鼓風機內部流場仿真

1 引言

鼓風機是一種常見的葉輪機械,在現代工業中應用廣泛。鼓風機的性能取決于風機的整體設計,尤其是風機葉片的設計。傳統的鼓風機的設計方法通常采用設計→樣機性能試驗檢測→制造的過程,樣品的制造和試驗要經過多次,設計也要重復多次,浪費了大量的人力、物力和時間。采用計算流體力學的方法對鼓風機內部流場進行仿真、優化,比較不同設計的增壓效果,能夠有效的降低實驗成本,提高設計效率。

2 鼓風機的CFD仿真

2.1 物理模型及網格處理

本次使用二維鼓風機模型對旋轉機械內部流場的仿真方法進行簡單的展示,其它的形式類似的旋轉機械如泵,可采用相同的仿真方法,本次進行二維流場仿真的離心鼓風機還有32個葉片,每一個葉片的弦長為13.5mm,葉片前緣距離中心位置大約56.5mm。外壁面的半徑以指數形式從80mm增加到146.5mm。進口處總壓設置為200Pa,然后出口流入環境(靜壓為0Pa)。所有的葉片都以261rad/s角速度進行旋轉。

圖1 離心鼓風機網格視圖

在建立物理模型時,整個鼓風機的模型劃分為三個區域,鼓風機的葉片區域、葉片內部流場區域和葉片外部流場區域。由于鼓風機的葉片流場區域速度變化比較大,宜對葉片周圍的計算網格進行網格加密處理。

2.2 數學模型

湍流模型采用k-ε模型進行計算,設定介質為空氣,由于在鼓風機的內部空氣流速較低,氣速一般不超過0.3Ma,所以認為鼓風機內部的空氣不可壓縮。因此仿真過程中用到的質量守恒方程、動量守恒方程、湍流動能方程k方程和擴散方程e方程分別如式(1)、(2)、(3)、(4)所示。其中Gk和Gb分別表示由平均的速度梯度以及浮力作用產生的湍流動能;YM表示可壓縮湍流產生的脈動程度對于整體的耗散率的作用;Rε反應流體易變形的程度的影響;Sk和Sε分別是自定義源項;μt,k為液相湍流的黏度。其它為常數,其值為:G1ε=1.42;G2ε=1.68;G3ε=1.3; Gμ=0.0845; σk=1.0;σε=1.3。

2.3 其它求解條件設置

本次仿真含有一塊動區域,兩塊靜區域,流場仿真采用的是MRF模型,在Cell Zone選項中設置葉片區域為旋轉動區域,旋轉的圓心為(0,0),旋轉的角速度為261rad/s,其它兩片區域設置為靜止區域。

在邊界條件中,葉片區域內外兩側邊界被默認設置為wall,但由于葉片區域位于鼓風機內部,需要在Fluent中將其邊界條件修改為interior;同時鼓風機的葉片位于旋轉區域的內部,需要將其壁面設置為運動壁面,在設置過程中選擇Ralative to Adjacent Cell Zone,設置相對速度為0 Rad/s,這樣內部的葉片就可以跟隨運動區域轉動。設置計算方法為SIMPLE,壓力、動量、湍動能、湍流耗散率均選擇二階迎風算法保證計算的精度。

3 仿真結果

通過仿真的方法獲得鼓風機內的速度云圖,速度矢量圖和壓力云圖。圖2和圖3分別為鼓風機內的速度云圖和速度矢量圖。從速度云圖中可以看出,葉片內部氣速比較小,空氣到達旋轉葉片并被加速后,在與出口相切的葉片處速度達到最高,大約為64.4m/s。

圖2 速度云圖

圖3 速度矢量圖

圖4為鼓風機內部的總壓力圖。從圖中在葉片內部的區域壓力為進口壓力200Pa,之后經過葉片加速之后總壓增大,在于出口相切的葉片處總壓達到最大,此時總壓的大小為1190Pa。

圖4 總壓云圖

圖5為鼓風機內部的靜壓云圖。從圖中可以看出,鼓風機內部的葉片處存在低壓區,這是因為這部分區域速度比較大,所以靜壓比較小,而之后由于鼓風機的出口處流道不斷擴大,在流量守恒的情況下,速度減小,在出口處的靜壓不斷升高。靜壓最高的地方是在鼓風機的蝸殼附近,這是由于鼓風機的蝸殼附近采用無滑移的壁面條件,此處流體的速度幾乎為0,在總壓相近的情形下,此處的靜壓最大。

圖5 靜壓云圖

4 結論

本文建立了某鼓風機的二維模型,采用k-ε湍流模型和MRF方法對旋轉葉片進行了流場數值仿真處理,仿真結果顯示經過鼓風機的葉片加速后內部流體在葉片與出口相切的地方達到最大,最大速度為64.4m/s,總壓云圖和靜壓云圖與理論分析一致,由此說明了CFD方法用于鼓風機設計的有效性。

參考文獻: