基于CFD的離心風(fēng)機(jī)蝸殼優(yōu)化研究

張 琦 邵準(zhǔn)遠(yuǎn) 徐淑君 賈會勉

（浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司）

基于CFD的離心風(fēng)機(jī)蝸殼優(yōu)化研究

張 琦 邵準(zhǔn)遠(yuǎn) 徐淑君 賈會勉

（浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司）

為研究離心風(fēng)機(jī)蝸殼出口寬度對風(fēng)機(jī)性能的影響，用solidworks建立了風(fēng)機(jī)模型，并通過測試驗(yàn)證了模型選取的合理性。在原風(fēng)機(jī)模型基礎(chǔ)上，改變蝸殼出口寬度，對兩種不同出口寬度的風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動優(yōu)化計算分析，優(yōu)化后的模型效率提高了4.5%。研究表明：蝸殼出口寬度偏小，其流量小，壓力大，效率低；蝸殼出口寬度偏大，流量大，壓力小。

CFD；蝸殼優(yōu)化；離心風(fēng)機(jī)；蝸殼

0 引言

離心通風(fēng)機(jī)蝸殼的作用是將葉輪甩出的氣體集中、導(dǎo)流，并將其部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗躘1]。蝸殼內(nèi)的氣流相對比較復(fù)雜，蝸殼的出口存在邊界層分離和回流，蝸殼通道內(nèi)部存在旋渦[2-4]。流體和蝸殼壁面之間摩擦、壓力梯度及離心力不平衡導(dǎo)致了二次流以及曲率對流動結(jié)構(gòu)的影響，使得蝸殼內(nèi)的流場極為復(fù)雜[5]。

在離心風(fēng)機(jī)的葉輪流道中，葉輪出口沿周向氣體速度和壓力不均勻。葉片出口附近存在較為嚴(yán)重的邊界層分離現(xiàn)象。葉片表面存在附面層，隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，吸力面和壓力面附面層的結(jié)構(gòu)和形態(tài)是不同的。葉片吸力側(cè)形成的低能流積聚的“尾跡區(qū)”，形成“射流-尾流”結(jié)構(gòu)[6-7]。尾跡區(qū)減少了流道有效通流面積，對風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生不良影響[8]。葉輪出口氣體流速較大，存在比較大的速度梯度，氣流從葉輪進(jìn)入蝸殼時，突然流動面積變大，存在一定的流動損失。蝸殼的蝸舌間隙，很大程度上影響蝸殼內(nèi)的流動情況。蝸舌間隙太小，風(fēng)機(jī)噪聲大；蝸舌間隙太大，存在較大環(huán)流，影響風(fēng)機(jī)效率。設(shè)計與葉片匹配度比較高的蝸殼，可以改善葉輪流道內(nèi)的流動情況，蝸殼內(nèi)的流場分布，影響風(fēng)機(jī)的整體性能。

以某高壓離心風(fēng)機(jī)為研究對象，通過CFD氣動模擬仿真，分析該風(fēng)機(jī)的流場和氣動性能。在原風(fēng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化方案，對不同蝸殼開度的模型進(jìn)行氣動計算分析，選取最優(yōu)模型，提高了風(fēng)機(jī)效率。

1 研究對象

我公司某高壓離心風(fēng)機(jī)，其葉輪直徑為630mm，風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速2 900r/min，長葉片數(shù)16個，短葉片數(shù)16個。風(fēng)機(jī)運(yùn)行最高效率工況8 100m3/h，全壓為10 420Pa，效率73.2%。此風(fēng)機(jī)屬于高壓離心風(fēng)機(jī)，其流量系數(shù)0.075，壓力系數(shù)0.947，比轉(zhuǎn)速為23。

在Solidworks中建立三維氣動模型。把風(fēng)機(jī)計算域分為兩個部分，轉(zhuǎn)子部分的旋轉(zhuǎn)域和其他部件組成的流場域（采用相對坐標(biāo)系進(jìn)行計算）。兩個域通過交界面連接，進(jìn)行質(zhì)量、動量以及能量傳遞。建立完三維氣動模型之后，導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

由于影響離心風(fēng)機(jī)性能的關(guān)鍵部位為葉輪、蝸舌、集流器及徑向間隙，因此為了計算的準(zhǔn)確性，對這3個部件進(jìn)行網(wǎng)格特殊加密處理。通常，離心風(fēng)機(jī)出口處存在回流現(xiàn)象，為了方便計算，風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口都適當(dāng)?shù)难娱L。

離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格難度大，研發(fā)周期長，并且結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格很難處理“徑向間隙”等問題，如果忽略徑向間隙，會導(dǎo)致計算性能偏高。而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對幾何的適配性非常強(qiáng)，處理徑向間隙相對比較容易。離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子離靜止部件比較遠(yuǎn)，邊界層影響較軸流風(fēng)機(jī)小很多。為了準(zhǔn)確計算風(fēng)機(jī)性能，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行計算，網(wǎng)格數(shù)為1 200萬，在大型工作站中完成本模型的計算仿真，圖1和圖2分別為風(fēng)機(jī)預(yù)處理模型和網(wǎng)格圖。

為了保證計算精度，首先對模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，在穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，以穩(wěn)態(tài)模型為初始條件，進(jìn)行瞬態(tài)計算。

穩(wěn)態(tài)模型計算設(shè)置如下:

計算模型為穩(wěn)態(tài)；流體介質(zhì)為完全氣體；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 900r/min；湍流模型采用k-ε模型；邊界條件:1）進(jìn)口選用全壓；2）出口選用流量；3）固體壁面采用無滑移光滑壁面；4）交界面模型采用通常連接，坐標(biāo)變換模型采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子；數(shù)值算法：對流項(xiàng)采用高解析度，湍流數(shù)值算法采用一階格式。

圖1 風(fēng)機(jī)預(yù)處理模型圖Fig.1 Fan model

圖2 風(fēng)機(jī)網(wǎng)格圖Fig.2 Fan model grid

穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果是否收斂很大程度上影響后面瞬態(tài)計算，評價計算結(jié)果是否收斂，要綜合以下幾個因素來判斷計算是否已經(jīng)收斂：1）模型殘差（RMS）達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；2）計算物理參數(shù)基本無變化，趨于穩(wěn)定；3）進(jìn)出口質(zhì)量差小于0.5%。

模型達(dá)到以上三個要求，基本可以斷定模型已經(jīng)收斂。在穩(wěn)態(tài)計算模型的基礎(chǔ)上，穩(wěn)態(tài)計算文件為初始條件，進(jìn)行瞬態(tài)計算。根據(jù)風(fēng)機(jī)特征長度，確定瞬態(tài)的計算時間步長，特征速度以及網(wǎng)格特征尺度由計算得到。

2 流場分析

此風(fēng)機(jī)為前向離心風(fēng)機(jī)，相比后向離心風(fēng)機(jī)，其流道內(nèi)的有效流通面積相對比較小，“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)比較明顯。由圖3和圖5可看出，高壓前向離心風(fēng)機(jī)流道內(nèi)存在“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)，由于蝸殼的不對稱性，導(dǎo)致流場比較復(fù)雜，流場內(nèi)局部存在較大的速度梯度。圖4表明，在A和B位置，壓力都較大；C位置存在明顯風(fēng)負(fù)壓帶。葉輪出口的壓力分布不規(guī)則。

圖3 徑向截面流場圖Fig.3 Radial section fan flow field of distribution chart

圖4 徑向截面壓力分布圖Fig.4 Pressure distribution of radial direction section

由圖5可看出，1，2位置氣流倒灌入葉輪流道，使該流道整體堵塞，在a和b位置形成旋渦。此流道不但減少了葉片流通面積，還造成了比較大的流動損失。此流道的相鄰流道中，氣流從3位置進(jìn)入，從4位置流出，形成一個短期的小環(huán)流。導(dǎo)致了4位置出口流速梯度比較大，也造成了一定的流動損失。

圖5 蝸舌部位局部流場圖Fig.5 Part flow field of volute

圖6和圖7可看出，計算值和實(shí)測值基本吻合，計算結(jié)果比較準(zhǔn)確，說明模型的處理和計算都是合理的。

圖6 計算和實(shí)測值的流量-效率曲線圖Fig.6 The efficiency with different flow rate of calculation and experiment value

圖7 計算和實(shí)測值的流量-全壓曲線圖Fig.7 The total pressure with different flow rate of calculation and experiment value

3 蝸殼優(yōu)化方案及優(yōu)化模型的流場分析

根據(jù)以上的流場分析，可看出原風(fēng)機(jī)模型設(shè)計不合理，要對原始風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。提出對蝸殼開度重新設(shè)置，在保證蝸舌間隙及其他型線不變的前提下，只改變風(fēng)機(jī)出口處的蝸殼開度，形成新的蝸殼型線。

原始風(fēng)機(jī)模型出口寬度為208.5mm，經(jīng)過分析，確定方案一：調(diào)整風(fēng)機(jī)出口寬度為220mm。方案二：調(diào)整風(fēng)機(jī)出口寬度為236.5mm。蝸殼型線如圖8。

圖8 三個模型的蝸殼型線圖Fig.8 The volute profile of three models

由表1，2，3及圖9，10可看出，當(dāng)蝸殼出口寬度變大時，風(fēng)機(jī)全開流量變大，全壓稍微降低。三個模型中，效率最高的是方案1，方案2次之，原風(fēng)機(jī)模型效率最低，它們的最高效率點(diǎn)都在流量為8 103m3/h，沒有出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。原模型和方案1都在8 103m3/h時開始回落，而方案2到了7 524m3/h才開始回落，喘振點(diǎn)往小流量區(qū)偏移。

表1 原始風(fēng)機(jī)氣動性能表（出口寬度208.5mm）Tab.1 Aerodynamic performance of original fan with outlet width 208.5mm

表2 方案1模型氣動性能表（出口寬度220mm）Tab.2 Aerodynamic performance of fan model with outlet width 220mm

表3 方案2模型氣動性能表（出口寬度236.5mm）Tab.3 Aerodynamic performance of fan model with outlet width 236.5mm

圖9 三個模型的流量-全壓圖Fig.9 The pressure with different flow rate of three fan models

圖10 三個模型的流量-效率圖Fig.10 The efficiency with flow rate of three fan models

4 優(yōu)化模型流量分析

通過以上分析，方案1效率最高，為77.9%，原始風(fēng)機(jī)模型最高效率為73.4%，提升了4.5%。

圖11顯示，優(yōu)化后的壓力分布更加規(guī)則，葉輪出口處的靜壓更加平滑。C1處的低壓區(qū)基本消除，減少了氣流倒灌的可能性；B1處的高壓帶變窄變短。

圖11 優(yōu)化模型徑向截面靜壓分布圖Fig.11 The static pressure distribution of radial section in optimal model

由圖12看出，蝸舌附近的葉片流道內(nèi)氣流通暢，沒有出現(xiàn)氣流倒流現(xiàn)象。流道內(nèi)的有效通流面積明顯增大。

圖12 優(yōu)化模型蝸舌局部流場圖Fig.12 Part flow field of volute tongue in optimal model

6 結(jié)論

通過以上分析可得出：

1）CFD模擬仿真的計算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果比較吻合，三維計算能顯示和分析蝸殼內(nèi)的流場情況，為優(yōu)化設(shè)計提供優(yōu)化方向。

2）在葉輪確定的情況下，蝸殼和葉輪存在最佳匹配蝸殼型線。匹配度高的蝸殼型線能提高風(fēng)機(jī)效率。

3）蝸殼出口寬度偏小，其流量小，壓力大，效率低，流場分布不合理；蝸殼出口寬度偏大，流量大，壓力小;蝸殼出口寬度適當(dāng)，蝸殼匹配度高，流場和壓力分布合理，模型效率高。

[1]慈蕾，謝蓉，孫濤，等.離心式壓縮機(jī)蝸殼優(yōu)化設(shè)計［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2005,18（2）:40-44.

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Optimization Analysis of a Centrifugal Fan Volute Based on CFD

Qi ZhangZhun-yuan ShaoShu-jun XuHui-mian Jia
（Zhe Jiang Shang Feng Industrial Holdings Co.,Ltd.）

A centrifugal fan is modeled by Solidworks to analyze the effect of the outlet width of a centrifugal fan volute on the performance of the fan.First,the Solidworks model is verified by a test,subsequently the outlet width of the volute is varied,i.e.,two fans with different outlet width of the volute are simulated.The optimal width increases the efficiency by 4.5%after test.The results show that the fan with a smaller outlet width of the volute has a smaller flow rate and higher pressure,but lower efficiency.The larger outlet volute width of the fan has a higher mass flow rate but smaller pressure ratio.

CFD，volute optimization，centrifugal fan，volute

TH432；TK05

1006-8155-(2017)05-0032-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.05.0005

2017-07-24 浙江 紹興 312302