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基于并联双离心送风机内外流场的数值模拟研究

2022-07-17王剑光于国栋

科技资讯 2022年12期
关键词:温度场

王剑光 于国栋

摘 要:该文完成了并联双离心送风机两套离心风机及房间内外流场及温度场三维数值计算。在送风机内流场数值仿真基础上,着重分析了典型截面速度场的分布规律。在送风机房间数值仿真基础上,着重分析了制冷与制热工况下房间内速度场及温度场的分布规律。仿真结果对并联双离心风机系统的优化设计及房间内温度分布的主动控制等方面具有重要参考意义。

关键词:并联双离心 离心风机 蜗壳 温度场

中图分类号:TH432.1   文献标识码:A   文章编号: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

并聯双离心送风机是由两套离心风机及蜗壳组成的送风设备,在机组整体尺寸较小的情况下,提供较大的送风风量,经常应用于大型宾馆、室内房间的空气调节以及家电、机电设备的通风散热当中。王梦豪等人[1]等基于空调用离心风机只进行了单个离心风机及蜗壳的流场分析,重点着眼于蜗壳结构对单个风机性能的影响。于思琦等人[2]同样基于单个多翼离心风机开展叶片出口角对风机性能影响的研究。颜鲁华等人[3]对后向离心风机的内部流场进行研究,虽然风机叶片型式不同,但是同样只是基于单个的离心风机进行研究。目前针对包括两套离心风机及蜗壳的双离心送风机内外流场的研究工作还相对较少。

该文建立包括两套离心风机和配套蜗壳在内的完整内外三维全流场仿真模型,基于有限体积法完成整体内外流场数值计算,为优化送风机出风口倾斜角度、房间内温度分布的主动控制等提供参考依据。

1仿真模型

并联双离心送风机几何结构主要包括两套离心风机和匹配的蜗壳,电机通过轴连接带动两侧离心风机旋转,两侧离心风机及蜗壳结构相同。离心风机叶片采用弧形叶片,叶轮直径22 cm,叶片长度40 cm,叶片数量40。蜗壳采用两侧进风结构,进风口设计了弧形导流结构,增加进风的均匀性。整个送风机结构紧凑,两个风机的送风气流汇集后,从前方长条形出风口向外送风,如图1所示。送风设备进口区域及出口区域适当放大,外流场截面呈扩散性变化。最终几何模型包括三个几何体,包括两个离心风机旋转区域几何体以及除此之外的其他非旋转区域几何体。

网格处理方面采用多面体网格,目前多面体网格因其能够适应复杂的几何结构而得到广泛应用[4]。由于离心风机叶片和匹配蜗壳区域的流场脉动非常剧烈,网格分布进行适当加密处理,对于外壳、支撑部件等几何尺寸较大的网格尺寸适当放大,最终离心风机及蜗壳区域的网格密度明显高于外围流道区域。由于并联双离心风机及配套蜗壳几何形状的复杂性,使得风机内部流动的湍流度非常高,流场变化剧烈,因此其网格处理的结果对整体风机内外流场模拟计算的精度具有重要影响。

2数值算法

并联双离心风机内外空气流动可以简化为不可压缩、常密度的非稳态流动,简化处理的质量守恒方程为:

其中:、和代表速度变量在方向、方向和方向上的分量。

湍流模型采用现在广泛使用的标准模型,其相对应的表示湍动能,为湍动能耗散率。该湍流模型已广泛用于较多复杂流体力学的数值计算中,准确性得到广泛认可。该模型考虑了壁面区域大量级旋涡分离的影响,能够有效模拟离心风机叶片区域的湍流分离现象,提高仿真的精度[5]。

对于控制方程的数值分解及求解,采用广泛应用的有限体积法,把控制方程组的偏微分形式离散为网格计算空间内各个网格数值节点上的代数方程组[6]。数值求解过程中,与空间域相关的扩散项都使用二阶中心差分格式离散,对流项使用二阶迎风格式。压力场与速度场之间的修正采用SIMPLE算法。压力修正处理方法的本质是采用迭代方法,即在每一个时间步长的计算过程中,先给定一个压力场的初始值,根据初始压力值求出速度值,再计算根据之前连续性方程组求导出的压力修正方程,进一步对压力值以及速度值进行进一步修正。如此循环多次往复计算及修正,最终可以得到速度场和压力场的数值解。

合理的边界条件是仿真计算快速收敛的关键[7]。双离心风机整体仿真计算域的进风口及出风口采用压力进出口边界,给定大气压力值。离心风机旋转区域采用运动坐标系模型处理,设置风机旋转的圆心坐标、旋转方向以及旋转角速度。运动坐标系模型实质上是把风机旋转区域和外流场不旋转的区域分开,将整机流场按旋转与否的差异划分成不同的流场区域,每个流场区域分别各自建立一套单独的参考坐标系,并给定每个参考坐标系不同的旋转角速度,通过使用旋转坐标系的方式进行数值计算。在旋转区域与不旋转区域的重合面上,通过重合面上的绝对速度和相对速度之间的关系把动静两个区域的速度场连接起来,从而使得不同区域的流场连续起来,最终实现动静区域重合面上的数据传输。

3结果分析

3.1 内流场

图2为离心风机截面速度场分布,从中可以直观地开出离心风机内部流场的分布情况。离心风机叶片地旋转会形成负压,从而吸引进口区域的气流流入风机蜗壳,进入离心风机蜗壳内的气流会沿电机轴向进入,之后在叶轮旋转离心力的作用获得动能而加速沿风机出口流出。在整个风机流场区域内部,蜗壳进口区域主要处于低压区,流经蜗壳的气流进入蜗壳出口经过变截面扩散后,气流动压转化成静压,从而进一步推动气流进入外部空间。

3.2 外流场

建立了送风机外流场模型,并对其制冷及制热工况下房间内的速度场及温度场进行了仿真。图3为送风设备所处的外部空间流场整体分布,观察得出,送风机出来的高速气流向外空间扩散,出风口区域风速较高,空间区域风速降低,在空间内形成均匀分布。

图4为送风机房间垂直出风方向典型截面速度矢量场仿真结果,从图4(a)(b)制冷和制热模式下房间速度场的分布情况进行分析。由于该截面垂直于出风方向,风向垂直纸面向外,在房间左右区域存在比较明显的漩涡,外部空间在计划尺寸上是几何对称的,使得速度场分布也存在相对明显的对称性。在制冷工况下,由于制冷气流的沉降效应,制冷气流从房间中部开始出现明显的下降趋势,使得制冷房间中间气流存在明显的下吹趋势,同时带动两侧回流漩涡的中心高度稍低于制热工况。

图5中(a)(b)分别为制冷及制热模式下送风机房间垂直出风方向典型截面的温度场仿真结果,从中可以看出房间内不同区域的温度分布情况。通过对比可以看出,(a)中制冷工况下房间的溫度从出风口周围向外逐步升高,冷空气下移趋势比较明显,中间出风口温度较低,四周温度较高;(b)中制热工况下由于热空气主要集中于房间上层,由上向下的温度传递相对较慢,致使制热工况下的房间温度分布呈上下分层状态[6],底层为低温区,上层为高温区,其中出风口部位温度最高。

图6为送风机房间平行出风方向典型截面速度矢量场仿真结果,从图6(a)(b)制冷和制热模式下房间速度场的分布情况进行分析。由于该截面平行于出风方向,风向平行纸面,制冷时在房间上下侧区域存在比较明显的漩涡,外部空间在几何尺寸上是几何对称的,使得速度场分布也存在相对明显的对称性。在制冷和制热模式下,由于制冷气流和制热气流的密度差异较大,制冷气流从房间中部开始出现明显的分离旋涡,明显不同于制热工况。

图7中(a)(b)分别为制冷模式及制热模式下送风设备房间平行出风方向典型截面的温度场仿真结果,从中可以看出房间内不同区域的温度分布情况。通过对比可以看出,(a)中制冷工况下房间高度方向上的温度从中间区域向外逐步升高,冷空气温度梯度扩散趋势比较明显,中间区域的温度较低,四周区域温度较高;(b)中制热工况下房间温度分布梯度同样比较明显。

3结论

建立包括两套离心送风机及蜗壳在内的内外三维设备流道模型和空间几何模型,通过有限体积法完成风机内流场及外流场的仿真计算,着重分析了外流场空间不同制冷及制热工况典型截面的速度场及温度场分布情况。通过数值模拟的研究方法,可以得出以下结论。

(1)离心风机的旋转做功以及匹配蜗壳的增压作用,使得气流获得足够动能沿轴向流入,径向流出,从而向外部空间送风。

(2)由于制冷及制热模式下,气流的密度差异明显,致使不同制冷及制热模式下,空间流场及温度场分布的差异比较明显。

(3)仿真研究手段对分析风机内部流场以及风机外部流场和温度场分布等具有重要应用价值,更加形象直观地分析分布规律。

参考文献

[1] 王梦豪,吴立明,刘小民.基于蜗舌改型的空调用离心风机流动分析及降噪研究[J].工程热物理学报,2020,41(1):147-153.

[2] 于思琦,吴大转,杨帅.叶片出口角对多翼离心风机性能影响的数值研究[J].流体机械,2019,47(11):1-7.

[3] 颜鲁华.后向离心风扇的内部流场分析与降噪研究[D].青岛:青岛大学, 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] 王维斌.对旋式通风机全流场内压力脉动及气动噪声特性的数值研究[D].青岛:山东科技大学, 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] 张帆.船用离心风机气动噪声数值预报方法及试验分析[D].镇江:江苏科技大学, 2020.

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