溫度對離心風機性能影響的數值研究

李 非，王松嶺，許小剛，池海雁

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

溫度對離心風機性能影響的數值研究

李 非，王松嶺，許小剛，池海雁

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

利用FLUENT軟件對離心風機進行數值模擬，通過改變風機流動介質的溫度，觀察風機的壓力場、速度場、溫度場的變化，得出不同溫度下風機的性能曲線，分析出介質溫度對風機效率的影響。結果表明，流動介質溫度變化較大時，會對風機的性能造成影響。溫度越高，風機的性能越差，介質流經風機獲得的全壓越少，其獲得的機械能在隨著介質溫度的升高而降低。研究介質溫度對風機性能的影響和提高風機效率以及保證風機安全運行有一定的指導意義。

離心風機;數值模擬;溫度變化;FLUENT

0 引言

風機是電廠的耗電大戶，其耗電量約占廠用電的30%左右。對于很多風機，如電廠的引風機，消防用的排煙風機等，經常會輸送一些高溫氣體，所以氣體介質溫度的變化是影響此類風機性能的一個主要因素。當風機輸送的氣體的溫度變化較大時，會影響到輸送氣體的密度，根據風機能量方程式可知，風機的全壓是與密度有關的，所以當溫度變化引起密度變化時，風機的全壓也會改變，從而影響了風機的性能。如果溫度變化過大，不僅會降低風機效率，嚴重時可能誘發葉片的疲勞、斷裂等問題，會對機器造成嚴重危害。因此，研究溫度變化對風機性能的影響有著重要的意義［1～2］。由于風機內部結構復雜，現行的試驗方法很難準確地描述風機內部流場，利用計算流體力學 (CFD)進行數值模擬和優化已逐步成為了解風機內部流動狀況的重要手段［3］。通過CFD模擬，可以分析并且顯示流體流動過程中發生的現象，及時預測流體在模擬區域的流動性能，并通過改變各種參數，得到相應過程的最佳設計參數［4］。本文主要利用FLUENT模擬風機的內部流場;在不同的溫度條件下觀察風機內部流場的一些變化，描繪出不同溫度下風機的性能曲線;最后通過得到的風機性能曲線來分析溫度對風機效率的影響。

1 離心風機模型建立

1.1 離心風機的配置

本文以國產4－13.2(73)型離心通風機為模型，由于工程結構的復雜性，對實體模型進行了一些簡化處理［6］。本文采用Gambit建立二維風機模型，風機由葉輪、蝸殼、進風口組成，葉片出口安裝角為45°，葉片數Z=12，為翼型葉片，沿圓周均勻分布，建好的風機模型如圖1所示。

圖1 風機幾何模型Fig．1 Model of fan

1.2 網格生成

本文網格生成采用有限體積法，考慮到離心風機的內部流動情況較復雜，為了控制網格生成質量，故采用多塊網格生成方法，將較復雜的幾何形狀分割成若干簡單的小塊，然后將每一小塊區域單獨生成合適的網格，最后將所有的網絡耦合起來［5］。在本文中把風機模型劃分為3部分:入口部分、葉輪流道部分、蝸殼部分。并采用不同密度的三角形非結構網格將葉輪流道部分和蝸殼部分分別網格化。

1.3 控制方程及邊界條件

本問題計算運用的控制方程為三維常物性不可壓縮流動的連續性方程及雷諾時均守恒Navier－Stokes動量方程和能量方程，模型采用k－ε標準湍流模型。

湍動能k和耗散率ε由以下運輸方程得到:

式中:C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

計算方法采用SEGREGATED隱式方法，湍流動能、湍流耗散項、動量方程都采用二階迎風格式離散;壓力－速度耦合采用SIMPLE算法。

本文在離心通風機模擬中選取入口面上的參數為初始條件，邊界條件為速度進口條件，出口為壓力出口，其余壁面均取壁面邊界條件。

2 數值模擬及結果分析

對于不同溫度下的空氣，風機內部的溫度場必定也有差別，為了防止輸送高溫時風機的局部溫度較高，下面對比在進口速度為3.29 m/s時，溫度為常溫20℃和溫度100℃時風機內部各個參數的變化如圖2～5所示，對比了不同溫度下的溫度場、速度場、靜壓場和全壓場。

圖2 風機的溫度場Fig．2 Temperature field of fan

圖2為離心風機軸向截面溫度場分布云圖，如圖顯示，風機進口處溫度較低，蝸殼壁面處溫度相對較高，這是流體由于黏性作用機械能轉變為熱能導致溫度升高。100℃時風機的進口平均溫度要高于20℃，且100℃時風機蝸殼壁面和渦流平均溫度也較高，會降低風機使用壽命。

圖3 風機的速度場Fig．3 Velocity field of fan

圖4 風機的靜壓場Fig．4 Static pressure field of fan

圖3、圖4分別為離心風機軸向截面速度場與靜壓場分布云圖，如圖可知，葉片吸力面靠近葉輪進口處靜壓最低，且向兩側逐漸增大，在葉片壓力面靠近葉輪出口處靜壓達到最大值。溫度的變化對風機的速度場和靜壓場影響不大，100℃時風機的平均速度和靜壓略大于20℃。

圖5 風機的全壓場Fig．5 Total pressure field of fan

圖5為離心風機軸向截面全壓場分布云圖，如圖顯示，對于風機內部的全壓在輸送100℃空氣時低于20℃。

保持20℃空氣溫度不變，查表得相關參數為:ρ=1.205 kg/m3;cp=1.005 kJ/(kg·K);λ=0.025 9 W/(m·K);μ=1.81×10－5kg/(m·s)，依次改變風機的進口速度，讀取相應流量下的全壓與風機的轉動力矩，從而通過計算描繪出輸送氣體為20℃時風機流量與全壓的關系曲線和風機流量與效率的關系曲線。

按照上述方法，依次得出風機在輸送20℃，60℃，100℃空氣時流量與全壓和效率的關系，從而得出不同溫度下的p－qv，η－qv性能曲線。

表1為不同溫度下通過風機的數值模擬所得到的數據。

根據表1的數據描繪出不同溫度下的風機性能曲線，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，在不同溫度下風機的p－qv性能曲線明顯有所差別，且同一流量下溫度越高風機的全壓就越低，因此，輸送介質的溫度變化會影響風機的性能，高溫會對風機造成不利影響;溫度升高以后風機的效率總體是不變的。綜上所述，溫度變化會對風機性能造成影響，高溫對風機有不利影響，所以風機的運行工況不宜偏離設計工況太多。

表1 不同進氣溫度的模擬數據Tab．1 Simulation data of different inlet air temperature

3 結論

在本文中首先分析了離心風機的一些特性，并從理論上研究了溫度變化對風機性能的影響，然后利用FLUENT對風機進行了二維數值模擬，分別繪制出了不同溫度下的風機性能曲線，從所得的數據和曲線可知:如果風機輸送氣體的溫度變化較大時，會對風機的性能造成影響;溫度越高，風機的性能越差，氣體流經風機獲得的全壓越少，也就是說氣體獲得的機械能在隨著氣體溫度的升高而降低。

［1］周蘭欣，周書昌，李海宏，等．自然風速對空冷機組風機運行影響的數值模擬 ［J］．電力科學與工程，2011，27(1):44－48．

Zhou Lanxin，Zhou Shuchang，Li Haihong，et al．Numerical simulation on effects of natural wind velocity for fan operations of direct air cooling unit［J］．Electric PowerScience and Engineering， 2011， 27(1):44－ 48．

［2］王松嶺，雷泳，李春曦，等．電廠離心風機容積損失的數值分析 ［J］．華北電力大學學報，2006，33(1):60－63．

Wang Songling，Lei Yong，Li Chunxi，et al．Numerical analysis of cubage loss of centrifugal fan in power plant［J］．Journal of North China Electric Power University，2006，33(1):60－63．

［3］李春曦，雷泳，王松嶺，等．離心風機三維流場動力學特征和泄漏損失特性研究 ［J］．熱能動力工程，2005，20(5):517－520．

Li Chunxi，Lei Yong，Wang Songling，et al．A study on the dynamics characteristics of the three-dimensional flow field and the leakage loss features of a centrifugal fan［J］．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2005，20(5):517 －520．

［4］吳永昌．離心風機三維流場CFD模擬分析［J］．齊齊哈爾大學學報 (自然科學版)，2010，26(3):35－38．

Wu Yongchang．CFD simulation analysis of the threedimensional flow field of a centrifugal fan ［J］．Journal of Qiqihar University，2010，26(3):35－38．

［5］王松嶺，張磊，楊陽，等．基于有限體積法的G4－73型離心風機三維流場數值模擬 ［J］．華北電力大學學報，2009，36(4):38－41．

Wang Songling，Zhang Lei，Yang Yang，et al．3 － D numerical simulation for flow field of G4－73 centrifugal fan based on finite volume method［J］．Journal of North ChinaElectricPowerUniversity， 2009，36(4):38－ 41．

Numerical Research on the Influence of Temperature on Centrifugal Fan Performance

Li Fei，Wang Songling，Xu Xiaogang，Chi Haiyan

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

The centrifugal fan was numerically simulated using FLUENT software．The performance curves of fan were obtained and the influence of the medium temperature on the fan efficiency was analyzed by changing the medium temperature and observing the pressure field，velocity field and temperature field．The results indicate that the change of the medium temperature impacts the performance of fan;when the temperature increases，the performance of fan was reduced．The mechanical energy drove by the fan reduces with the increase of the medium temperature．This research is helpful to improve the fan efficiency and ensure the operation safety．

centrifugal fan;numerical simulation;temperature change;FLUENT

TM714

A

2011－07－17。

李非 (1982－)，男，工程師，研究方向為熱力設備及大型回轉機械的故障診斷與經濟分析，E-mail:lifeihihi@126．com。