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温度对离心风机性能影响的数值研究

发表时间:2020-07-20 16:08:41

温度对离心风机性能影响的数值研究

李 非,王松岭,许小刚,池海雁

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院,河北 保定 071003)

摘要:利用FLUENT软件对离心风机进行数值模拟,通过改变风机流动介质的温度,观察风机的压力场、速度场、温度场的变化,得出不同温度下风机的性能曲线,分析出介质温度对风机效率的影响。结果表明,流动介质温度变化较大时,会对风机的性能造成影响。温度越高,风机的性能越差,介质流经风机获得的全压越少,其获得的机械能在随着介质温度的升高而降低。研究介质温度对风机性能的影响和提高风机效率以及保证风机安全运行有一定的指导意义。

关键词:离心风机;数值模拟;温度变化;FLUENT

0 引言

风机是电厂的耗电大户,其耗电量约占厂用电的30%左右。对于很多风机,如电厂的引风机,消防用的排烟风机等,经常会输送一些高温气体,所以气体介质温度的变化是影响此类风机性能的一个主要因素。当风机输送的气体的温度变化较大时,会影响到输送气体的密度,根据风机能量方程式可知,风机的全压是与密度有关的,所以当温度变化引起密度变化时,风机的全压也会改变,从而影响了风机的性能。如果温度变化过大,不仅会降低风机效率,严重时可能诱发叶片的疲劳、断裂等问题,会对机器造成严重危害。因此,研究温度变化对风机性能的影响有着重要的意义[1~2]。由于风机内部结构复杂,现行的试验方法很难准确地描述风机内部流场,利用计算流体力学 (CFD)进行数值模拟和优化已逐步成为了解风机内部流动状况的重要手段[3]。通过CFD模拟,可以分析并且显示流体流动过程中发生的现象,及时预测流体在模拟区域的流动性能,并通过改变各种参数,得到相应过程的最佳设计参数[4]。本文主要利用FLUENT模拟风机的内部流场;在不同的温度条件下观察风机内部流场的一些变化,描绘出不同温度下风机的性能曲线;最后通过得到的风机性能曲线来分析温度对风机效率的影响。

1 离心风机模型建立

1.1 离心风机的配置

本文以国产4-13.2(73)型离心通风机为模型,由于工程结构的复杂性,对实体模型进行了一些简化处理[6]。本文采用Gambit建立二维风机模型,风机由叶轮、蜗壳、进风口组成,叶片出口安装角为45°,叶片数Z=12,为翼型叶片,沿圆周均匀分布,建好的风机模型如图1所示。

图1 风机几何模型
Fig.1 Model of fan

1.2 网格生成

本文网格生成采用有限体积法,考虑到离心风机的内部流动情况较复杂,为了控制网格生成质量,故采用多块网格生成方法,将较复杂的几何形状分割成若干简单的小块,然后将每一小块区域单独生成合适的网格,最后将所有的网络耦合起来[5]。在本文中把风机模型划分为3部分:入口部分、叶轮流道部分、蜗壳部分。并采用不同密度的三角形非结构网格将叶轮流道部分和蜗壳部分分别网格化。

1.3 控制方程及边界条件

本问题计算运用的控制方程为三维常物性不可压缩流动的连续性方程及雷诺时均守恒Navier-Stokes动量方程和能量方程,模型采用k-ε标准湍流模型。

湍动能k和耗散率ε由以下运输方程得到:

式中:C=1.44,C=1.92,σk=1.0,σε=1.3。

计算方法采用SEGREGATED隐式方法,湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用二阶迎风格式离散;压力-速度耦合采用SIMPLE算法。

本文在离心通风机模拟中选取入口面上的参数为初始条件,边界条件为速度进口条件,出口为压力出口,其余壁面均取壁面边界条件。

2 数值模拟及结果分析

对于不同温度下的空气,风机内部的温度场必定也有差别,为了防止输送高温时风机的局部温度较高,下面对比在进口速度为3.29 m/s时,温度为常温20℃和温度100℃时风机内部各个参数的变化如图2~5所示,对比了不同温度下的温度场、速度场、静压场和全压场。

图2 风机的温度场
Fig.2 Temperature field of fan

图2为离心风机轴向截面温度场分布云图,如图显示,风机进口处温度较低,蜗壳壁面处温度相对较高,这是流体由于黏性作用机械能转变为热能导致温度升高。100℃时风机的进口平均温度要高于20℃,且100℃时风机蜗壳壁面和涡流平均温度也较高,会降低风机使用寿命。

图3 风机的速度场
Fig.3 Velocity field of fan

图4 风机的静压场
Fig.4 Static pressure field of fan

图3、图4分别为离心风机轴向截面速度场与静压场分布云图,如图可知,叶片吸力面靠近叶轮进口处静压最低,且向两侧逐渐增大,在叶片压力面靠近叶轮出口处静压达到最大值。温度的变化对风机的速度场和静压场影响不大,100℃时风机的平均速度和静压略大于20℃。

图5 风机的全压场
Fig.5 Total pressure field of fan

图5为离心风机轴向截面全压场分布云图,如图显示,对于风机内部的全压在输送100℃空气时低于20℃。

保持20℃空气温度不变,查表得相关参数为:ρ=1.205 kg/m3;cp=1.005 kJ/(kg·K);λ=0.025 9 W/(m·K);μ=1.81×10-5kg/(m·s),依次改变风机的进口速度,读取相应流量下的全压与风机的转动力矩,从而通过计算描绘出输送气体为20℃时风机流量与全压的关系曲线和风机流量与效率的关系曲线。

按照上述方法,依次得出风机在输送20℃,60℃,100℃空气时流量与全压和效率的关系,从而得出不同温度下的p-qv,η-qv性能曲线。

表1为不同温度下通过风机的数值模拟所得到的数据。

根据表1的数据描绘出不同温度下的风机性能曲线,如图6和图7所示。从图中可以看出,在不同温度下风机的p-qv性能曲线明显有所差别,且同一流量下温度越高风机的全压就越低,因此,输送介质的温度变化会影响风机的性能,高温会对风机造成不利影响;温度升高以后风机的效率总体是不变的。综上所述,温度变化会对风机性能造成影响,高温对风机有不利影响,所以风机的运行工况不宜偏离设计工况太多。

表1 不同进气温度的模拟数据
Tab.1 Simulation data of different inlet air temperature

温度/℃20 60 100流量/(m3·s-1) 速度/(m·s-1全压)/Pa效率/(%)全压 全压速度/(m·s-1)/Pa效率/(%)速度/(m·s-1)/Pa效率/(%)4.55 2.71 2 669.73 63.52 2.71 2 476.81 62.40 2.71 2 251.62 58.70 5.52 3.29 2 531.33 69.22 3.29 2 298.45 69.67 3.29 2 179.17 67.17 6.31 3.76 2 403.34 71.91 3.76 2 131.92 70.93 3.76 2 022.84 70.11 6.82 4.07 2 206.91 68.91 4.07 1 998.34 67.56 4.07 1 889.23 67.42 7.40 4.41 2 033.02 60.05 4.41 1 754.27 61.50 4.41 1 700.39 62.30

3 结论

在本文中首先分析了离心风机的一些特性,并从理论上研究了温度变化对风机性能的影响,然后利用FLUENT对风机进行了二维数值模拟,分别绘制出了不同温度下的风机性能曲线,从所得的数据和曲线可知:如果风机输送气体的温度变化较大时,会对风机的性能造成影响;温度越高,风机的性能越差,气体流经风机获得的全压越少,也就是说气体获得的机械能在随着气体温度的升高而降低。


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