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离心风机叶片优化设计及气动分析

发表时间:2020-08-06 14:27:19

离心风机叶片优化设计及气动分析


       摘要:离心风机是工业生产中重要的耗能部件,优化效率并且提升离心风机的总压对于节能减排具有重要的意义。通过数值模拟的方式,对离心风机的流动状态等进行模拟,并且对离心风机的性能进行分析,完成优化,为以后同类型的离心风机的研究提供借鉴和参考。利用CFturbo 对叶片不同的几何形状进行建模,ICEM 对模型进行网格划分,使用FLUENT 进行数值模拟计算,之后更改叶片的几何形状,重复以上步骤,将所得到的数据与原型进行比较。在掌握一定数值模拟的基础上,通过比较气动性能等方法,寻找出优化后的离心风机模型,为以后进行离心风机的优化提供了模板,并且为离心风机的优化方式提供了一定的方向。


关键词:离心风机;数值仿真;叶片进口角度;叶片出口角度


       离心风机主要由叶轮、进风口及蜗壳等部件组成。叶轮转动时,叶片构成的流道内的空气受离心力的作用向外部运动,在叶轮中央产生真空度,因而从进风口轴向方向吸入空气,吸入的空气在叶轮入口处转折一定角度后,进入叶道,在叶片作用下获得动能和压能,从叶道甩出的气流进入蜗壳,经过集中导流后从出风口排出[1]。在多级离心风机中,常常使气体进入下一级叶轮,再次提高其压力和速度,因此其属于流体机械的一种。流体机械广泛应用于工业生产中的各个方面,特别是在石油化工、能源动力、航天航空等行业,在国防和经济上发挥着巨大的作用[2]。根据目前风机的发展水平,研究和设计出更加高效节能,安全稳定,工况范围广的风机应该是从事该专业人员坚持不懈追求的目标[3-5]。本文的研究对象为自主建模的离心风机,对离心风机的叶片进行几何形状的修改,通过CFD 数值模拟的方法对离心风机整机进行气动分析和寻找出总压和效率有所提高的叶型。


一、数值模拟方法

     在数值模拟计算中,采用商用软件ANASYSFLUENT,利用分离式求解器和有限体积法对控制方程进行求解。压气机通道中的流动为湍流,采用带有标准壁面函数的k - ε 模型。利用SIMPLE 算法,同时通过控制各变量的收敛精度为10-4,以满足计算要求。


1.1 控制方程

      单位时间内流体微元体中质量的增加,等于同一时间间隔内流入该微元体的质量与流出该微元的质量的差,此定律即被称作质量守恒定律。任何流体的流动必须遵从质量守恒定律。本文假定空气为理想可压缩气体,得出质量守恒方程如下:∂ρ∂t + ∂(ρu)∂x + ∂(ρv)∂y + ∂(ρw)∂z = 0 

     (1)引入矢量符号,div(α→)= ∂(αx)∂x + ∂(αy)∂y + ∂(αz)∂z上式写成:∂ρ∂t + div(ρu→)= 0 

     

     (2)式中:ρ 为流体密(kg/m3);t 为流体流动时间(s);u→为速度矢量;u、v、w为速度矢量u→在x,y和z 方向的分量。

       也可作为可压缩气体的连续方程。微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和,这就是动量守恒定律。任何流体的流动也同样要遵从动量守恒定律。按照这一定律,可得到动量守恒方程:∂∂t(ρv→)+ ▽·(ρv→v→)= ▽·(-pI + Γ) 

    

     (3)其中,I = {δij}为单位张量;Г = {τij}为粘性应力张

量,对于牛顿流体有:τij = - 23 μ ∂uk∂xkδij + μ ∂ui∂xj+ ∂uj∂xi 

  

     (4)因为离心风机内部气体流动包含一部分热交换过程,所以还必须遵从能量守恒定律[10-13]。能量守恒定律表述为:微元体中能量的变化量为微元体内流进与流出的热流量差,加上体力与面力对微元体所做的功。以温度T 为变量的能量守恒方程表达式为:∂(ρT)∂t + div(ρv→T)= div(kcpgradT)+ ST 

    

     (5)式中:Cp为流体的定压比热容(J/kg·K);T 为流体的温度(K);k 为流体的导热系数(w/m·K);ST为流体内部热源,有时也称其为粘性耗散项。综合各个基本方程(2)、(3)、(5),发现有u、v、w、p、T 和ρ 六个未知量,还要补充一个联系P 和ρ的状方程,方程组才能封闭。对于理想气体有:P = ρRT 


     (6)式中:R 为摩尔气体常数,其值为8.314 J/mol·K.


1.2 湍流模型

      本文采用的湍流模型采用标准的k - ε 湍流模型。标准k - ε 模型是由Lauder 和Spalding 提出的经典的两方程模型,双方程模型将湍流粘性和湍流动能相结合起来,建立其与涡粘性的关系,这种方程在工程上被广泛采用。k - ε 模型是目前应用最广泛的两方程紊流模型。大量的工程应用实践表明,该模型可以计算比较复杂的紊流,比如它可以较好地预测无浮力的平面射流,平壁边界层流动,管流,通道流动,喷管内的流动,以及二维和三级无旋和弱旋加流流动等。k - ε 模型假设湍流粘性和湍动能及耗散率有关,标准k - ε 湍流模型的输运方程为:∂(ρk)∂t + ∂(ρkui)∂xi= ∂∂xj[(μ + μtσk)∂k∂xj]+ Gk + Gb - ρε - YM + SK 

    (7)∂(ρε∂t+∂(ρεui)∂xi= ∂∂xj[(μ + μtσε) ∂ε∂xj]+ C1εεk (Gk + C3εGb)- C2ε ρ ε2k + Sε)

    (8)其中,Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,Gb是由于浮力引起的湍动能k 的产生项,YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献,C1ε、C2ε和C3ε为经验常数,σk 和σε分别是与湍动能k 和耗散率ε 对应的Prandtl 数,Sk 和Sε 是用户定义的源项[7]。根据Launder 等的推荐值及后来的实验验证,模型常数C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε的取值为:C1ε = 1.44,C2ε = 1.92,Cμ = 0.09,σk = 1.0,σε = 1.3


二、前处理


2.1 计算模型建立及网格划分

      本文主要对离心风机的叶片进行分析和计算,主要讨论不同叶片几何形状对离心风机整体性能的影响,所以忽略传动轴,集流器等部件[9 -12]。采用CFturbo 对离心风机的具有不同几何形状的叶片进行建模,将所得的轮模型导入Creo Parametric 软件,在软件Creo Parametric 中,对离心风机的蜗壳进建模。所选择的离心风机的模型为板型模型,叶片数量为9,其初始模型如1 所示。离心风机中蜗壳对于离心风机的影响也是十分巨大的,由于主要研究离心风机叶片几何形状对离心风机整体性能的影响,所以在Creo Parametric 中对蜗壳采用了简单的建模方法后进行模拟和分析。为轴向方向1/4 位置和3/4位置处的离心风机的内部速度矢量图。两个位置的气体的流动状态相似,气体通过叶轮做功速度得以提升,在蜗壳内经过减速扩压之后速度下降从蜗壳出口流出,但是1/4 处的气体的流动速度较3/4 处要高,所以导致了在蜗壳出口处产生了不同的结果,3/4 处的气流出口处产生了涡流,影响了整机的效率,并且通自上而下的各个截面的观察,发现越在蜗壳出口处的下部,其涡流越明显,对离心风机进出口总压的提升有较大影响。

     使用ICEM 软件对计算域模型进行网格划分,使用非结构化网格生成方法,使用四面体和六面体网格相互组合的方式来进行网格的划分工作,这样不仅可以保证网格的质量还可以简化计算和节省计算机的内存。网格数量控制在200 万。


2.2 边界条件

      采用理想可压气体,环境压力选取为1 个标准大气压,温度选择为288 K.进出口及壁面处边界条件设定如下:进口:即离心风机模型的进口,采用流量进口条件,选取进口流量为0.8 kg/m2,流动方向选择沿壁面流动。出口:即离心风机模型的出口,采用压力出口的条件,选取表压为300 Pa,流动方向选择沿壁面流动。连接面:将区域之间的连接面设置为叶轮流体区域:将叶轮流体区域采用移动类型为MRF,即FrameMotion,转速设置为2 900 r/min.



      离心风机原型模拟:离心风机原型叶片形状为板型叶片,叶片数目为9,进口角度为14°,出口角度为34°,叶片形状由CFturbo 自行生成,与蜗壳进行组装后进行模拟和分析。图3 为轴向方向1/4 位置和3/4位置处的离心风机的内部速度矢量图。两个位置的气体的流动状态相似,气体通过叶轮做功速度得以提升,在蜗壳内经过减速扩压之后速度下降从蜗壳出口,但是1/4 处的气体的流动速度较3/4 处要高,所以导致了在蜗壳出口处产生了不同的结果,3/4 处的气流出口处产生了涡流,影响了整机的效率,并且通过自上而下的各个截面的观察,发现越在蜗壳出口处的下部,其涡流越明显,对离心风机进出口总压的提升有较大影响。

图4 是离心风机叶片表面的压力分布图。叶片在总压方面叶片的吸力面和压力面都随着流动方向逐步提高,叶片压力面总压的数值高于吸力面的总压数值,这也是叶轮做功的标志,叶轮的吸力面的总压提高没有压力面总压提高的幅度大,压力面的总压提高较为快速。从叶轮整体看,流动状况良好。静压方面与总压所得出的结论基本相同,在叶片的尾部所承受的压力最大,偏转的角度由于设计原因也越大,所以尾部比较容易出现气流分离和应力问题


四、不同叶轮参数模拟结果分析

         通过分析原型机的内部流场情况,更改叶片的进口角、出口角及叶片的数量来对离心风机的性能参数进行计算分析,并结合计算结果提出离心风机的优化方案。4.1 不同出口角下的模拟结果分析

叶片为原始进口角度为14°,出口角度为34°的板型叶片,在叶轮保持不变,叶片的进口角度也保持的情况下,将出口角度分别更改为30°,32°,36°和38°,并计算得到离心风机在不同流量下的总压和效率分布与原型机的对比


五、结论

         本文使用FLUENT 通过更改离心风机叶片进口角、出口角和叶片数目种方法来模拟离心风机的性能变化,通过分析模拟计算结果可以发现,在单一工的条件下,随着出口角度的增大,总压和效率总体呈现先增大后减小的变化趋势,并且在出口角度为36°的叶型的离心风机中,总压和效率取得最大;进口角度的改变对离心风机总压和效率的影响存在,但是不是特别明显,通过特性线分析可知,总压变化幅度和效率变化幅度存在微小的改变;通过叶片数目的改变,对离心风机进行分析可知,随着叶片数目的增多,离心风机的总压和效率有明显的提升,并且在叶片内的静压有所降低,叶片数目的增多可以在一定程度上优化离心风机的总压和效率。


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