掃路機專用風機內部氣固兩相流場仿真分析*

張 斌，滕新科，李 亮，萬 軍

(長沙中聯重科環境產業有限公司，湖南 長沙 410013)

0 引 言

掃路機專用風機是掃路機氣力系統的關鍵部件，由于掃路機專用風機長期運行在含塵氣流環境下，當粉塵在高速氣流的攜帶作用下，以很高的速度對風機葉片表面進行碰撞、沖蝕、切削，以及擦傷式摩擦，易導致風機葉片前緣、工作面出口端部產生磨損，引起葉片穿孔，使風機流動特性變差，縮短風機壽命[1]。現階段國內外針對掃路機專用風機的研究主要聚焦于不同顆粒特性(包括顆粒粒徑、顆粒濃度等)對風機磨損程度影響及風機防磨措施的研究，但對顆粒在風機內部運動規律及風機氣固兩相流磨損機理、磨損規律和磨損區域的研究仍顯不足。因此，開展掃路機專用風機氣固兩相流磨損分析是掃路機技術領域中亟待探索的關鍵研究方向。

本文將對某型號掃路機專用風機內部氣固兩相流場進行數值仿真研究。

1 幾何模型

本文選取某型號掃路機專用風機進行研究，風機主要由葉輪、蝸殼、集流器、進口段、出口段等結構組成，葉片數目為11片。風機主要參數：葉輪進口直徑176 mm，葉輪直徑482 mm，葉輪寬度60 mm，葉片進口角43.6°，葉片出口角38°，蝸殼寬度186 mm。

風機結構如圖1所示。

圖1 風機結構示意圖

2 數值求解

2.1 氣固兩相流控制方程

目前，研究多相流的方法，主要有歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法兩種。本文研究垃圾顆粒在風機內部的運動規律及其對風機葉片、蝸殼等部件的磨損，是稀疏氣固兩相流。歐拉-拉格朗日法將流體作為連續相、顆粒作為離散相，通過計算流場中大量粒子的運動得到離散相運動規律，計算得出顆粒的運動軌跡[2]，尤其適用于研究稀疏氣固兩相流，因此，本文選用歐拉-拉格朗日方法的顆粒軌道模型分析垃圾顆粒的運動規律，研究垃圾顆粒對風機葉片、蝸殼等部件的磨損規律。顆粒軌道模型考慮了顆粒與連續相間的相互作用，能模擬顆粒流的復雜流動，且計算儲存量相對較小[3]，適合于本文的氣固稀疏兩相流數值計算。

離心風機內部流場具有強烈的旋轉和曲率效應，湍流模型采用工程上廣泛應用，能較好地處理高應變率及流線彎曲程度較大流動問題的RNGk-ε湍流模型[4]。

顆粒軌道模型進行氣固兩相流數值計算時，將氣相作為連續相，在Euler坐標系中計算求解；在Lagrangian坐標系中計算求解顆粒相運動軌跡。

連續性方程如下式所示：

(1)

N-S方程如下式所示：

(2)

μe=μ+μt

(3)

k方程如下式所示:

(4)

ε方程如下式所示:

(5)

顆粒相運動方程如下：

(6)

(7)

式中：up—顆粒相速度；u—連續相速度；FD—顆粒所受曵力；gx—顆粒重力加速度；ρp—顆粒密度；Fx—顆粒所受附加力，如壓力梯度力、虛擬質量力、Basset力、Magnus力等。

2.2 磨損理論

固體顆粒對材料表面的磨損，與顆粒和壁面的碰撞角、碰撞速度、顆粒物性、顆粒直徑、材料物性等因素有關。顆粒流對材料的磨損通常用磨損率來表征，磨損率指單位時間內，顆粒作用于單位面積材料表面所磨損的材料質量[5]，計算方程如下：

(8)

RT=1-000 16vpsinβp

(9)

(10)

式中：E0—壁面磨損率，kg/(m2·s)；εp—單個顆粒對壁面的磨損量，kg/kg；K1，K12，K3，Ck—碰撞經驗常數；βp—碰撞角度；β0—最大碰撞角，(°)；vp—顆粒碰撞速度，m/s；RT—切向恢復比；mp—顆粒質量流量，kg/s；Aface—面積[6-7]，m2。

2.3 網格生成

在劃分網格時，考慮到掃路機專用風機結構的復雜性以及網格生成質量，本研究采用分塊劃分網格，各個區域單獨生成合適的網格，相鄰的區域共用一個面。劃分網格時首先進行了網格無關性計算，確保網格數量對計算精度不造成影響，確立了網格數約4.54×106，2.63×106，1.85×106的3種網格。

本研究采用不同網格數進行計算，所對應的性能曲線與試驗性能曲線對比如圖2所示。

圖2 全壓與流量關系曲線

考慮到數值預估的精度，本文選取網格數量約為4.54×106。蝸殼和葉輪采用適應性較強的非結構化四面體網格，并對曲率變化大的曲面進行加密處理[8]，其中葉片表面第一層網格高度為0.4 mm，邊界層網格增長因子為1.2，邊界層網格層數為6；蝸舌表面第一層網格高度為0.5 mm，邊界層網格增長因子為1.2，邊界層網格層數為5，生成的網格如圖3所示。

圖3 葉片和蝸舌表面網格

2.4 方程離散與求解

數值求解時，對葉輪-蝸殼區域這類具有相對旋轉運動的流動，采用滑移網格模型進行數值求解。計算方程離散方法采用有限體積法，壓力—速度耦合關系采用SIMPLE算法，動量方程、湍動能方程、耗散率方程采用二階迎風格式離散。

氣相邊界條件為入口采用質量入口，流量為1 kg/s；出口采用壓力出口，為一個大氣壓；壁面采用無滑移邊界。根據路面垃圾平均粒徑為75 μm的特征[9]，計算時顆粒直徑選取為75 μm，密度為1 800 kg/m3。顆粒相邊界條件為入口和出口邊界條件均是逃逸邊界條件，壁面為自由碰撞，顆粒與壁面的碰撞為剛性碰撞，碰撞恢復系數為0.9[10]。顆粒源在集流器入口采用面釋放方式釋放，釋放速度22.3 m/s。

風機葉輪轉速2 600 r/min，根據風機葉輪轉速、網格尺度等參數確定計算時間步長為5×10-5s，每個時間步迭代步數為30。葉輪旋轉兩個周期，待氣流場計算穩定后，在風機集流器入口處釋放顆粒相進行氣固兩相流計算。

3 計算結果與分析

葉輪內部壓力分布及流線如圖4所示。

圖4 葉輪內部壓力分布及流線圖

專用風機葉片吸力面存在流動分離，該分離流動產生的漩渦阻塞了葉輪流道的通流截面，從而導致流線偏向壓力面流動。

單個顆粒軌跡如圖5所示。

圖5 單個顆粒軌跡圖

顆粒進入葉輪流道后，在氣流的帶動作用下，先與后盤碰撞降速、反彈繼續向前加速運動。在氣流帶動作用下偏向葉片壓力面運動，并再次與葉片碰撞降速、反彈、加速，繼續運動進入蝸殼流道內，且在葉輪流道漩渦的阻滯作用下保持偏向葉片壓力面的運動趨勢。

葉片壓力面、吸力面磨損分布如圖6所示。

圖6 葉片壓力面磨損分布圖

圖7 葉片吸力面磨損分布圖

風機葉片的磨損[11]主要發生在壓力面上，吸力面上的磨損現象并不明顯，只在局部區域有磨損現象，磨損率遠小于壓力面的磨損率，與文獻[12]中的試驗結果一致，表明本文的數值仿真方法的合理性。

葉片壓力面的磨損呈4條條帶狀磨損區，條帶磨損區1與后盤成9°夾角，條帶磨損區2與后盤成12°夾角，條帶磨損區3與后盤成23°夾角，條帶磨損區4與后盤成11°夾角。葉片磨損最嚴重區域在葉片與后盤接觸區的1/4處。根據圖6顆粒的運動軌跡可知，顆粒由風機入口的軸向運動向葉輪流道變向做徑向運動后[13-14]，相對于葉輪后盤，以一定角度從葉片前緣向下入射，與葉片壓力面接觸、碰撞，運動一段距離后與葉輪后盤碰撞反彈后，再次以某一向上的角度向葉片后段運動，并與葉片壓力面發生碰撞，在顆粒與葉片壓力面碰撞的條帶區域，葉片產生條帶狀磨損。因此，在對葉片進行設計時，該區域需進行防磨損處理。

顆粒在風機內部的軌跡如圖8所示。

圖8 顆粒在風機內部的軌跡圖

顆粒從葉輪流道流出后，由于慣性，在葉輪出口處顆粒沿出口氣流速度方向直接沖撞到蝸殼側周面并產生反彈，然后跟隨氣流由風機出口排出。

顆粒對蝸殼的磨損分布如圖9所示。

圖9 顆粒對蝸殼的磨損分布圖

由于顆粒周期性沖撞到蝸殼側周面，對蝸殼表面產生了周期性磨損區，蝸殼上越靠近蝸舌的區域，磨損越嚴重，這是由于靠近蝸舌區域，流道截面積變小，氣流流速增大。

風機流道速度如圖10所示。

圖10 風機流道速度云圖

在氣流的作用和顆粒自身慣性的作用下，與蝸殼的碰撞速度更大，顆粒與壁面的碰撞速度越大，壁面受到的刮擦力越大，磨損也越嚴重。

4 結束語

本研究采用RNGk-ε湍流模型結合歐拉-拉格朗日方法的顆粒軌道模型，對某型號掃路機專用風機內部氣固兩相流場進行了數值仿真研究。

(1)掃路機專用風機葉片的吸力面存在分離流動，該分離流動的存在惡化了風機的內部流動，使流線貼向壓力面流動，在氣流的帶動作用下，進入葉輪流道的顆粒也保持偏向葉片壓力面運動的趨勢，并導致風機壓力面磨損；

(2)風機葉片的磨損主要發生在壓力面上，吸力面上磨損現象并不明顯，壓力面的磨損呈4條帶狀磨損區分布，葉片磨損最嚴重區域在葉片與后盤接觸區的1/4處；

(3)在葉輪出口處顆粒沿出口氣流速度方向直接沖撞到蝸殼側周面，從而對蝸殼表面產生了周期性磨損區，蝸殼上越靠近蝸舌的區域，磨損越嚴重，蝸殼型線的設計是影響蝸殼磨損的關鍵因素之一。

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