贯流风机的数值模拟(编辑修改稿)

贯流风机的数值模拟(编辑修改稿)内容摘要：

目录 2_ucP u  （ 24） 试中：  全压效率；  考虑有限叶片影响的修正系数。 若平均取  ，  ，则 2_ ucP u （ 25） 利用试（ 25）可以求出各种情况下的 _P 值， 一般 4~12ucu 所以 ~P 2． 贯流式风机的流量系数可表示为： 22LuD  （ 26） 试中 L 叶轮的宽度。 流量系数的范围一般为： 小流量风机 ~0_ Q 中流量风机 ~ Q 大流量风机 Q （三） 反应度Ω 学士学位论文 目录  uuustcucccucccuPP 2222222212 （ 27） 试中 c 、 c 气流进、出叶轮时的绝对速度。 试（ 27）是近似的，利用试（ 27）可估计出上述情况的反应度大小。 一般，贯流式风机的 反应度Ω值在零附近，而流量较大的贯流式风机，其反应度一般为负值。 可以看出，贯流风机的动压相对而言比其他风机高。 167。 贯流式风机叶轮内的流动分析 前面提到过的离心式风机及轴流式风机，其内部气流的流动情况较为简单。 然而，贯流式风机叶轮内的气流的流动情况则较为复杂。 人们通过长期的观察，发现在叶轮内部存在一个旋涡，该旋涡的中心位于叶轮内圆周附近靠近蜗舌的一侧，如图 26 所示。 图 26 叶轮内部旋涡示意图 其中 1蜗舌， 2蜗壳 涡心距叶轮轴心的距离用 R 表示，其中  为系数。 叶轮内的旋涡控制着整个速度场，而随着流量的变化，旋涡中心沿圆周方向移动。 叶轮内部涡结构的发现，对于贯流式风机的研究具有重大的意义。 现在以叶轮进、出口圆弧相等的简单情况为例，来研究叶轮内的气流模型。 设涡心位于叶轮内圆 1D 上的一点 O ，即取 1 ，在内圆 1D 上取一点 A，学士学位论文 目录 其中距 O 点的半径为 。 按照前面的分析，假定在圆周上存在一个 uc 为常数的速度，又三角形 AOC 知： 2cos1  D 又因 ccu 2c os 所以 c o n s tcDcDcuu  112c o s2c o s  （ 28） 因此，该旋涡运动是一个简单的位涡。 由 A 点的速度三角形知 2tanum cc  （ 29） 从试（ 28）、试（ 29）可以看出，速度 mc 是按照正切规律变化的，而且流线成圆弧形。 从上述流动模型可以推断出，叶轮外圆周上各点的流体速度也是不一样的，越靠近涡心， 其速度越大，相反的，靠近壳体一侧的速度变小。 而贯流式风机的压力系数等均为其平均值。 人们从实验中发现，旋涡的位置接近内圆周，即 1 时，性能较好。 并且循环流的区域越小，性能越好。 涡心位置不同时，流线的分布也不同。 为了控制旋涡位置，并减小循环流的区域，可以在叶轮采用导向装置。 导叶的厚度对性能没有什么大的影响。 学士学位论文 目录 第三章 数值计算 本次数值计算应用的是 FLUENT 计算流体动力学软件，模型的建立用的是 GAMBIT。 167。 模型的建立及网格的划分 167。 结构的简化和求解区域的划分 由于贯流风机的叶轮为一轴向很长的筒状结 构，当不考虑扇叶斜向分布的情况并忽略边缘效应时，可忽略空气的轴向流动。 因此，就可以把实际贯流风机的 3D 流动问题，简化为 2D 问题进行数值计算。 所以，在建立模型时，只要取贯流风机的任意截面作为建模的对象就可以了，这样建立的模型就是 2D 的了。 在建模的时候，把整个风机外壳的进 口和出口的流道加长，并且加大进口和出口处的流道的宽度。 这样会使流入的气流，在到达风机叶轮之前，其各项参数在垂直于流道的截面上就已经基本保持均匀。 对于出口处，由于真实的贯流风机系统，气体流过贯流风机后，经过很短的流道就射入室内。 为了能比较真实的模拟气流的运动，所以把出口处的流道也加长，也加宽，这样气流在流过风机后，就会有一段扩张段，比较符合实际的情况，便于初始条件的给定和求解（见图 31）。 建立模型时，求解区域的划分采用如下办法：把整个贯流风机系统化为三个求解区域。 风机叶轮以外的流动区域为第一个求解区域；风 机叶片在旋转时所形成的环形区域为第二个求解区域（这次建模的时候，考虑了叶片的形状，所以 学士学位论文 目录 图 31 贯流风机的 2D 计算结构与求解区域的划分 这个环形区域去除了叶片自身截面的面积）；风机叶轮的内部流动区域为第三个 求解区域（见图 31）。 由以上的三个区域联合起来组成整个贯流风机系统的求解 区域。 167。 求解区域网格的划分 在以上所建立模型的基础上，根据此模型中，风机是要转动的特点，建立以转子、流道及边界为类型的动、静和边界的三层网格。 由于模型边界的复杂性，为了保证在边界处网格良好的贴体和光滑，采用非结构三角形网格。 整个求解区域共计生成了 26592 个网格单元。 其中，由第一个求解区域和第三个求解区域组成静态网格区，其网格单元为 10424 个；第二个求解区域为动态网格区，其网格单元为 16168 个。 所生成的网格见图 32。 网格是应用 GAMBIT 软件生成的。 由网格图可以看到，在模型的入口和出口处的网格比较稀疏，接近风机叶轮时网格开始加密，在叶片与叶片之间的流道内网格是最密的。 网格由疏到密的过渡基本平滑，没有明显的跳跃。 学士学位论文 目录 图 32 计算网格的划分 学士学位论文 目录 图 33 风机周围局部网格放大 学士学位论文 目录 图 34 叶片附近网格细节的放大 167。 求解方法与过程 本次数值计算应用的是 计算流体力学软件，进行 2DSIMPLE方法求解，采用 k 湍流模型。 计算时，解的初始条件和边界条件基本上是都是参考实际的工作条件和测试条件给定的。 但为了使数值计算的结果能与实验值相符合，设置边界条件和初始条件时，在允许的范围内作了部分的修正。 初始条件 与边界条件的具体设置为：取进口和出口的边界类型都为压力条件的边界类型，采用一阶稳定分离计算，取空气的密度为： 3mkg ，进口和出口处都取 水力直径： ；湍流密度： 5%；静压都为： 1atm；给进口处一点动压： pa4101  ；出口动压为： ；转速为： rpm900。 计算的收敛条件为：连续性： 310 ； X、 Y 方向速度 ： 310 ； k： 310 ； epsilon： 310。 第四章 计算结果与分析 按照第三章中所给的初始条件及边界条件，迭代 2838 步，结果收敛。 其各个参数的图像表示见以下各图。 167。 压力场的结果与分析 在流场压力的等值线图像之中，红色代表高压区，蓝色代表低压区（见图41）。 由等压力线图可发现，在靠近蜗舌偏右下方处有一个很明显的低压中心，这说明在此处有回流，回流和入流的分离处是高 压，回流所卷成的涡就形成了低压，气体的回流在速度矢量图上将会很清楚地看到。 入气端远离蜗舌侧的边界和叶轮交界处有一个高压中心。 由于高压中心的存在，将导致气流在此高压中心的后侧（来流方向）产生回流，使得由此处进入风机叶轮的流量将非常少。 学士学位论文。