基于CFD的离心通风机结构优化方法与试验对比

一、离心通风机数值计算模型及分析

1.1 　网格划分及计算方法的确定

现以我院设计的A型离心通风机为研究对象，该风机由于其自身小流量、高压力、低噪声的特性，广泛应用于特殊用途，受到客户的一致好评。然而，在实际应用中，客户反映该型号风机的噪声特性不是很稳定，某单台风机的噪声值甚至超过限定值，静压也稍偏高。图1、图2分别为该型号风机改进前的结构简图及叶轮示意图，风机采用非常规蜗舌、长短叶片，其基本设计参数：叶轮直径D=560mm，设计流量Q_v=1000m³/h，设计静压p_sF=4500Pa ，噪声限定值≤75dB（A）。

由于风机的结构较复杂且属于不规则形状，网格划分采用三维非结构化网格。相对于结构化网格，非结构化网格计算过程比较复杂，但局部加密比较容易，对不规则空间适应能力较强，易于显示流场的细微结构。本文选用四面体非结构化网格对计算模型进行网格划分，共生成了615455个网格。整个流场按主要部件划分为3个计算区域，即：1——进口模拟管段；2——风机机壳内静止段加出口模拟管段；3——风机叶轮旋转区域段，各区域单独生成合适的网格，相邻的区域共用同一个面，享用相同的网格节点。其中区域3为运动域。

由于风机模型含旋转的动边界和静止不动的静边界，因此，旋转叶轮和静止机壳之间的耦合采用了多参考坐标性模型（MRF）。计算采用三维雷诺平均守恒型定常Navier-Stokes方程和k-ε标准两方程湍流模型；壁面附近应用标准壁面函数。计算方法应用SEGREGATED 隐式计算方法，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^[7]。

1.2 　边界条件与收敛条件的确定

由于气流流动的最大马赫数小于0.3，因此假设气体流动为不可压缩定常流。进口选用速度进口边界条件，出口选用自由出流边界条件，根据离心通风机的实际运行工况给定进口风速和气体干球温度；叶轮轴盘、轮盘以及轮盖区域选用旋转坐标，给定旋转壁面边界条件，计算转速为2900r/min ；风机叶轮旋转的流体区域选用旋转坐标，给定旋转边界条件，计算转速为2900r/min，其余流体区域为静止区域取默认值；相邻的流体区域共用同一个面，将这些面设置为内部界面（interior）。

收敛条件通过观察残差曲线与监视进口及测试平面的静压变化以及进出口边界的流量误差来确定。首先，设置速度误差和k、ε等参量的计算误差都小于10^-3；当计算收敛时，观察进口及测试平面的静压变化，如果静压变化仍很大，设置速度误差和k、ε等参量的计算误差都小于10^-4继续进行计算，直到静压变化趋于平稳且进出口边界的流量误差小于10^-5时，认定为计算收敛。

1.3　 计算结果及分析

利用上述计算模型，模拟设计工况（即流量Q_v=1000m³/h的工况点），经过5000次迭代，计算基本收敛。计算得到的进出口静压差为5094.61Pa，通过风机性能试验装置测得的静压值为5021Pa。从上面数据看出，模拟数据与试验数据基本吻合，误差保持在3%以内，且风机静压值较设计值（设计静压p_sF=4500Pa）明显偏高。

图3表示了风机叶轮中截面的静压风布，从图中看出，风机靠近蜗壳出口处的叶轮通道与其余部分的静压分布有稍微不同。图4 表示了风机叶轮中截面上的速度分布，从图中看出，靠近蜗壳出口处的叶轮通道内的速度分布与其他部分的叶轮通道内速度分布明显不同，气体在蜗壳内的速度分布除了在靠近出口处明显不均外，其余部分差别不是很大。图5可看出涡流存在的位置及大小，并能确定内部流动的不均匀位置。风机的内部涡流主要集中在叶片之间、风机进口以及出口蜗舌处，蜗舌结构型式以及蜗舌与叶轮间距的大小均会影响内部涡流的形成。图6可看出噪声的产生区域和强度分布。

从上述图中看出，改进前在风机进口处，气流进入叶轮区域明显不是很均匀，气流存在一定的分离现象，出现涡区，能量损失很大。气流在叶片进出口、长短叶片之间以及蜗舌处流道内存在一定的喘动，这些都是导致风机模型噪声较高的原因。可以预见，通过改变风机的叶轮结构，改善气流在流道内的流动，减小涡区，还可提高通风机的效率，降低噪声。