多翼離心風機的數值模擬

周曉

摘要：采用CFD軟件分析了風機內部的流動特征，并結合經驗理論對離心機結構參數進行數值模擬，探討了葉片出口安放角、蝸舌半徑、葉片數等結構參數變化對離心風機性能的影響。仿真結果顯示：風機進風集中在出風口側，在蝸殼和出風罩接口處左側存在氣流“死區”；在經驗值給定范圍內，風機全壓效率隨安放角增大近似成線性減小，隨蝸舌半徑增大成指數減，隨葉片數的增加呈拋物線狀變化；允許條件下輪徑比可適當往小的取，安放角往大的取，風機葉片數最佳值在60片附近。

關鍵詞：離心風機；窩舌；風機性能

一、引言

多翼離心風機因其體積小、噪聲低等優點，被廣泛用于家用電器、空氣調節及各種通風換氣等領域。目前，通風機的傳統設計方法和思想都來自于大量實驗，通過這樣的方法能夠得到較好的風機基本技術參數。但對通風機內部流場的認識有待深入。隨著流體力學理論，特別是計算流體力學（CFD）方法的發展，將傳統設計模式中的繁復且耗費昂貴的部分，可以用先進的CFD技術代替，利用計算流體力學進行數值模擬已逐步成為了解流體機械內部流動狀況的重要手段。

結合前人研究的理論[1-8]，本文采用CFD軟件多翼離心風機的結構進行模擬分析，通過“數值試驗”認識風機內流動規律。單一改變多翼風機結構參數，定性研究葉片出口安放角、蝸舌半徑、葉片數對風機性能的影響。為多翼離心風機的結構優化，內部空氣流動分析提供參考。

二、風機有限元計算模型

多翼離心風機結構主要分為4大區域：進風區域，蝸殼區域，葉輪區域，出風管區域。風機系統通過葉輪的高速旋轉帶動空氣流動實現吸、排風動作，根據其工作原理簡化所得的流域模型如圖1所示。分析過程做了如下處理：1）忽略風機中空氣密度變化，假設流動為不可壓，物性為常數；2）不考慮進口損失，設進口總壓為標準大氣壓；3）假設流動中無熱量交換。

根據多翼風機的流域特性，風機兩端口形狀規則采用Hex/Wedge cooper方式劃分六面體網格，葉輪和蝸殼形狀比較復雜采用Tet/Hybrid Tgrid方式劃分四面體非結構網格，得如圖2所示。風機的邊界條件和湍流模型：1）電機外壁、蝸殼、葉輪設置為Wall，進、出口分別為壓力進出口；2）將葉輪為動區域，其他為靜區域，固壁均滿足無滑移條件；3）湍流模型選取RNG型的K-ε模型。計算控制方法和收斂判定：1）采用分離隱式計算方法，湍流動能、湍流耗散項、動量方程的差分格式都采用二階迎風格式；2）壓力、速度耦合采用SIMPLE算法；3）對各變量的殘差進行監視， 如x、y、z 3個方向上的速度值、湍動能等， 當這些變量的殘差都降到10e- 3以下時， 可認為計算收斂。

三、有限元模擬試驗結果分析

（一）多翼離心風機流場

根據多翼離心風機的工作特性，設置葉輪動區域為繞Z軸以95.77rad/s的旋轉速運動。算平后截取中心等值面觀察風機內部流體狀態及壓力分布，得其流體靜壓如圖3所示。

從圖中可知離心風機的靜壓沿蝸殼周向分布不均勻；蝸殼外壁面的靜壓相對較高，這主要是由于葉片屬于前向式，氣流被甩向蝸殼壁面造成；由于進風口的吸氣，導致靠近出風口一側形成低壓，進而可知進風主要集中進風口圈靠近出口一側。

圖6 多翼風機內部速度流線

圖4為空氣在風機內部的速度分布，有圖可知沿徑向風速逐漸增大，沿著蝸殼型線從最小間隙處到出風口風速依次增強。蝸殼和出風罩接口處左側存在氣流“死區”，即氣流速度很低的區域。由圖5、圖6可知在蝸舌切風口處，少量出口氣體重新被帶入蝸殼流道，損耗了部分能量；分割式葉輪大葉片部分流線強度明顯要強于小葉平部分，梯度分布明顯。

（二）風機結構參數對全壓效率的影響

多翼風機系統把原動機的機械能傳給氣體的過程中，要克服各種損失，其中只有一部分是有用功。通常用全壓效率 來反映損失的大小，其計算公式為：

式中： 為風機的全壓（Pa）； 為流量（m3/s）；P為主電機輸入功率（W）。

為提高計算速度，根據風機三維流域的模型截取其中心平面，處理模型建立二維多翼風機系統仿真模擬系統，單一改變風機結構參數研究各參數對全壓效率的影響。根據前人研究的結論及相關的經驗值，一般設計常用的結構參數范圍如表1所示。

單一改變葉片出口安放角，保持進口角等其他參數不變，得出口安放角與全壓效率的曲線如圖7所示。由圖可知隨著出口安放角的增大而增大，這主要由于葉片傾斜度增大，相鄰葉片之間的間隙減小，由連續性定理可知，出口截面的速度會增大，同等時間內輸出的風量增大，即葉輪的做功能力增大，輸出的有效功率增多，效率η也隨之變大，但是，湍流情況也會惡化，可能會導致風機噪聲增加。

通過保持葉輪外徑D2不變，改變葉輪內徑與外徑比值（輪徑比），可得圖8所示曲線。減小輪徑比即減小內徑，也就相當于加長了葉片。這提高了葉片做功能力，使風機的流量實現提升，進而使有效輸出功率增大，最終使全壓效率η的增大。由此可見在條件允許的情況下，可適當下調輪徑比提高風機做功能力。

圖9為單一改變葉片數得葉片數與全壓效率的曲線，由圖可知葉片數對全壓效率的影響不是單調的。葉片數過少，雖然理論上可以使葉輪的過流通道面積增大，但由于葉片對氣流的引導作用減弱，流道中氣流自由度大，容易產生旋渦脫流，使風機通風量減少；另一方面，葉片數過少時整個葉輪對流體做功減少，也將導致風機出風量減少。同時，葉輪的做功能力雖然會隨著葉片數的增大而增大，但是，葉片數增大之后相鄰葉片之間的間隙也會減小，到達一定程度后，會導致進風量減小，使得效率η反而下降，故葉片數對全壓效率的影響呈拋物線，峰值在60片附近。

四、結論

通過建立多翼風機系統的流域模型，定性分析了風機內部流動特性。在此基礎上建立二維模型分析了葉片出口安放角、輪徑比、葉片數對全壓效率的影響。有限元模擬實驗結果分析顯示：

1） 風機靜壓沿蝸殼周向分布不均，同一徑向處外壁面相對較高。吸氣主要集中于靠近出口一側的進風口。

2） 蝸殼和出風罩接口處左側存在氣流“死區”， 少量出口氣體在蝸舌風流處重新被帶入蝸殼流道，降低了有效功率。

3） 在經驗定義域內，全壓效率隨葉片出口安放角的增大而增大，隨輪徑比的減小而增大，隨葉片數的增大呈拋物狀變化，最佳值在60片附近取得。

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