旋转机械 流场分析｜基于STARCCM+的多翼离心风机流场分析
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前言
多翼离心风机由于其具有尺寸系数小、噪声低、流量系数大和压力系数高等优点，被广泛应用于吸油烟机、空调室内机、工厂、矿井和电气设备等的通风换气和冷却中,在国民经济建设中发挥巨大作用。多翼离心风机其结构上的特点是叶型呈前弯型，并且叶片数目较多，通常在40片以上，而且其叶片往往是等厚度的单圆弧叶片，方便加工制造。
设计模型
图1 叶轮设计
图2 蜗壳设计
图3 风机二维/三维显示界面
CFD仿真建模
为了提高计算的进度，把出口部分进行自动延长从而减小出口回流对计算精度的影响。将整个流体域划分成四个部分，分别为进口部件、叶轮、蜗壳和出口段。网格划分采用CCM+所特有的多面体技术划分高质量的网格，并且对叶轮和蜗壳壁面进行边界层加密，保证边界上使用壁面函数所要求的Y+范围。各区域通过interface相连，interface面之间的网格完全贴合，这样可以使交界面上的数据交换更加准确，提高计算的精度。最终计算网格总体网格数为4388873，其中叶轮区域网格数约3884712，蜗壳网格数为366757，进口部分网格数339046，出口部分网格数98358。各个部件的网格如图4~7所示。
图4 进口网格 |
图5 叶轮网格 |
图6 蜗壳网格 |
图7 整体网格 |
计算的边界条件为：进口设置为流量进口，出口边界设置为压力出口（静压为0Pa），旋转区域建立参考坐标系(Reference Frames)，其中旋转中心为[0,0,0]，旋转轴为[0,0,1]，旋转速度为1000rpm。本文计算采用稳态分离隐式求解，湍流模型采用Realizable k-Epsilon Two-Layer模型，不考虑重力和热量的影响。动量方程、湍动能方程、耗散方程的空间离散格式均采用二阶离散格式。
流场分析
下面对设计工况下的风机内部流场进行分析。截取叶轮中间位置的 XY 截面与XZ 截面，网格如图8所示。在XZ截面上建立速度矢量Vxz的流线分布，如图10所示。从图中可见流量大部分靠近蜗壳出口侧流动，并且在蜗壳中形成了非常明显的上下两个二次涡流，这是蜗壳中主要损失之一。其主要的成因是轴向上流动分布不均，造成上下压力不平衡而形成的二次流动。在XZ截面上建立径向速度的矢量分布图，如图11所示。径向速度间接代表了叶轮进出口的流量分布。从图中可以更加明显的看到流量在轴向上分布非常不均匀，其主要原因是空气从外界进入叶轮前由于多翼离心风机轴面流道的特点，无法使轴向进气能很好的均匀的导出径向出气，所以无法避免的造成了轴向速度分布不均匀。从优化的角度需要对轴面流道和进气装置的导流特性进行优化。
图8 XZ、XY截面示意图 |
图9 XY截面叶轮示意图 |
在XY截面上，建立面上叶轮内部Vxy矢量的相对速度流线分布图，如图12所示。图中可见叶轮间都或多或少的存在叶间涡，其中约有 2/5 的流道中涡占据一半位置以上，在流量集中区域涡相对较小，但仍然存在。因此叶间涡的作用对多翼离心风机中的影响不可忽视。而叶间涡形成的主要原因是由于多翼离心风机叶轮有着很大的正冲角和较大的相对液流角变化导数，所以造成了叶片上的边界层分离和形成了正压力梯度，从而不可避免的形成了叶间的二次涡流动。图13表示叶轮间的实际相对液流角度的变化情况。对比图12可见，对于叶间涡流较大的区域液流角变化很不规律，这主要受涡流的影响造成的。从实际液流角和叶片相对出口角相比可见，实际液流角较叶片相对出口角都会小十几度甚至几十度，这就是有限叶片造成的速度滑移直观体现。
图10 XZ截面上流线 |
图11 XY截面上径向速度 |
图12 XY截面叶轮间流线 |
图13 XY截面相对液流角 |
图14显示了XY 截面上无量纲压力系数变化图。压力系数的变化可以更加清晰的展现风机中能量的变化情况，而且压力系数也可以反过来指导我们在风机设计中该如何选取合理的压力系数。图14显示了风机中湍动能比较集中的区域。湍流主要集中于靠近出口的叶轮间和蜗舌附件的中上部分。这部分也是四极子噪音的主要来源，所以噪声优化因从这几个位置进行调整优化。
图14 XY 截面上压力系数变化及湍动能集中区域
截取XY 截面上的叶轮型线，因为叶轮较多所以截取有代表性的靠近蜗壳出口的一个叶轮型线Blade，如图9所示。做此叶片上压力面和吸力面上的载荷分布，如图16所示。从图中可见叶片靠近进口部分的两面压差较大，这也是进口冲击和涡共同作用造成的，这也造成叶轮扭矩相对较大，效率较低。取XY 截面中的叶轮进出口周向型线Cir_in和Ci r_ out，如图9所示。图17显示了进出口周向型线中的总压分布。从图中显示可见，在蜗舌之前靠近蜗壳出口部分产生了较大的压差，说明这部分是风机对空气做功的主要来源，在蜗舌之后部分进出口压差最小，这是因为这部分流量较小，但同时造成的流动损失较大。这也显示了蜗壳的结构对多翼离心风机的周向不均匀性产生了很大的影响。我们在设计时需要关注如何进一步优化蜗壳型线，降低风机的不均匀性和损失。
图15 叶轮压力面吸力面载荷分布
图16 叶轮进出口周向总压分布
实验测试
试验台测试原理完全参照《GB/T 17713-2011》中设置，结构如图17所示。试验中，风机电机为交流电机，气流依次通过连接器、十字整流器和扩散段后进入测压段。通过变换下游孔板的开孔直径，测得每一个工况点的动态测试数据，并计算得出空气性能。由于风机越来越复杂的内部流动，导致较小流量工况模拟结果的误差逐渐增大，故只对0.1m³/s之前的工况进行数值模拟。将数值模拟所得性能曲线和试验测试所得总压与流量的特性曲线进行对比，对比结果如图18所示。计算得到的性能曲线较试验所测值偏小5%-10%，在可接受的范围之内，模拟和试验静压随流量的变化趋势基本相同。故认为本文所采用的数值模拟方法、边界条件的设置都是合理的，数值模拟结果是可靠的。
图 17 性能试验台示意图
图18 实验与仿真对比
总结
本文针对多翼离心风机的特点，采用C#开发了MBCFDesigner设计仿真软件，其特点如下：
（1）软件应用了全新推导的考虑涡流影响的滑移系数计算模型，通过与实际测试对比也验证了这个模型的准确性。此模型解决了很多教材中对前向多翼离心风机滑移系数计算不准确的问题，但限于文章篇幅未进行新计算模型的推导说明。
（2）软件采用对CAD软件的二次开发，可以快速的参数化自动生成流体域计算模型，从而大大提高了设计效率。同时也可快速导出叶轮、蜗壳、轮毂轮缘型线，可以作为接口文件方便的与其他CAD、网格软件等进行对接。
（3）CFD仿真通过采用Java对StarCCM+进行二次开发，实现结构模型和CCM+的对接，并且实现了CCM+的自动网格划分、边界设置、计算求解和后处理分析。通过与实验测试对比，验证了CCM+对风机仿真的准确性比较高。
文章来源：CFD入门到精通
