高效离心式风机三维流场的数值模拟

（冀东日彰节能风机制造有限公司，唐山 063210）

周海军 刘慧琴



高效离心式风机三维流场的数值模拟

（冀东日彰节能风机制造有限公司，唐山 063210）

周海军 刘慧琴

摘 要：以离心式风机为主要研究对象，简要介绍离心式风机的结构及工作原理，并在此基础上，采用PRO/E软件，对集风器、叶轮和蜗壳进行三维模型的建立，同时应用ANYSY软件对模型进行网格划分，确定计算流域及边界条件，最后利用其求解器进行模拟计算，得出其内部流动的特性。结果表明：模拟的风机效率高、气体流动性好，为下一步离心式风机的节能改造提供了重要的理论依据。

关键词：离心式 风机 三维 数值模拟

引言

随着新兴经济体国家向工业化迈进的步伐加快，发展中国家城镇化突飞猛进［1］。从建材行业的水泥窑外分解、回转窑尾排气，到火力发电系统中锅炉的送风、引风，再到冶金行业的高炉炼铁、转炉炼钢，石油化工行业的三大合成以及煤炭工业的矿井通风和大型建筑物的空调等［2］，各行各业对离心式风机的应用日渐广泛。目前，由于环境污染和能源紧缺所引发的一系列自然灾害，向人类敲响了警钟。因此，设计高效率、低成本的风机具有十分重要的意义。

1 风机结构及工作原理

风机主要由流通部件（集风器、叶轮、蜗壳和出风口）、传动部件（主轴、联轴器和轴承）和支撑部件（轴承座和底座）组成［3］。工作原理为：叶轮高速旋转，将经过集流器的气体沿轴向吸入叶轮，折转90°后经叶道排出叶轮，最后由蜗壳将叶轮排出的气体集中，并导流后从出风口排出。由于叶片的作用，气体的压力和动能均增加。本文主要对集流器、叶轮及蜗壳主要部件进行分析。

1.1 集流器

集流器俗称进风口，是将气体均匀导入叶轮的装置。为保证气体的流动损失小和叶轮效率高，集流器的形状通常被精心地设计为筒形、弧形、筒锥形、弧锥形等。

集流器的设计原则如下［2］：

（1）为提高离心式风机的叶轮效率，入口处应避免出现涡流区，要保证均匀的进口速度；

（2）在叶轮入口处，尽量保证均匀的进口速度，即气体速度的大小和方向均保持不变；

（3）集流器装置本身对气体流动性的影响越小越好。

1.2 叶轮

叶轮作为风机的核心部件，通常由前盘、后盘、叶片和轮毂等部分组成［4］。其中，叶轮的型线、尺寸、叶片数及制造精度均对风机的性能和效率有很大影响。

风机的叶轮根据叶片出口角的不同，可分为前向叶轮、径向叶轮和后向叶轮。在目前的风机设计中，这三种叶片形式的叶轮均有应用。当取流量和转速均相同时，选用前向叶轮可使叶轮的直径最小，但效率较低；采用后向叶轮可使风机获得最大效率，但叶轮直径最大；径向叶轮的应用效果介于以上两者之间。

平板形、圆弧形和机翼形是风机叶片的三种常见形状。平板形叶片的制造工艺简单，但空气动力特性较差。机翼形叶片因其模仿了鸟翼的形状，具有优良的空气动力特性，且叶片强度高，气动效率高，只是工艺性较为复杂。圆弧形叶片的性能介于机翼形叶片和平板型叶片之间。其中，圆弧形叶片根据叶片径向和轴向尺寸的大小，又可分为圆弧宽叶片和圆弧窄叶片。因此，在高效风机的设计中，多选用圆弧形叶片。

1.3 蜗壳

风机结构中，能够将气体的动压有效转化为静压的装置称为蜗壳［5］。气体则在蜗壳的引导下被输送到风机出口处。蜗壳主要由蜗板和左右两块侧板焊接或铆接而成，其中蜗板是一条对数螺旋线。

2 风机的数值模拟

首先应用PRO/E软件对离心式风机的集流器、叶轮和蜗壳建立三维几何模型，然后完成其网格的划分和边界条件的设定，继而应用ANSYS软件对离心式风机的内部流道进行动力学模拟仿真，最后对计算结果进行研究分析。

2.1 数学模型

式中，ρ为气体的密度，kg/m3；μ为气体的动力粘度系数，N·s/m2；Gk是由于平均速度梯度引起的动能k的产生项；YM为可压湍流中脉动扩张的贡献；、、为经验常数；Sk和为用户定义的源项。

2.2 几何模型

将所绘制的风机进气箱、叶轮和蜗壳装配在一起，就可以得到完整的离心式风机的三维实体模型。

2.3 网格划分

文章所建立的风机集流器结构简单，形状规则，可以采用能够节省内存的六面体结构化网格来划分。而叶轮和蜗壳形状复杂，可采用适应性强的非结构化四面体网格来划分。

2.4 边界条件

离心式风机内部流动压力较小，可以把气体假设成不可压缩流体，同时忽略重力的影响。根据离心式风机的运动特性，将整个风机分为静止区域和旋转区域。这里，蜗壳和集流器被定义为静止区域，叶轮被定义为旋转区域，给定转速为580r/min。

边界条件设定如下：

（1）模型底面和侧面定义为“WALL”边界条件；

（2）流体区域类型为“FLUID”，其他部分类型均为“SOLID”；

（3）对称面采用“SYMMERY”边界条件，此面上各参数梯度均为零；

（4）在集流器处，流动现象基本是稳定的，给定入口条件为速度入口。为了使气体充分流动，给定出口为自由流动。

2.5 模拟结果及分析

根据动力学仿真结果，针对质量流量取60kg/s离心式风机的流线、马赫数及静压进行分析，依据这些参数的变化了解到风机内部的流动情况，为优化设计提供理论指导资料。

在离心式风机蜗舌处，存在一个较小的漩涡区，在此流线图上可以看出有流动分离现象。另外，在风机的流道内，其流动性较好，流场均匀，风机效率较高。

马赫数是指气流速度与当地声速的比值。从叶轮进口到出口的区域内，随着马赫数的不断升高，流体的速度也逐渐增大，而超出此区域的流道内，其速度缓慢降低。其中，计算风机叶轮通道流场的时候，假设每个叶轮通道都相同是不精确的。

离心式风机从进口到出口的流域范围内，其静压逐渐变化。由于风机出口处的流动损失而导致扩压下降，因此在蜗壳外壁面处其静压达到最大。另外，由于风机集风器的拐弯和蜗舌处的形状复杂而导致了静压较高。

根据数值模拟的后处理器，可以得出风机的一些特性参数。对数据进行处理后，应用ORIGN画图软件绘制出质量流量与风机效率、轴功率和输出功率及全压的关系曲线，并作简要分析。

随着风机质量流量的逐渐增大，其全压效率和叶轮效率均不断增加。其中，全压效率1在流量为45～55kg/s的范围内变化幅度较大，且全压效率1均高于全压效率2。叶轮效率2在规定的质量流量变化范围内出现振荡现象。另外，叶轮效率始终优于全压效率。

随着风机质量流量的逐渐增大，其功率均不断增加，且基本成线性关系。其中，轴功率均高于输出功率。

风机全压随着质量流量的不断增大而逐渐减小。另外，全压特性曲线2变化的幅度较大，且在质量流量为60kg/s时，存在最优的风机全压。

3 结论

（1）文章，模拟的离心式风机结果表明，质量流量45～80kg/s范围内变化时，风机整机效率均大于85%。根据《通风机能效限定值及能效等级-GB 19761-2009》这一国家标准可判断，此类离心式风机属于一级能效节能风机。

（2）通过研究分析得出，冀东日彰节能风机所模拟的此类风机结构合理，在保证风机效率的基础上，流场均匀，流动性较好，在实际风机设计与制造中可以应用。

参考文献

［1］石雪松，邱明杰.新型工业化时期我国离心风机行业发展趋势分析［J］.通用机械，2009，（1）：15-21.

［2］董全林，孟凡念，王鹏飞，王岩.高效风机的设计及CFX仿真分析［J］.风机技术，2014，（12）：54-60.

［3］张涛，孟宪举，李健.离心式通风机的数值模拟［J］.河北理工大学学报，2011，（1）：86-90.

［4］李俊.高效低噪声离心式通风机的数值模拟与优化设计［D］.沈阳：沈阳工业大学，2009.

［5］KV Karanth，NY Sharma. Numerical Analysis of a Centrifugal Fan for Performance Enhancement Using Boundary Layer Suction Slots［J］. Mechanical Engineering Science，2009，（224）：165-178.

Three-dimensional Flow Field Numerical Simu lation of Highly Centrifugal Fan

ZHOU Haijun，LIU Huiqin
（Jidong Rizhang SES-Fan Manufacture Co.Ltd， Tangshan 063210）

Abstract:Puts the centrifugal fan as the main research object and understands the basic structure and main parts of the centrifugal fan， on the basis of this， using PRO/E software to set the 3D model of wind collector， impeller and volute， at the tome using ANYSY for meshing of the model to determine the calculation of watershed and its boundary condition， at last， using the solver to conduct numerical simulation and obtain the internal flow characteristics to be analyzed. Simulation results show that the efficiency of designed fan is highly， the stream is equality， which can provide important theory bas is for the fan’s next energysaving transformation.

Key words:Centrifugal， Fan； Three-dimensional， Numerical simulation