基于并聯雙離心送風機內外流場的數值模擬研究

王劍光 于國棟

摘 要：該文完成了并聯雙離心送風機兩套離心風機及房間內外流場及溫度場三維數值計算。在送風機內流場數值仿真基礎上，著重分析了典型截面速度場的分布規律。在送風機房間數值仿真基礎上，著重分析了制冷與制熱工況下房間內速度場及溫度場的分布規律。仿真結果對并聯雙離心風機系統的優化設計及房間內溫度分布的主動控制等方面具有重要參考意義。

關鍵詞：并聯雙離心 離心風機 蝸殼 溫度場

中圖分類號：TH432.1? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

Numerical Study of the Whole Flow Field of the

Double Centrifugal Fan

WANG Jianguang YU Guodong

（Qingdao Londs Environmental Technology Co.， Ltd.， Qingdao， Shandong Province， 266100 China ）

Abstract： Numerical simulation of the three-dimensional turbulent flow in the whole-flow field of the double centrifugal fan and the house is performed. Based on the calculation of the inner-flow in the double centrifugal fan， the velocity field of the transverse and lengthways sections were farther analyzed. Based on the calculation of the house under refrigeration and heating working conditions， the velocity field and temperature field in the house were farther analyzed. The simulation results are of important significance to the optimal design of the air supply system and the active control to the temperature in the house.

Key Words：Double centrifugal fan; Centrifugal fan; Fan volute; Temperature field

并聯雙離心送風機是由兩套離心風機及蝸殼組成的送風設備，在機組整體尺寸較小的情況下，提供較大的送風風量，經常應用于大型賓館、室內房間的空氣調節以及家電、機電設備的通風散熱當中。王夢豪等人[1]等基于空調用離心風機只進行了單個離心風機及蝸殼的流場分析，重點著眼于蝸殼結構對單個風機性能的影響。于思琦等人[2]同樣基于單個多翼離心風機開展葉片出口角對風機性能影響的研究。顏魯華等人[3]對后向離心風機的內部流場進行研究，雖然風機葉片型式不同，但是同樣只是基于單個的離心風機進行研究。目前針對包括兩套離心風機及蝸殼的雙離心送風機內外流場的研究工作還相對較少。

該文建立包括兩套離心風機和配套蝸殼在內的完整內外三維全流場仿真模型，基于有限體積法完成整體內外流場數值計算，為優化送風機出風口傾斜角度、房間內溫度分布的主動控制等提供參考依據。

1仿真模型

并聯雙離心送風機幾何結構主要包括兩套離心風機和匹配的蝸殼，電機通過軸連接帶動兩側離心風機旋轉，兩側離心風機及蝸殼結構相同。離心風機葉片采用弧形葉片，葉輪直徑22 cm，葉片長度40 cm，葉片數量40。蝸殼采用兩側進風結構，進風口設計了弧形導流結構，增加進風的均勻性。整個送風機結構緊湊，兩個風機的送風氣流匯集后，從前方長條形出風口向外送風，如圖1所示。送風設備進口區域及出口區域適當放大，外流場截面呈擴散性變化。最終幾何模型包括三個幾何體，包括兩個離心風機旋轉區域幾何體以及除此之外的其他非旋轉區域幾何體。

網格處理方面采用多面體網格，目前多面體網格因其能夠適應復雜的幾何結構而得到廣泛應用[4]。由于離心風機葉片和匹配蝸殼區域的流場脈動非常劇烈，網格分布進行適當加密處理，對于外殼、支撐部件等幾何尺寸較大的網格尺寸適當放大，最終離心風機及蝸殼區域的網格密度明顯高于外圍流道區域。由于并聯雙離心風機及配套蝸殼幾何形狀的復雜性，使得風機內部流動的湍流度非常高，流場變化劇烈，因此其網格處理的結果對整體風機內外流場模擬計算的精度具有重要影響。

2數值算法

并聯雙離心風機內外空氣流動可以簡化為不可壓縮、常密度的非穩態流動，簡化處理的質量守恒方程為：

其中：、和代表速度變量在方向、方向和方向上的分量。

湍流模型采用現在廣泛使用的標準模型，其相對應的表示湍動能，為湍動能耗散率。該湍流模型已廣泛用于較多復雜流體力學的數值計算中，準確性得到廣泛認可。該模型考慮了壁面區域大量級旋渦分離的影響，能夠有效模擬離心風機葉片區域的湍流分離現象，提高仿真的精度[5]。

對于控制方程的數值分解及求解，采用廣泛應用的有限體積法，把控制方程組的偏微分形式離散為網格計算空間內各個網格數值節點上的代數方程組[6]。數值求解過程中，與空間域相關的擴散項都使用二階中心差分格式離散，對流項使用二階迎風格式。壓力場與速度場之間的修正采用SIMPLE算法。壓力修正處理方法的本質是采用迭代方法，即在每一個時間步長的計算過程中，先給定一個壓力場的初始值，根據初始壓力值求出速度值，再計算根據之前連續性方程組求導出的壓力修正方程，進一步對壓力值以及速度值進行進一步修正。如此循環多次往復計算及修正，最終可以得到速度場和壓力場的數值解。

合理的邊界條件是仿真計算快速收斂的關鍵[7]。雙離心風機整體仿真計算域的進風口及出風口采用壓力進出口邊界，給定大氣壓力值。離心風機旋轉區域采用運動坐標系模型處理，設置風機旋轉的圓心坐標、旋轉方向以及旋轉角速度。運動坐標系模型實質上是把風機旋轉區域和外流場不旋轉的區域分開，將整機流場按旋轉與否的差異劃分成不同的流場區域，每個流場區域分別各自建立一套單獨的參考坐標系，并給定每個參考坐標系不同的旋轉角速度，通過使用旋轉坐標系的方式進行數值計算。在旋轉區域與不旋轉區域的重合面上，通過重合面上的絕對速度和相對速度之間的關系把動靜兩個區域的速度場連接起來，從而使得不同區域的流場連續起來，最終實現動靜區域重合面上的數據傳輸。

3結果分析

3.1 內流場

圖2為離心風機截面速度場分布，從中可以直觀地開出離心風機內部流場的分布情況。離心風機葉片地旋轉會形成負壓，從而吸引進口區域的氣流流入風機蝸殼，進入離心風機蝸殼內的氣流會沿電機軸向進入，之后在葉輪旋轉離心力的作用獲得動能而加速沿風機出口流出。在整個風機流場區域內部，蝸殼進口區域主要處于低壓區，流經蝸殼的氣流進入蝸殼出口經過變截面擴散后，氣流動壓轉化成靜壓，從而進一步推動氣流進入外部空間。

3.2 外流場

建立了送風機外流場模型，并對其制冷及制熱工況下房間內的速度場及溫度場進行了仿真。圖3為送風設備所處的外部空間流場整體分布，觀察得出，送風機出來的高速氣流向外空間擴散，出風口區域風速較高，空間區域風速降低，在空間內形成均勻分布。

圖4為送風機房間垂直出風方向典型截面速度矢量場仿真結果，從圖4（a）（b）制冷和制熱模式下房間速度場的分布情況進行分析。由于該截面垂直于出風方向，風向垂直紙面向外，在房間左右區域存在比較明顯的漩渦，外部空間在計劃尺寸上是幾何對稱的，使得速度場分布也存在相對明顯的對稱性。在制冷工況下，由于制冷氣流的沉降效應，制冷氣流從房間中部開始出現明顯的下降趨勢，使得制冷房間中間氣流存在明顯的下吹趨勢，同時帶動兩側回流漩渦的中心高度稍低于制熱工況。

圖5中（a）（b）分別為制冷及制熱模式下送風機房間垂直出風方向典型截面的溫度場仿真結果，從中可以看出房間內不同區域的溫度分布情況。通過對比可以看出，（a）中制冷工況下房間的溫度從出風口周圍向外逐步升高，冷空氣下移趨勢比較明顯，中間出風口溫度較低，四周溫度較高;（b）中制熱工況下由于熱空氣主要集中于房間上層，由上向下的溫度傳遞相對較慢，致使制熱工況下的房間溫度分布呈上下分層狀態[6]，底層為低溫區，上層為高溫區，其中出風口部位溫度最高。

圖6為送風機房間平行出風方向典型截面速度矢量場仿真結果，從圖6（a）（b）制冷和制熱模式下房間速度場的分布情況進行分析。由于該截面平行于出風方向，風向平行紙面，制冷時在房間上下側區域存在比較明顯的漩渦，外部空間在幾何尺寸上是幾何對稱的，使得速度場分布也存在相對明顯的對稱性。在制冷和制熱模式下，由于制冷氣流和制熱氣流的密度差異較大，制冷氣流從房間中部開始出現明顯的分離旋渦，明顯不同于制熱工況。

圖7中（a）（b）分別為制冷模式及制熱模式下送風設備房間平行出風方向典型截面的溫度場仿真結果，從中可以看出房間內不同區域的溫度分布情況。通過對比可以看出，（a）中制冷工況下房間高度方向上的溫度從中間區域向外逐步升高，冷空氣溫度梯度擴散趨勢比較明顯，中間區域的溫度較低，四周區域溫度較高;（b）中制熱工況下房間溫度分布梯度同樣比較明顯。

3結論

建立包括兩套離心送風機及蝸殼在內的內外三維設備流道模型和空間幾何模型，通過有限體積法完成風機內流場及外流場的仿真計算，著重分析了外流場空間不同制冷及制熱工況典型截面的速度場及溫度場分布情況。通過數值模擬的研究方法，可以得出以下結論。

（1）離心風機的旋轉做功以及匹配蝸殼的增壓作用，使得氣流獲得足夠動能沿軸向流入，徑向流出，從而向外部空間送風。

（2）由于制冷及制熱模式下，氣流的密度差異明顯，致使不同制冷及制熱模式下，空間流場及溫度場分布的差異比較明顯。

（3）仿真研究手段對分析風機內部流場以及風機外部流場和溫度場分布等具有重要應用價值，更加形象直觀地分析分布規律。

參考文獻

[1] 王夢豪，吳立明，劉小民.基于蝸舌改型的空調用離心風機流動分析及降噪研究[J].工程熱物理學報，2020，41（1）：147-153.

[2] 于思琦，吳大轉，楊帥.葉片出口角對多翼離心風機性能影響的數值研究[J].流體機械，2019，47（11）：1-7.

[3] 顏魯華.后向離心風扇的內部流場分析與降噪研究[D].青島：青島大學， 2018.

[4] SUSHANLAL B， ANISH S. Transient Analysis of Upstream Wake Inside Turbine Blade Passage with Purge Flow [J]. Aerospace Science and Technology， 2019， 98（2）：105654.

[5] 王維斌.對旋式通風機全流場內壓力脈動及氣動噪聲特性的數值研究[D].青島：山東科技大學， 2009.

[6] FUJISAWA NOBUMICHI， INUI TETSUYA， OHTA YUTAKA. Evolution Process of Diffuser Stall in a Centrifugal Compressor with Vaned Diffuser [J]. Journal of Turbomachinery， 2019， （4）： 255-273.

[7] 張帆.船用離心風機氣動噪聲數值預報方法及試驗分析[D].鎮江：江蘇科技大學， 2020.