叶福民，冯 露，陈文杰，赵海东

(江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江212003)

离心风机是一种叶轮机械，在现代工业中用途广泛，其性能好坏对节能降耗影响重大.风机的性能取决于气动设计，可以利用计算机对风机内部的流场进行数值模拟，以便更深入了解风机内部流场.同时，还可以检验已有设计是否满足设计需求.据统计，我国目前使用中的风机80%存在着性能差、效率低及噪声大的问题［1］.今后开展风机研究的主要热点是高效、低噪声风机的理论研究［2］.要想实现对风机的降噪化设计，对风机噪声的预估是必不可少的.

文中运用Fluent流体分析软件，对某型离心风机进行内部流场分析，获得了风机内部流场的详细流动情况，并根据所得数据对风机进行噪声预估，为气动噪声优化提供依据.

1 离心风机的CFD仿真分析

1.1 离心风机的流场仿真

由于数值模拟分析的对象是三维的流体介质，因此所建立的模型应该是流体介质所经过的区域，并非是通常所看到的风机三维模型.风机流场模型分4个部分:进口区、过渡区、叶轮和蜗壳.以往分析风机的内部流场忽略了蜗壳与叶轮之间的流动规律.文中对风机模型进行处理时，保留了蜗壳与叶轮之间的区域.同时，建立通流区模型时严格按照风机性能试验要求，即:进口区按照风机吸气试验要求将长度设为大于入口管道直径的6倍;出口区按照风机出气试验要求将长度设为大于出口管道直径的10倍［12］.文中研究对象为某型后向板型离心风机，叶片的厚度为3 mm，叶轮直径为600mm，叶片的出口安装角为60°，叶片数z=12.考虑到误差的影响，在建立叶轮时，使其尽可能地接近风机叶片外径，如图1.

图1 风机的流场模型Fig.1 Flow model of fan

将风机流场模型先在三维建模软件Pro/E中以parasolid(*.xt)格式存盘，然后导入到Fluent的前处理软件Gambit中，进行后续处理.

2 )风机的数学模型

在风机流道中流动的介质是空气，风机运动区域内的流体属于湍流运动，内部流体可认为是不可压缩气体，不考虑能量守恒方程，采用定常计算，忽略重力对流场的影响.文中采用标准k－ε模型，其湍流动能k方程和湍动耗散率ε方程分别为［13］

式中:Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;Gb为由于浮力引起的湍动能k的产生项;YM代表可压湍流中的脉动扩张的贡献;C1ε，C2ε和C3ε均为经验常数;μt为湍动粘度;σk和σε分别是与湍动能相对应的湍流普朗特数;Sk和Sε为用户定义的源项.

3 )计算区域网格划分

网格划分质量直接决定计算结果的准确度.考虑到风机仿真模型的复杂性以及在gambit软件中采用结构化网格的工作量较大，网格的划分采用四面体与六面体混合的非结构化网格技术，对重要的区间网格的大小取值小点，非重要的区域网格的大小取稍微大些，以避免整个模型的网格数量太大.整个风机的网格数大约为60万，网格模型如图2.

一般而言，自我价值感主要界定于社会人际、社会心理、社会道德、社会家庭、个人人际、个人心理、个人道德等方面，根据自我观、法治观、群体观等价值感进行划分，评析价值观与自我价值感之间的关系。根据问卷调查分析的结果，大致可以了解到，自我观除了与个人取向中的自我人际价值观存在明显的正相关关系外，其他自我价值感均与价值观存在负相关关系。

图2 风机的网格模型Fig.2 M esh model of fan

4 )流场仿真边界条件的设定

流场分析的边界条件有多种，例如压力进口、流量出口等.根据文中所研究的风机，具体的边界设置为:①进口条件 文中给定流量进口，流量为1800m3/h;②出口条件 出口处采用自由出流;③旋转区域设置 叶轮的旋转采用无滑移边界条件，转速为2900 r/min.

5 )风机流场计算仿真及收敛性判断

模拟仿真离心风机的流场时，选用ANSYS软件自带的Fluent模块进行流场计算，求解器采用SEGREGATED分离式隐式求解器;湍流能、湍流耗散项、动量守恒方程都采用一阶迎风格式离散，采用simple方法求解控制方程.当所监控的物理量达到预设的数值时，认为计算收敛，求解得到离心风机各流动参数在整个流场中的分布情况.

1.2 风机流场计算结果

根据上述一系列的参数设置，经过约470次迭代运算后计算达到收敛，可获得分析结果.图3为叶轮的速度矢量分布图，图4为叶轮的速度梯形云图.

图3 叶轮的速度矢量分布图Fig.3 Velocity vector distribution of impeller

图4 叶轮的速度梯形云图Fig.4 Speed trapezoidal contour of im peller

由图3，4可见，叶片根部气体的速度最小且流动均匀，速度最小为2.63m/s，与叶轮的回转轴线相距越远的地方流动速度越大，直至叶片边缘处速度最大，速度最大为8.93m/s.气体进入叶轮后，气流流经叶片时，由于叶轮的转动而产生了垂直于叶片表面的相对速度，叶轮对气流做功，使得气体流速增加，气体速度变化比较均匀，从叶轮进口至出口，速度梯度变化平缓递增.

图5为叶轮的全压云图，图6为叶轮的静压云图.

图5 叶轮的全压云图Fig.5 Total pressure contours of im peller

图6 叶轮的静压云图Fig.6 Hydrostatic cloud of impeller

由图5，6可见，在叶片压力从叶轮内缘至外缘逐渐增大，叶根到叶片中部为负压，即，此部分从进口吸入空气后压力逐渐增大;静压分布从叶轮进口至叶轮出口，压力明显递增，叶轮出口处压力达到最大;压力梯度变化在叶片正表面高于负面.

图7为风机内部的z=35mm截面上速度矢量图.

图7 z=35mm截面速度矢量图Fig.7 Velocity vector of section w ith z=35mm

由图7可见，气流经过叶轮的带动，以较高的流速流入蜗壳，速度顺着涡壳流道从小到大的方向逐渐减小，最后以很小的速度匀速流出风机出风口.

图8～10分别为蜗壳的全压云图、静压云图和动压云图.

图8 蜗壳的全压云图Fig.8 Total pressure contours of volute

图9 蜗壳的静压云图Fig.9 Hydrostatic cloud of volute

图10 蜗壳的动压云图Fig.1 0 Dynam ic pressure cloud of volute

由图8～10可见，蜗壳整体全压分布基本稳定，只是在蜗壳内侧的静压与全压均偏低，此部分为蜗壳与叶轮的中间区域.风机的蜗舌部分是一个比较敏感的区域，图9显示蜗壳的静压在蜗舌区域发生突变，而在图10中蜗舌地带动压分布复杂，在叶轮与蜗舌附近一侧，是动压力较高的区域，在蜗舌与出口较近的一侧，是动压力最低的一侧.

上述流场的分析结果，相比较不考虑叶轮与蜗壳之间区域的流场分析结果［14］而言，更加贴合实际情况.

2 风机的气动噪声预估

对于同一结构形式的通风机或同一系列通风机，若已知其比A声级LSA，则各机号的A声级LA可按公式计算

式中:qv为风机的风量，ptF为风机的全压.

文中的研究对象为某型后向板型叶片离心风机，由《通风机噪声限值》可知，式(3)中的LSA取值为27［15］.

前面已经对离心风机的内部流场进行了数值模拟，得出了风机在流量1800m3/h，工况转速为2900 r·m1下的流场结果，由于建立流场模型时加长了进气口以及出气口，所以流场模型中的进气口及出气口并非真实的进气口与出气口，需要在真实的进气口与出气口位置建立两个面，即建立真实情况下的进出口面.

3 结论

1 )考虑了蜗壳与叶轮之间的区域，建立了更加贴合实际的风机流场模型，计算得到的流场更加接近实际工况;

2 )叶片根部气体的速度最小且流动均匀，与叶轮的回转轴线相距越远流动速度越大，直至叶片边缘处速度最大.叶轮对气流做功，使得气体流速增加，气体速度变化比较均匀，从叶轮进口至出口，速度梯度变化平缓递增;

3 )气流经过叶轮的带动，以较高的流速流入蜗壳，速度顺着蜗壳流道从小到大的方向逐渐减小，最后以较小的速度匀速流出风机出风口;

4 )蜗壳整体全压分布基本稳定，只是在蜗壳内侧的静压与全压均偏低，此部分为蜗壳与叶轮的中间区域;

5 )风机的蜗舌部分是一个比较敏感的区域，蜗壳的静压与动压在蜗舌区域均发生突变.

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