對旋風機性能數(shù)值仿真與實驗對比

孟大偉　李長年　劉慧敏　王倩

摘要：為了研究對旋風機建模對其性能影響，依據(jù)流體力學理論，采用3D激光掃描技術，對FBD5.0/2×7.5型號對旋式軸流風機葉輪葉片進行逆向建模，運用軟件，建立了風機整體模型，并給出了流體場計算結果，對風機內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬并通過風管式實驗裝置對風機進行實驗。驗證了建模準確。結果表明，對對旋式軸流風機葉輪逆向建模，建?？焖伲Ｐ蜏蚀_，仿真數(shù)值結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，仿真計算可行。為對旋風機建模提供了新的方法，提高了風機設計的精確度。

關鍵詞：對旋風機；3D激光掃描法；數(shù)值模擬；實驗數(shù)據(jù)；性能影響

中圖分類號：TH432.1 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2015）06-0054-05

0 引言

隨著對旋風機被廣泛地采用于煤礦、船舶和隧道掘進等領域，人們對風機的性能有了更高的要求，進而對風機設計的準確度提出了更高的要求。早期風機的設計都是采用近似公式進行設計，再通過實驗獲取樣機的具體性能參數(shù)，設計周期長，人力物力耗量大。20世紀90年代，CFD（computational fluid dynam-ics）數(shù)值分析被用于對旋風機流場特性研究。國外研究人員使用CFD數(shù)值模擬技術對對旋風機內(nèi)部流體流動、兩級葉輪轉(zhuǎn)速比、兩級葉輪間距、葉頂間隙等問題進行了大量的科學研究，國內(nèi)的研究人員利用fluent軟件對對旋風機的氣動性能、兩級葉輪的匹配情況、穩(wěn)態(tài)情況進行了分析研究。隨著CFD技術在網(wǎng)格劃分、湍流模型、數(shù)值算法等方面的不斷完善，CFD數(shù)值模擬成為分析流體機械不可或缺的一種方法。然而，數(shù)值仿真的準確性依賴于模型的準確，而這其中更關鍵的是葉輪葉片的建模。

以往對旋風機的葉輪建模，都是運用Solid。Works軟件與fluent軟件的前處理gambit進行建模，運用此方法建模，需要風機葉輪葉片的數(shù)據(jù)參數(shù)，然而這些參數(shù)不易獲得，因此葉輪建模費時費力，且精度不易保證。3D激光掃描法是運用三維激光掃描儀對實物進行掃描，得出數(shù)據(jù)，建立模型。采用非接觸的測量方法，直接得到真實物體表面的采樣點，即點云數(shù)據(jù)，利用點云數(shù)據(jù)即可以重構出任意曲面。3D激光掃描法是一種逆向建模，可以把實物還原為模型文件。此掃描法適用于掃描外形固定的物體，且能達到很高的重構精度，因此三維掃描及相關數(shù)據(jù)建模技術近十幾年來發(fā)展迅速，在文物保護、3D打印、3D游戲等領域被廣泛應用。

本文以FBD5.0/2×7.5型號軸流對旋風機為研究對象，采用3D激光掃描法對葉輪建模，并運用SolidWorks軟件對風機整體建模，借助fluent軟件對FBD5.0/2×7.5型號軸流對旋風機進行數(shù)值仿真，并對此型號風機進行實驗，將實驗數(shù)據(jù)與仿真結果進行對比分析。

1 模型的建立

1.1 物理模型

1.1.1 葉輪建模

運用3D激光掃描法對樣機葉輪葉片進行建模。使用了加拿大Creaform公司生產(chǎn)的Handyscan3D激光掃描儀。掃描前，對儀器進行校正，保證掃描的精確度，如圖1所示。

校對之后，在葉輪表面貼上定位感應片（定位靶），由此可以定位被測葉輪的空間坐標點，如圖2所示。掃描系統(tǒng)通過捕捉這些定位感應片的反射，來實現(xiàn)精確地相對定位。

通過點云掃描，得出葉輪部分葉片和輪轂面的部分結構。一級葉輪的三角形數(shù)為153568個，二級葉輪的三角形數(shù)為49264個，結果如圖3所示。

反復多次掃描，增多記錄點云，成像的過程中可自動拼接，逐步成像，利用后處理軟件VXmodel進行處理，最后將掃描得到的模型導人UG中進行優(yōu)化處理，再由SolidWorks中進行輪轂和其余葉片的繪制，生成的兩級葉輪三維幾何模型，如圖4所示。

1.1.2 風機整體建模

對旋風機的其余部分，即集流器、一級風筒、二級風筒和擴散器共同組成的對旋風機流道，利用軟件SolidWorks和fluent的前處理gambit對其進行建模。最后將葉輪與流道的模型整合，得到風機的整體模型。圖5（a）為此型號風機入口處模型，圖中右側(cè)所示為一級葉輪，旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向，圖5（b）為此型號風機出口處模型，圖中右側(cè)所示為二級葉輪，其旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向。

1.2 數(shù)學模型

采用SIMPLE算法對流體場進行速度與壓力的計算，其運用速度修正方程和壓力修正方程如下：

1）速度修正方程式中：P^*為壓力場；u^*和v^*為相應的速度分量；A為控制體積的界面面積；b為動量方程源項部分；a為系數(shù)。

2）壓力修正方程式中，p′為壓力修正值。

1.3 基本假設和邊界條件假設如下：

1）計算過程在標準大氣壓下進行，忽略重力及氣體浮力；

2）流體均勻且連續(xù)的；

3）風機內(nèi)部流體屬于湍流流動，采用湍流模型求解風機內(nèi)部流體場；

4）風機內(nèi)部流體為不可壓縮流體，忽略溫度影響。

對計算模型進行邊界定義：給定人口速度大小和方向以及定湍流強度和水利直徑；給定出口壓力大小為相對標準大氣壓0Pa，設定回流湍流密度和水利直徑；一、二級葉輪定義為旋轉(zhuǎn)壁面，其他為靜止壁面，采用多重旋轉(zhuǎn)坐標系MRF（multiple refer-enee frame）方法解決旋轉(zhuǎn)運動問題，旋轉(zhuǎn)域之間和旋轉(zhuǎn)域與靜止域之間使用interface交界面，壁面處設為無滑移邊界。

2 數(shù)值仿真

2.1 網(wǎng)格劃分

運用Tet/Hybrid對其進行網(wǎng)格化，圖6所示，一、二級葉輪處的旋轉(zhuǎn)流體域網(wǎng)格最密，兩側(cè)網(wǎng)格逐漸變疏。風機中的兩臺型號相同的電機分別安裝在一級和二級內(nèi)筒中，與葉輪直接連接。