对旋风机性能数值仿真与实验对比

孟大伟　李长年　刘慧敏　王倩

摘要：为了研究对旋风机建模对其性能影响，依据流体力学理论，采用3D激光扫描技术，对FBD5.0/2×7.5型号对旋式轴流风机叶轮叶片进行逆向建模，运用软件，建立了风机整体模型，并给出了流体场计算结果，对风机内部流场进行数值模拟并通过风管式实验装置对风机进行实验。验证了建模准确。结果表明，对对旋式轴流风机叶轮逆向建模，建模快速，模型准确，仿真数值结果与实验数据进行对比分析，仿真计算可行。为对旋风机建模提供了新的方法，提高了风机设计的精确度。

关键词：对旋风机；3D激光扫描法；数值模拟；实验数据；性能影响

中图分类号：TH432.1 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2015）06-0054-05

0 引言

随着对旋风机被广泛地采用于煤矿、船舶和隧道掘进等领域，人们对风机的性能有了更高的要求，进而对风机设计的准确度提出了更高的要求。早期风机的设计都是采用近似公式进行设计，再通过实验获取样机的具体性能参数，设计周期长，人力物力耗量大。20世纪90年代，CFD（computational fluid dynam-ics）数值分析被用于对旋风机流场特性研究。国外研究人员使用CFD数值模拟技术对对旋风机内部流体流动、两级叶轮转速比、两级叶轮间距、叶顶间隙等问题进行了大量的科学研究，国内的研究人员利用fluent软件对对旋风机的气动性能、两级叶轮的匹配情况、稳态情况进行了分析研究。随着CFD技术在网格划分、湍流模型、数值算法等方面的不断完善，CFD数值模拟成为分析流体机械不可或缺的一种方法。然而，数值仿真的准确性依赖于模型的准确，而这其中更关键的是叶轮叶片的建模。

以往对旋风机的叶轮建模，都是运用Solid。Works软件与fluent软件的前处理gambit进行建模，运用此方法建模，需要风机叶轮叶片的数据参数，然而这些参数不易获得，因此叶轮建模费时费力，且精度不易保证。3D激光扫描法是运用三维激光扫描仪对实物进行扫描，得出数据，建立模型。采用非接触的测量方法，直接得到真实物体表面的采样点，即点云数据，利用点云数据即可以重构出任意曲面。3D激光扫描法是一种逆向建模，可以把实物还原为模型文件。此扫描法适用于扫描外形固定的物体，且能达到很高的重构精度，因此三维扫描及相关数据建模技术近十几年来发展迅速，在文物保护、3D打印、3D游戏等领域被广泛应用。

本文以FBD5.0/2×7.5型号轴流对旋风机为研究对象，采用3D激光扫描法对叶轮建模，并运用SolidWorks软件对风机整体建模，借助fluent软件对FBD5.0/2×7.5型号轴流对旋风机进行数值仿真，并对此型号风机进行实验，将实验数据与仿真结果进行对比分析。

1 模型的建立

1.1 物理模型

1.1.1 叶轮建模

运用3D激光扫描法对样机叶轮叶片进行建模。使用了加拿大Creaform公司生产的Handyscan3D激光扫描仪。扫描前，对仪器进行校正，保证扫描的精确度，如图1所示。

校对之后，在叶轮表面贴上定位感应片（定位靶），由此可以定位被测叶轮的空间坐标点，如图2所示。扫描系统通过捕捉这些定位感应片的反射，来实现精确地相对定位。

通过点云扫描，得出叶轮部分叶片和轮毂面的部分结构。一级叶轮的三角形数为153568个，二级叶轮的三角形数为49264个，结果如图3所示。

反复多次扫描，增多记录点云，成像的过程中可自动拼接，逐步成像，利用后处理软件VXmodel进行处理，最后将扫描得到的模型导人UG中进行优化处理，再由SolidWorks中进行轮毂和其余叶片的绘制，生成的两级叶轮三维几何模型，如图4所示。

1.1.2 风机整体建模

对旋风机的其余部分，即集流器、一级风筒、二级风筒和扩散器共同组成的对旋风机流道，利用软件SolidWorks和fluent的前处理gambit对其进行建模。最后将叶轮与流道的模型整合，得到风机的整体模型。图5（a）为此型号风机入口处模型，图中右侧所示为一级叶轮，旋转方向为顺时针方向，图5（b）为此型号风机出口处模型，图中右侧所示为二级叶轮，其旋转方向为顺时针方向。

1.2 数学模型

采用SIMPLE算法对流体场进行速度与压力的计算，其运用速度修正方程和压力修正方程如下：

1）速度修正方程式中：P^*为压力场；u^*和v^*为相应的速度分量；A为控制体积的界面面积；b为动量方程源项部分；a为系数。

2）压力修正方程式中，p′为压力修正值。

1.3 基本假设和边界条件假设如下：

1）计算过程在标准大气压下进行，忽略重力及气体浮力；

2）流体均匀且连续的；

3）风机内部流体属于湍流流动，采用湍流模型求解风机内部流体场；

4）风机内部流体为不可压缩流体，忽略温度影响。

对计算模型进行边界定义：给定人口速度大小和方向以及定湍流强度和水利直径；给定出口压力大小为相对标准大气压0Pa，设定回流湍流密度和水利直径；一、二级叶轮定义为旋转壁面，其他为静止壁面，采用多重旋转坐标系MRF（multiple refer-enee frame）方法解决旋转运动问题，旋转域之间和旋转域与静止域之间使用interface交界面，壁面处设为无滑移边界。

2 数值仿真

2.1 网格划分

运用Tet/Hybrid对其进行网格化，图6所示，一、二级叶轮处的旋转流体域网格最密，两侧网格逐渐变疏。风机中的两台型号相同的电机分别安装在一级和二级内筒中，与叶轮直接连接。