分流叶片对微型离心式风泵性能影响的数值研究

张 雷，杨决宽，毕可东，李正伟

(1东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189)

(2.博西华(电器)南京有限公司，江苏 南京 210046)

分流叶片对微型离心式风泵性能影响的数值研究

张 雷1，杨决宽1，毕可东1，李正伟2

(1东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189)

(2.博西华(电器)南京有限公司，江苏 南京 210046)

为了研究分流叶片对微型离心式风泵性能的影响，对现有叶轮模型进行了流体力学数值研究。采用Realizedk-ε湍流模型和SIMPLE算法，研究分流叶片的周向位置、长度、倾角以及长短叶片数等参数对离心式风泵性能的影响。在额定转速为5 500r/min且风量风压曲线的实验结果和计算结果吻合较好的情况下，对其进行了优化。仿真结果表明，对于现有叶轮模型，当分流叶片处于长叶片间周向位置4时、分流叶片进口直径Ds为叶轮外径Do的0.75倍 、分流叶片内部斜边与离心式风泵轴线夹角为12.5°时，离心式风泵的性能较为优异。此外，计算结果还表明，在现有模型中，对分流叶片几何参数进行优化，长短叶片数目均为11时，该离心式风泵的性能有较明显的改善。

离心式风泵；分流叶片；湍流；计算流体力学

离心叶轮机械广泛应用于各行各业，对于离心式风泵高效率的追求，使得加入短叶片作为分流叶片的离心叶轮也得到广泛应用。分流叶片能减少离心叶轮叶片进口处的拥堵，进而改善叶轮内部的流场分布，提高叶轮压比，减少分离损失。但国内主要是应用带分流叶片的离心式风泵，对其系统且深入的研究还比较少。近年来，随着计算流体力学(CFD)的发展，数值模拟计算在许多领域得到应用，泵行业也不例外。CFD技术的快速发展为深入研究离心式风泵内部流场和性能的影响机理提供了有力支撑，正日益成为一种重要的技术手段。郝开元等[1]采用CFD技术研究离心压缩机整机性能优化设计方法，通过优化结构的方法改善了该离心压缩机。王伟等[2]利用商用软件ANSYS-CFX，以离心压缩机为研究对象，采用三维定常与非定常计算方法，得到该叶轮的性能曲线和内部流场的基本特征。吕为等[3]针对风机叶轮内流动损失问题,设计加工了4种不同型式的叶片，并通过试验对比分析了各型式叶片对风机气动性能的影响。兰江等[4]以离心式空气压缩机为研究对象，对其叶轮内部三维流场进行数值模拟计算，结果表明分流叶片可以不同程度提高压缩机整体性能，最大可提高效率2%以上。徐洁等[5]应用奇点分布法对长、短叶片离心式风泵叶轮内部流场及长、短叶片的相互干扰进行了数值研究，提出了带分流叶片离心叶轮内部流场的数学模型。Cui等[6]采用数值计算方法分析了带有长、中、短叶片的离心式风泵内部流场分布，得到了叶轮内回流区域的具体位置。袁寿其、阳诚武等[7-9]通过正交实验和CFD等方法分析了分流叶片数、分流叶片偏置度、进口位置、偏转角和固定位置对离心式风泵性能的影响。

1 模型的验证

近年来，由于微型离心式风泵的应用越来越广，使得国内外学者纷纷对带有分流叶片的微型离心式风泵进行分析研究。Wu等[10]采用PIV实验测量方法得到了微型离心式风泵的内部流场。T. Shigemitsu等[11-13]采用数值计算方法研究了带有分流叶片微型离心式风泵的内部不稳定流场，并分析了叶片出口安装角以及叶片厚度对其性能的影响。这些研究为带分流叶片的微型离心式风泵数值计算以达到优化其性能提供了理论依据和参考。

本文采用数值模拟方法，计算分析了分流叶片周向位置分布，分流叶片的长度、倾角及长短叶片数等参数对微型离心式风泵内部流场及性能的影响。数值模拟所采用的Fluent软件包主要包括：前处理器Gambit、求解器Fluent、后处理器Fluent或Tecplot。前处理器Gambit具有前处理建模和划分网格的功能，求解器Fluent是核心部分。研究对象为长短叶片微型离心式风泵，其叶轮主要设计参数为：长叶片和分流叶片各9片,叶轮转速5 500r/min。叶轮的基本尺寸见表1。本文模拟计算风泵总压为250Pa时离心式风泵的出口流量。图1，2分别是泵体结构和叶轮结构示意图。

计算模型用三维制图软件Pro/E建模，然后应用ICEM CFD网格功能划分非结构化网格，单元总数目为600万。Fluent求解是采用Realizedk-ε湍流模型和SIMPLE算法进行模拟计算。可动区域使用MRF(MovingReferenceFrame)模型，叶轮为可动区域假定静止时的可动边界，其他壁面是静止的，近壁区采用标准壁面函数。边界条件按照给定的总压设定压力入口以及压力出口。当各速度分量及k,ε的计算残差下降到1×10-3以下时，认为计算已经收敛。

图3为微型离心式风泵的风量风压实验示意图，在关闭进气口情况下启动电动机，待运转正常且未发现异常后进行各项测试。本实验是针对叶轮转速为5 500r/min情况下的风量风压曲线，通过调节孔板流量计改变离心式风泵风量(Q=10.0m3/h、20.0m3/h、30.0m3/h、40.0m3/h、42.8m3/h)测得出口处的风压，每个风量下测20次风压,最后取平均值。图4是计算结果与实验值的比较，从表2可以看出，实验所测的风量风压曲线与模拟计算所得曲线有所偏差，但总体趋势较吻合，前面4个流量工况试验风压与计算风压的相对误差都小于9%，由于最后一个流量工况不是此风泵正常工作的工况，故这个工况下的试验计算相对误差值没有任何意义，因此所采用的理论计算模型和边界条件用于此微型离心式风泵的模拟计算是可行的。出现偏差的原因可能是理论计算模型不完全符合风泵内的流动，而是实际流动过程的近似。

2 计算结果及分析

2.1分流叶片周向位置的影响

图5中叶轮模型是长叶片位置不变、分流叶片位置不同的叶轮，6个位置按照相同角度依次从压力面向吸力面偏移。计算模拟时，长叶片位置不变，分流叶片分别处于图中的2个长叶片间的6个位置，7个长短叶片相邻两叶片间距相等。图6给出了风泵出口流量随着分流叶片周向位置变化的曲线，随着分流叶片从靠近长叶片压力面向长叶片吸力面偏置时,在位置4处风泵的流量最大。袁寿其等[8]也认为分流叶片偏置负压力面能有效提高离心式风泵性能，认为偏置压力面能有效抑制分流叶片相邻流道内流量不等、速度不均匀现象，从而改善了离心式风泵性能。从图7中可以看出，在某一时刻t风泵内部存在不同程度的湍流区域，如位置1(下同)，由图可见，靠近蜗壳出口处的涡区Ⅰ、涡区Ⅱ、涡区Ⅲ湍流强度最为剧烈。分流叶片在从位置1偏向位置6的过程中，主要湍动区域也由涡区Ⅲ向涡区Ⅱ和涡区Ⅰ移动；从图7还可以看出，涡区Ⅱ对计算流量的影响要比涡区Ⅰ大。当分流叶片处于位置4时，尽管主要湍动区域集中在涡区Ⅱ，但是由于湍动强度的数值相比其他5个位置要低，流道内速度也相对其他位置更平均，从而使得风泵流量得以提升。

2.2分流叶片入口边缘处倾角的影响

如图8所示，叶轮分流叶片入口边缘与叶轮轴线成一定的夹角，在其他条件(分流叶片周向位置、入口直径)不变的情况下，本文对离心式风泵流量随叶轮分流叶片入口边缘与叶轮轴线间夹角变化情况进行数值仿真。图9中给出了计算风量随分流叶片入口边缘倾角变化的曲线，从图中可以看出，离心风泵流量在夹角为5°以后增幅不明显，夹角为12.5°时离心式风泵的流量最高；通过对分流叶片入口边缘夹角不同时叶轮中间截面的湍动强度对比发现，当夹角为0°时，叶轮内部湍动最为剧烈。

2.3分流叶片长度的影响

如图5所示，分流叶片的入口直径为Ds，叶轮外径为Do，令i=Ds/Do。分流叶片周向位置分布、分流叶片入口边缘倾角都保持不变，模拟不同的分流叶片入口直径Ds对其计算流量的影响。从图10可以看出，随着入口直径的增加，计算流量也随之增大，当入口直径Ds为叶轮外径Do的0.75倍时，计算流量达到最大值。随后，由于分流叶片直径过大，导致长短叶片间流道堵塞，摩擦力增大，使得风泵出口流量降低。对比图11中速度云图可以明显看出，当入口直径Ds为叶轮外径Do的0.75倍时，其分流叶片两侧的速度场相比其他几种叶轮模型更平均，内部流动更加平顺，因此具有此叶轮模型的风泵性能最佳。

2.4叶片数目的影响

现有模型中，长短叶片数目均为9。为研究叶片数目对风机性能的影响，本文模拟计算了长短叶片数目为7，9，11，13的叶轮模型，4种模型中分流叶片各几何结构参数均保持一致。计算结果如图12所示，在同一流量下，当叶片数为7时，其计算总压明显低于其他几种模型的计算总压，这是因为当叶片数过少时，叶片做功能力降低，流道的开放尽管减少了叶片与流道间的摩擦，但是也导致了分离损失的加剧，从而使得风压降低，降低了风泵的性能。从图12中还可以看出，当长短叶片数为11时，风泵性能最佳；当叶片数目增加到13时，尽管叶片数目的增加增强了叶片的做功能力，但由于流道的狭窄使得摩擦损失增大反而降低了风泵的性能。此外，从图13中对比4种不同叶片数叶轮模型效率-流量曲线可以得出，在该风泵最佳工况(15m3/h～25m3/h)条件下，长短叶片数为11的叶轮效率也是最大，由于内部流动更平均，各类流动损耗最小，因此具有最好的综合性能。

3 结论

本文以微型离心式风泵为研究对象，通过对其叶轮进行三维流场数值模拟，从分析风泵出口流量来研究分流叶片的周向位置、长度、倾角以及长短叶片数等参数对离心式风泵性能的影响，为对微型离心式风泵工程应用的优化设计提供了一些理论指导，得到如下结论：

a.分流叶片的周向位置分布会引起叶轮流道内不同程度的湍动。数值模拟结果表明，离心式风泵的流量随着分流叶片从大叶片压力面向大叶片吸力面偏置时而逐渐增大。当分流叶片处于位置4时，尽管主要湍动区域集中在涡区Ⅱ，但是由于湍动强度的数值相比其他5个位置风泵内的湍流强度要低，从而使得风泵流量得以提升；但随分流叶片继续偏置至位置5时，推测由于叶轮内部主要涡区Ⅱ的影响，使得风泵流量降低。

b.分流叶片入口边缘处倾角的不同也会影响风泵的性能。仿真结果表明，该离心式风泵流量在分流叶片入口边缘与叶轮轴线间夹角为5°以后增幅不明显，在夹角为12.5°时，风泵出口流量最高。

c.分流叶片随着入口直径的增加，计算流量也随之增大。当入口直径Ds为叶轮外径Do的0.75倍时，计算流量达到最大。分流叶片入口直径继续增大导致长短叶片间流道堵塞、摩擦力增大，进而降低风泵的性能。

d.当分流叶片的周向位置、入口边缘倾角以及分流叶片长度分别取模拟最优值时，改变长短叶片数目，计算模拟发现，当长短叶片数目增至11时，叶轮性能最佳；但当继续增加叶片数目时，由于流道变窄引起摩擦增加，导致风泵性能下降。

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Numerical calculation of effects of splitter blades in performance of a mini-centrifugal fan pump

ZHANG Lei1, YANG Junkuan1, BI Kedong1, LI Zhengwei2

(1.School of Mechanical Engineering, Southeast University, Jiangsu Nanjing, 211189 China)

(2.Nanjing BSH Home Appliances Co., Ltd, Jiangsu Nanjing, 210046, China)

In order to investigate the effect of splitter blades in performance of a mini-centrifugal fan pump, it establishes numerical model based on CFD. It applies the Realized-k-ε turbulence model and SIMPLE algorithm to study the effects of the circumferential position, the length, and the tilt angle of splitter blades on the pump performance. P-Q curve of fan pump under experiment matches well with that under simulation at 5500r/min. Simulation results show that the performance of the centrifugal fan pump would be improved apparently for this fan model in three cases. One is that splitter blades are placed position4 between two long blades. The second case is that the ratio of the inlet diameter of splitter blades to the impeller outer diameter is 0.75. The third case is that the angle between the inside edge of splitter blades and the axis of the pump is 12.5°. It demonstrates that the optimized number of both long blades and splitter blades are 11 for this fan model based on the geometrical parameters optimization of splitter blades.

centrifugal pump; splitter blade; turbulent flow; CFD

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.009

2015-01-08

张雷(1988—)，男，江苏靖江人，东南大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论、流体机械。

TH42.43

A

2095-509X(2015)04-0035-05