速凍設備用離心風機測試平臺設計與分析

楊長春，樓曉華，楊曉燕

（四方科技集團股份有限公司，江蘇南通 226371）

前言

流態化速凍技術是食品單體快速凍結的理想方法[1]。無蝸殼離心風機具有風量大、噪聲低、壓力高及結構緊湊等優點，常被應用在流態化速凍設備中輸送冷氣并迫使凍品與冷氣發生熱量交換[2-3]。其風機指標影響風能分布與換熱效果，進而影響凍品的凍結速率[4-5]。為了滿足速凍設備工作需求，很多風機企業需要在常規風機的基礎上進行大量的性能測試和改進，但隨之面臨的問題是對如何有效獲得新風機在速凍設備中的實際性能。考慮到速凍裝置內部結構復雜，設計階段僅對風機單體的模擬研究難以全面掌握其對速凍裝置風場的影響。因此，從測試角度出發，結合流態化速凍設備特征，搭建離心風機性能測試平臺，將對速凍設備用風機的設計與改進具有重要意義。

本文根據速凍設備的使用環境，設計并搭建了離心風機性能測試平臺，用于測試七號離心風機的流場指標。此外，基于Gambit 和Fluent 軟件建立了測試裝置平臺內部流場的計算模型，用于模擬被測試風機。

1 測試平臺設計與風機性能測試

1.1 結構特點

圖1 是測試平臺的結構示意圖。

圖1 離心風機性能測試平臺結構

測試平臺的設計按照GB/T 1236-2000《工業通風機用標準化風道進行性能試驗》要求，結合流態化速凍設備的特點，將測試裝置的吸風口與大氣相連，與被測風機入口相通。風機出口通往錐形管區域，錐形管區域與風筒區域之間有一塊集流柵板，作用是整流氣體。風道和錐形管的截面均為圓形，其尺寸為：吸風口直徑0.595 m，出風口直徑1.4 m，測試平臺總長5.1 m。

1.2 技術參數

風機參數為：葉片數14 個，直徑0.7 m，設計流量18 000 m3/h，額定轉速1 460 rpm。測試設備包括：壓力計用于測量相對于大氣壓的氣壓；熱線風速儀用于測量風速；溫濕度傳感器采集氣體的溫度和相對濕度。風機測試按照GB 1236-85 標準進行。

1.3 測試方法

本研究中的測試平臺主要實現對風壓、風速和風量三個參數的測量任務。

測量位置包括：吸風口截面、出風口截面和錐形管附近截面，見圖2。

圖2 離心風機性能測試臺的測試位置

吸風口和出風口劃分后的區域面積見表1 和表2。圖2 (b)是錐形管截面附近截面的風壓測試位置。吸風口風量Q吸風口和出風口風量Q出風口通過式(2)和式(3)進行計算：

表1 進風口不同直徑位置的區域面積

表2 出風口不同直徑位置的區域面積

2 測試平臺與離心風機流場計算

2.1 計算模型及網格劃分

計算模型主要包括三部分：風道流體域、葉輪流體域和葉輪殼體，見圖3(a)。

圖3 流場計算模型

采用Gambit 軟件劃分計算模型網格，應用六面體單元網格劃分葉輪靜域，網格單元邊長6 mm；應用四面體和六面體混合體單元劃分轉子區域和定子區域網格，網格單元間距40 mm，網格增長率1.2 mm，最大增長率6 mm。劃分后的計算模型網格單元數量為524 萬，見圖3(b)。

2.2 湍流模型和邊界條件

流場模擬采用Fluent 軟件，對轉子區域施加旋轉離心力，已知風機葉輪轉速n=1 460 rpm，其旋轉角速度ω 根據ω=2πn/60 換算后約為152.89 rad/s。實驗風道內的流體的運動形式為常溫下的湍流運動，定義氣體為基于理想氣體模型的可壓縮流體。

求解器類型選擇基于壓力求解器，采用標準k-ε兩方程湍流模型模擬氣體流動，開啟能量方程，速度與壓力的耦合方法基于SIMPLE 算法。

最后，經過對網格密度、湍流模型、邊界條件等無關性檢測后，完成流場計算。

3 結果和對比

3.1 測試平臺的流場分布情況

圖4 為測試平臺內流場的三維速度流線圖。

圖4 風速流線分布

基于后處理軟件CFD-post 提取了圖3 (a)中測試位置截面的模擬結果，并將其與實驗測試結果進行對比。表3 和表4 分別是吸風口和出風口截面的風速測試數據。對于表3 和表4 的結果，吸風口和出風口截面中心位置的模擬風速遠小于實測風速，原因可能是計算模型未充分考慮風機中心位置的流場。

表3 吸風口測點X-Y坐標與風速結果(m/s)

表4 出風口測點X-Y 坐標與風速結果(m/s)

3.2 被測試風機的性能結果對比

根據實驗測試數據計算被測試風機的流場指標，結果見表5 和表6。

表5 七號被測試風機參數的仿真值和實驗值的對比

表6 錐形管附近截面的風壓結果對比

風速、風壓和風量的對比表明，仿真值均比實測值偏大。在錐形管附近測試面，邊緣風壓值的明顯大于中心位置，整體高出200 Pa。出風口風速相差為9%，吸風口風速相差46.4%，這是因為數值模擬中對計算模型簡化時去掉了風機性能測試臺的進口導風板，而直接將葉輪入口作為吸風口面，實際上葉輪入口直徑遠小于導風板直徑。

4 結論

測試與仿真對比結果表明：盡管出風口的實驗值和仿真值吻合較好，但是仿真結果在數值上高于測量結果，特別是入口處負壓區數值近似為實驗值的一倍。這說明了所設計的離心風機性能測試平臺的測試能力能夠彌補仿真上的不足，因此可以結合數值模擬和實驗測試，更好地進行速凍設備用新型風機的研制。