离心风机的内部流场数值模拟及噪声预估

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1、高心风机的内部流场数值模拟及噪声预估叶福民;冯露;陈文杰;赵海东【摘要】建立后向板型叶片离心风机的流场模型，运用非结构化网格对流场模型 进行网格划分，流场模拟的湍流模型采用标准k-模型，风机旋转区与非旋转区的 耦合采用移动参考坐标系模型MRF，利用Fluent流体分析软件对离心风机的三维 流场进行模拟仿真，得出叶轮、蜗壳的速度、压力等分布云图，在此基础上，运用 数值计算方法对所研究的离心风机进行噪声预算，结果表明：考虑蜗壳与叶轮之间 的区域计算所得流场更加符合实际工况；叶轮对气流做功，叶片根部气体的速度最 小，叶片边缘处速度最大；蜗壳内侧的静压与全压均偏低；蜗壳的静压与动压在蜗 舌区域均发生突

2、变。研究结果有助于了解风机内部流场的运动规律，为风机结构优 化及噪声优化研究提供参考。%The flow model of centrifugal fan with backward plate-shaped leaves is established,the flow model is meshed with unstructured grid,the standard k-emodel is used for the flow field simulation,the moving refer-ence coordinate system MRF model is used for the

3、 coupling of rotating and non-rotating zone area,the fluid anal-ysis software Fluent is used to make the three-dimensional flow field simulation for the centrifugal fan,and the speed and pressure contours of impeller and volute are obtained.On this basis,numerical methods are used to make the noise

4、budget for the centrifugal fan.The results show that the calculated flow field is in line with the actual working conditions considering the area between the volute and impeller.The impeller does work on the airflow,the velocity of the air at the root of blade reaches the minimum,and the velocity of

5、 the flow at leaf edge is the maximum.The static and total pressures of the inside of the volute are low,and the static and dynamic pressure in the tongue region has a abrupt change.The results of the simulation analysis are helpful to understand the movement laws of the flow field inside the fan,an

6、d provide references for the optimization of structure and noise.【期刊名称】江苏科技大学学报（自然科学版） 【年(卷)，期】2014(000)002 【总页数】5页(P155-159) 【关键词】离心风机;流场;数值模拟;噪声预估 【作者】叶福民;冯露;陈文杰;赵海东【作者单位】江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江212003;江苏科技大学机械 工程学院，江苏镇江212003;江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江212003;江 苏科技大学机械工程学院，江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】TB534+.1离心风机是一种叶

7、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.文献34分别对离心和轴流风机的整机进行了数值模拟，预测了风机的空气动 力性能.文献5 利用Fluent计算流体软件对轴流风机的三维流场进行了模拟分 析，同时进行了风机噪声的预估文献.文献68对贯流风机

8、的空气动力性能进行 了数值模拟分析.文献9对风机、压缩机气动噪声的产生机理模型、预测方法和 控制技术进行了综述.文献1011 利用风机三维流场计算和分析对尾流模型进行 了改进，对二台轴流风机的预测风机A声压级和线性声压级与实测误差分别小于 2dB和34dB.后来，又对叶片力模型进行了改进，预测的二台轴流风机噪声的 1/3倍频谱的趋势与实测符合良好，绝大部分频谱的误差小于3dB，最大误差小于 5dB（仅限个别频谱）.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

9、真分析1.1离心风机的流场仿真1 ）风机流场模型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

10、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-s模型，其湍流动能k方程和湍动耗散率方程分别为13 式中:Gk为由于平均速度梯度弓I起

11、的湍动能k的产生项;Gb为由于浮力弓|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;C1s,C2s和C3s均为经验 常数；W为湍动粘度;。k和。分别是与湍动能相对应的湍流普朗特数;Sk和Ss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.图2风机的网格模型Fig.2 M e

12、sh model of fan4 ）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:进口条件文中给定流量进口，流量为1800m3/h;出口条件 出口处采用自由出流;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

13、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

14、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

15、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810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 c

16、loud of volute图 10 蜗壳的动压云图 Fig.1 0 Dynam ic pressure cloud of volute由图810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，

17、若已知其比A声级L SA，则各机 号的A声级L A可按公式计算式中:q v为风机的风量，p tF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L SA取值为2715.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 rm1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.通过质量加权平均得到的进出口压力，进口的压力为3910 Pa，出口的压力为 3873Pa，可计算

18、得到，风机的全压为7783Pa，将风机的全压7783Pa及流量 1800m3/h代入公式(3)中，可以得到风机的气动噪声为L A=99.79 dB.研究所获 得的后向板型离心风机噪声数值，以备该风机的实验噪声数据相比较.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

19、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.参考文献(References)1 郑孝东.提高煤矿主通风机效率的途径及措施J.风机技术，2001(5):5355.Zheng Xiaodong.Improve the efficiency of mine main ways and measuresJ .Fan Technology , 2001(5):5355.(in Chinese)2 李悦.中国风机行业

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