基于數值計算的離心通風機無葉前導器優化研究

陳偉

(山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦，山西 呂梁 033600)

基于數值計算的離心通風機無葉前導器優化研究

陳偉

(山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦，山西 呂梁 033600)

通過Fluent數值模擬軟件，尋求能夠進一步找到改善離心通風機無葉前導器的方法及最佳工況。對無葉前導器進行建模，變量主要為蝸殼寬度和蝸殼進口張開度，用Gambit進行網格劃分，在Fluent設置中改變進口流量的大小。基于一個基礎工況，改變相關參數進行研究。之后，通過氣動數值模擬及相關公式，得出此次設計的兩個重要系數——阻力系數和旋度系數，由這兩個系數探究無葉前導器優化的方向。結果表明，流量比、蝸殼寬度和蝸殼出口張開度的增加都有利于阻力系數的減小。

無葉前導器；離心通風機；阻力系數；旋度系數

0 引言

離心風機主要依靠機械能作為其動力源，用于提高氣體壓力，是一種流體機械，屬于從動型設備。無葉前導器離心風機很大程度上彌補了有葉前導器離心風機存在的導葉方面的不足，并且無葉前導器在較小的阻力系數下能產生合適的旋繞，損失小[1-5]。

隨著切向進氣流量的增加，無葉前導器所產生的阻力系數并未出現太大變化，而旋度系數卻增強了許多[6-8]，所以，在單位阻力系數下，無葉前導器阻力系數變得越來越大。在相同的旋度系數下，切向進氣流量越大，無葉前導器損失小于有葉前導器的損失；在相同的旋度系數下，無葉前導器比有葉前導器有更小的阻力系數。相比有葉前導器而言，雖然無葉前導器對風機進口阻力也有一定的影響，但可以從很多方面進行優化。

1 建模與數值模擬

1.1 建模及網格劃分

建模過程是將2個零件組成1個裝配體，即無葉前導器。2個零件分別為蝸殼和帶有進氣口和出氣口的圓柱體。

用Gambit進行網格劃分，網格劃分基本可以分為面劃分和體劃分。面劃分即Mesh Face，包括三角形網格Tri、四邊形網格Element Quad以及混合網格。體劃分即Mesh Volume，包括六面體網格Element Hex；以六面體為主，在合適的位置包含一些楔形網格Hex/Wedge；以四面體為主，在適當的位置包含一些楔形、六面體和錐形網格Tet/Hybrid[9-12]。

網格的質量對后面的數值計算具有重要影響，好的網格使最后的計算結果更精確，本文采用的網格如圖1所示。

圖1 風機結構網格

1.2 Fluent數值模擬

Fluent采用計算流體動力學(CFD)的數值模擬技術，良好的數值模擬與完善的網格使結果具有很高的精度[13]。Fluent采用多重網格加速收斂的技術和多種求解方法，可以達到很高的收斂速度和求解精度，可以用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的一些復雜流動。基于解的自適應網格技術、儲備豐富的物理模型和方便的非結構化網格，Fluent在層流、湍流、多相流、化學反應等方面有廣泛應用。將建好的模型在Fluent中進行數值計算[14-15]。

2 控制變量法尋找最佳方案

2.1 阻力系數和旋度系數的計算方法

(1)阻力系數Cf。

表1 10090工況下各數值

式中：p為壓力，Pa；v為速度，m/s；ρ為密度，kg/m3；qV為體積流量，m3/s；下標i表示進口；下標o表示出口；下標1,2表示進口1,2端。

(2)旋度系數Cr。

式中：vt，va分別為出口氣流的切向速度和軸向速度；qVo為無葉前導器出口總流量。

初始工況：蝸殼進口張開度A=740 mm，蝸殼進口寬度B=520 mm，初始流量qV=7.2 m3/s。

2.2 不同蝸殼寬度和進口張開度下，流量比對旋度系數和阻力系數的影響

2.2.1A為100%原值、B為90%原值(10090工況)流量比與兩系數的關系

當流量比為3∶7時，進口2端全壓偏大。從極限思想考慮，當進口1的流量無窮小、進口2的流量無窮大時，進口2端總壓力趨近于無窮，與實際情況不符且對機器損失較大。流量比為5∶5時是分界點，即流量比小于1時，隨著比值的增大，進口1端和進口2端總壓減小，出口全壓逐漸減少，軸向速度va趨于穩定，切向速度vt逐漸減少，阻力系數和旋繞系數都減少。當流量比大于1時，進口1總壓增大，進口2總壓減少，出口全壓減少，軸向速度穩定，切向速度減少，阻力系數和旋度系數都減少。從極限思想考慮，當比值趨向無窮大時，切向速度為0，沒有阻力影響，旋度系數趨向0，這與本次研究相違背，對設備傷害較大，沒有實際意義。出口全壓在流量比為1.5時有個變化，但其余情況逐漸減少，可能是qVi1較大的原因。

圖2 10090工況下阻力系數、旋度系數和流量比的關系

10090工況下各數值見表1，流量比與阻力系數和旋度系數的關系如圖2所示。

從圖2可以看出，阻力系數和旋度系數都隨流量比的增大而減小，且在流量比小于0.67的區間內阻力系數變化較快，之后基本不變。旋度系數在流量比小于1的區間內變化較大，之后也幾乎不變。

2.2.2A，B均為100%原值(100100工況)流量比與兩系數的關系

兩端的極限思想上一個工況已經考慮，其他工況的極限思想完全相同，此處不再闡述。此處各參數值較上面的工況有很大的改變，隨著流量比的增大，進口1全壓逐漸增大，進口2全壓逐漸減少，出口全壓在流量比為1.5時有個變化，其余逐漸減少，軸向速度幾乎不變，切向速度逐漸減少，阻力系數和旋度系數都減少。

100100工況下各數值見表2，流量比與阻力系數、旋度系數的關系如圖3所示。從圖3可以看出，阻力系數和旋度系數都隨流量比的增大而減小，且在流量比小于0.67區間內阻力系數變化較快，之后基本不變。旋度系數在流量比小于1的區間內變化較大，之后也幾乎不變。

2.2.3A為100%原值、B為110%原值(100110工況)流量比與兩系數的關系

隨著流量比的增加，進口1端總壓力逐漸增加，進口2端壓力逐漸減少，全壓變化同上，軸向速度穩定，切向速度減少，阻力系數和旋度系數均減小。

100110工況下各數值見表3，流量比與阻力系數、旋度系數關系的如圖4所示。從圖4可以看出，阻力系數和旋度系數都隨流量比的增大而減小，且在流量比小于0.67的區間內阻力系數變化較快，之后基本不變。旋度系數在流量比小于1的區間內變化較大，之后也幾乎不變。

表2 100100工況下各數值

表3 100110工況下各數值

圖3 100100工況下阻力系數、旋度系數和流量比的關系

圖4 100110工況下阻力系數、旋度系數和流量比的關系

上述3種工況結論幾乎一致，無法確定最優工況，在相同的旋度系數下，阻力越小，越有利于風機的節能。在相同的阻力系數下，旋度系數越大，越有利于改善風機的運行特性。為進一步分析最優工況，將阻力系數作橫坐標，旋度系數作縱坐標，畫出阻旋曲線，如圖5所示。

圖5 阻旋曲線

由圖5可知，在阻力系數小于0.5時3個工況的旋度系數幾乎重合，并無優劣區分，即B值變化不影響阻力系數和旋度系數的對應關系。根據3種工況之后的傾斜程度，相同的阻力系數下，選擇最佳旋度系數，對風機的運行工況有很大改善，但阻力系數和旋度系數同增，兩者不可兼得，追求其中一個最佳工況，另一個值必定不利于風機運行。接著，觀察同一旋度系數下阻力系數變化情況，同樣的，在旋度系數小于1時，3種工況幾乎重合。而對于10090工況而言，在流量比達到0.67時阻力系數增加很小，旋度系數增加了0.40，變化明顯，能很好地改善風機的運行特性。鑒于阻力系數0.35到0.50變化不大，而旋度系數0到1.5變化明顯，所以在控制流量比為0.67的前提下，選擇10090工況能很好地改善風機運行特性。還能得出的結論是：流量比大于1后，B值變化和流量比變化對阻力系數幾乎無影響；流量比增大，阻力系數必減小；隨著B值的增大，同樣的流量比下，阻力系數減小。

3 數值模擬的后處理

基本思想還是控制變量，首先控制蝸殼進口張開度和寬度不變(A為80%原值、B為90%原值)，改變流量比的大小，作出各工況速度矢量圖。其中在Fluent里設置一個截面，基于本次模擬z方向總長為0.2 m，z為0.1 m時設置一個面，即為無葉前導器中心部分。

由圖6～圖9可以看出：隨著流量比的增大，蝸殼中心部分周圍黑色圓環即圓筒的外邊緣密集程度逐漸降低，即旋繞劇烈程度降低；但流量比為7∶3時，卻與趨勢相反，由上面數據可知，出口壓力在該流量比下有上漲的趨勢，出口全壓損失小，表明失去少的能量同時促進了預旋程度，同時，由于切向進氣減少，旋度系數降低。從速度云圖可以看出，速度在無葉前導器中的分布無規律，為非對稱性流動，圓筒邊緣及內部速度較大，即軸向速度和切向速度交匯部分速度較大，并且最大速度部分有明顯的位移現象，從而說明了有旋度存在，也減少了有葉前導器由于存在導葉所引起的節流損失，說明研究無葉前導器對風機優化運行有一定的優勢。

圖7 流量比為5∶5時的速度圖

圖8 流量比為6∶4時的速度圖

圖9 流量比為7∶3時的速度圖

下面固定流量比(4∶6)和蝸殼出口寬度(B為90%原值)不變，改變出口張開度的大小。

由圖10～圖12可以看出：隨著A值的增大，圓筒周圍左半部分明顯變得稀疏，即旋度降低；蝸殼中心處深色部分明顯減少，即預旋劇烈程度降低，但速度變化并無規律可循，說明了其運動的不規則性。

圖10 A為80%原值時的速度圖

圖11 A為90%原值時的速度圖

圖12 A為100%原值時的速度圖

4 結論

速度云圖和分布圖更加直觀地照應了上面的數值計算，但是，B為110%原值工況和流量比為7∶3工況均為轉折工況，變化程度與趨勢相反，說明A為100%原值、B為110%原值工況與其他工況的曲線不同，B為110%原值可能起到了主導作用。

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(本文責編：劉芳)

陳偉(1990—)，男，陜西鎮安人，工程師，從事煤礦機電運輸、機電工程及設備運行方面的工作(E-mail:785515585@qq.com)。

TH 432

A

1674-1951(2017)11-0005-05

2017-10-10；

2017-10-22