葉輪式流體機械基于數值模擬仿真軟件的應用分析

石大立 黃昭 陳加瑞 唐明哲 黃忠文

摘要：為了研究數值模擬仿真軟件在流體機械工程設計中的應用，本文選取9-26-8D型離心通風機為研究對象，首先通過建立葉輪部件的有限元模型對固體強度進行數值計算;然后對風機特性參數和內部流場進行數值模擬分析。數值模擬仿真計算分析結果不僅具有比較高的精度，還能夠獲得直觀的應力分布云圖以及內部流場云圖。在傳統(tǒng)理論公式計算基礎之上，深入加強數值模擬仿真軟件技術在葉輪式流體機械工程設計中的應用是實用有效的綜合性方法，為進一步在優(yōu)化設計方面展開研究提供了必要的計算基礎。

關鍵詞：葉輪式流體機械;強度計算;流場分析;數值模擬仿真軟件

中圖分類號：TH311? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

1 引言

葉輪式流體機械在流體工程中的應用非常廣泛，主要包括葉輪式壓縮機，葉輪式通風機，葉輪式水泵，葉輪式水輪機，葉輪式風力機等。其中離心通風機是一種依靠外部輸入的機械能提高流體的壓力并排送流體的葉輪式流體機械，廣泛用于各相關行業(yè)的通風與換氣等[1]。離心通風機的結構主要由葉輪、機殼、主軸、聯(lián)軸器或皮帶輪等組成。葉輪的葉片在實際工作過程中受力比較復雜，除了本身的離心力外，還受到氣動力和前、后盤的牽引而引起的葉片附加應力[2]。葉輪是影響效率和性能的核心部件，利用軟件對其進行幾何建模和有限元分析是研究葉輪強度的一種有效手段。利用軟件還可以對離心風機的內部流場進行數值模擬，得出性能特性參數表，并根據數值模擬云圖對風機的內部流動做出對應分析。

2 葉輪的強度計算

2.1 葉輪的幾何參數及建模

以9-26-8D型離心通風機為研究對象，得到葉輪的幾何參數如表1所示。

為了便于建模，對葉輪作了適當簡化：（1）軸盤的厚度大，實際使用中一般很少出現(xiàn)問題，因此在建立幾何模型中沒有畫出軸盤;（2）螺栓孔也沒有建立;（3）葉輪的各部分都是薄壁結構，因此使用面建模; （4）葉輪內的焊接圓角等沒有建立，可以有效減小建模難度。通過上述幾處的簡化，葉輪結構的建模不再困難，減少了其他三維建模軟件導入ANSYS中的出錯問題，也讓模型網格劃分更加準確。圖1為ANSYS軟件中建立的葉輪幾何模型。

葉輪結構所采用的材料是Q235鋼，材料屬性具體見表2。

2.2 葉輪的強度計算與分析

葉輪一般是以恒定速度繞軸旋轉的，施加徑向與軸向約束在后盤內圈處，用來模擬葉輪在實際操作期間運轉的約束狀態(tài)。當葉輪旋轉的時候，它會受到離心力、重力和激振力等作用力的影響，但重力、激振力等作用力和離心力相比可以忽略不計[3]。因此，強度分析所施加的載荷主要為圍繞Z軸的速度載荷，采用大小為1450rpm的風機轉速。利用軟件ANSYS求解后，可以在后處理模塊得到求解結果。對于強度分析，主要是查看Von Mises等效應力云圖[4]。由于葉輪是以恒定速度旋轉，所以它的等效應力云圖具有周向對稱的特點，

通過上面得到的Von Mises 等效應力云圖可知：葉片最大應力位置在葉片出口處，其大小為105.895MPa;前盤和后盤最大應力的位置在其與葉片進出口的交匯處，其大小都為48MPa左右，應力值都在安全范圍內。采用數值模擬仿真軟件比傳統(tǒng)的手工計算更加準確，還可以得到等效應力云圖，能夠快速找到葉輪產生應力集中的位置，為優(yōu)化葉輪提供參考。

3 離心風機性能特性的數值模擬分析

3.1特性參數的模擬計算

通過改變進口邊界條件的流量值，模擬求解風機在不同工況下的特性參數[5]。如表3所示，為9-26-8D型離心風機在轉速為1450rpm時七種工況下的數值模擬特性參數。

3.2 基于最佳工況的內部流場分析

風機的最佳工況點是指效率最高時的狀態(tài)[6]。基于表中數值模擬特性參數，該風機在轉速1450rpm時的最佳工況點是流量大小為10473的工況。在最佳工況條件下模擬計算分析離心風機的內部流場，圖3至圖6分別為X-子午面的靜壓、動壓、全壓和速度分布云圖。

由上面得到的云圖中可以看到：氣體從進風管段進入集風器后轉變方向再進入葉輪葉片通道，葉輪快速轉動使氣體速度提高，從而動壓增加，隨后氣體被輸送到蝸殼中，速度開始降低，動壓開始減小，動能轉化為勢能，靜壓開始增加，并且在遠離葉輪的蝸殼處達到最大。從整個云圖來看，實際上9-26-8D型離心風機整個子午面的壓力分布和速度非常不均勻，風機從集流器到葉輪再到蝸殼，幾乎每一次轉變方向都同時伴隨著渦流或者二次流動。因此可以得出在離心風機葉輪內緣區(qū)域和后盤前后區(qū)域都存在著低壓、低速區(qū)。

由上面的云圖可知：風機的速度和壓力在回轉面上相對子午面來說是比較均勻的，進入葉輪后的氣體速度隨著葉輪呈梯度增加，此時全壓、靜壓、動壓全部受到葉輪的機械能而增加。氣體在葉輪中旋轉的時候，可以看到葉片壓力面速度增值高于吸力面，全壓也是壓力面高于吸力面。這種壓力的不均衡造成了逆壓差，在葉片周圍形成相對速度較小的尾跡區(qū)和相對速度較高的射流區(qū)。這種“射流-尾跡”結構是造成風機中能量損失的重要因素。

4 結論

數值模擬仿真軟件對葉輪式流體機械的固體強度設計和內部流動數值模擬分析提供了有效的計算模擬手段，并且有準確性好、可靠性強和清晰直觀的特點。在傳統(tǒng)理論公式計算基礎之上，深入加強數值模擬仿真軟件技術在葉輪式流體機械工程設計中的應用是實用有效的綜合性方法，為進一步在優(yōu)化設計方面展開研究提供了必要的計算基礎。

參考文獻

[1] 劉建紅.離心通風機葉輪的有限元分析[D].濟南：山東大學，2012.

[2] 商景泰.通風機實用技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.4.

[3] 丁鐵華.基于有限元法的離心風機葉輪強度分析與結構優(yōu)化[J].風機技術，2011（6）14-17.

[4] 李曉麗，楚武利，袁森.離心風機整機三維數值仿真方法及分析[J].計算機仿真，2010（27）：334-338

[5] 楊春魚.離心通風機內部流場特性的數值模擬與優(yōu)化設計[D].淮南：安徽理工大學，2012.

[6] PROF.DR.-ING.HANS-J？RGBAUER，etal.Aerodynamic Excitation Of Blade Vibrations in radial Turbines[J].MTZ worldwide，2013，74（6）：48-54.

收稿日期：2020-03-21

作者簡介：石大立（1962—），男，湖北武漢人，學士，工程師，研究方向：工程測試分析。

通訊作者：黃忠文（1971—），男，湖北京山人，碩士，副教授，研究方向：工程結構分析、流體機械、新能源工程。

Optimization Design of Centrifugal fan Blade Based on Numerical Simulation

SHI Da-li，HUANG Zhao，CHEN Jia-rui，TANG Ming-zhe，HUANG Zhong-wen

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan? Hubei 430205）

Abstract： In order to study the application of numerical simulation software in fluid mechanical engineering design， the 9-26-8D centrifugal ventilator was selected as the research object in this paper. Firstly， the solid strength was numerically calculated by establishing the finite element model of the impeller part. Then， numerical simulation was carried out for the fan characteristic parameters and internal flow field. The numerical simulation results not only have high accuracy， but also can obtain the stress distribution cloud map and the internal flow field cloud map. On the basis of traditional theoretical formula calculation， it is a practical and effective comprehensive method to strengthen the application of numerical simulation software technology in the design of impeller fluid mechanical engineering， which provides a necessary calculation basis for further research on optimal design.

Key words： Impeller fluid machinery; Strength calculation; Flow field analysis; Numerical simulation software