶线分布示意图，标为A，B，C，D4条靶线。为从两个方向观察到的以这4条靶线为起点的流体迹线。可以看出，以靠近叶片非工作面的A、B靶线为起点的气体的流动较均匀和平稳；而以靠近叶片工作面的C、D靶线的上部为起点的气体沿流道方向有明显的螺旋状流动，这必将增加叶轮流道的流动损失。

　　5结语通过对6-30型离心风机设计工况下内部流场的模拟，了解了流体在各叶轮流道中压力和流速的不均匀性，特别是靠近蜗舌的流道也其它位置流道差异较大。并分析了在叶轮入口，叶轮内部和蜗舌周围发生的能量损失。

　　（1）在叶轮旋转过程中，各流道的流动随它在叶轮中相对位置的不同而不同。压力和速度分布具有明显的轴不对称性，尤其在靠近科技创新导报蜗舌的流道中差异更加显著。

　　蜗舌的设计对整机的性能有重要影响，因为蜗舌不仅引起环流损失，而且会影响到靠近它的的做功能力。

　　在叶轮各流道中都存在横贯流道的流动，这种不规则的流动也带来一部分能量损失。这种不规则流动主要是由从靠近叶片工作面一侧的上部流入叶轮的气体引起的。

　　综上所述，使用数值模拟方法研宄离心风机内部流场能够方便直观的让我们观察到气体在风机内的流动状况，并能够根据需要提供详细的数据，为我们改进和设计性能更好的风机指明方向。