對旋風機性能數值仿真與實驗對比

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，對風機內部流場進行數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，建模快速，模型準確，仿真數值結果與實驗數據進行對比分析，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；數值模擬；實驗數據；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，設計周期長，人力物力耗量大。20世紀90年代，CFD（computational fluid dynam-ics）數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數值模擬技術對對旋風機內部流體流動、兩級葉輪轉速比、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、穩態情況進行了分析研究。隨著CFD技術在網格劃分、湍流模型、數值算法等方面的不斷完善，CFD數值模擬成為分析流體機械不可或缺的一種方法。然而，數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據參數，然而這些參數不易獲得，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，得出數據，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，即點云數據，利用點云數據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據建模技術近十幾年來發展迅速，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值仿真，并對此型號風機進行實驗，將實驗數據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。掃描系統通過捕捉這些定位感應片的反射，來實現精確地相對定位。

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為153568個，二級葉輪的三角形數為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，圖中右側所示為一級葉輪，旋轉方向為順時針方向，圖5（b）為此型號風機出口處模型，圖中右側所示為二級葉輪，其旋轉方向為順時針方向。

1.2 數學模型

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。

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）流體均勻且連續的；

3）風機內部流體屬于湍流流動，采用湍流模型求解風機內部流體場；

4）風機內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壁面，其他為靜止壁面，采用多重旋轉坐標系MRF（multiple refer-enee frame）方法解決旋轉運動問題，旋轉域之間和旋轉域與靜止域之間使用interface交界面，壁面處設為無滑移邊界。

2 數值仿真

2.1 網格劃分

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