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对旋轴流通风机气动性能的数值预估

庞 磊 李孝宽 / 北京市劳动保护科学研究所 李 嵩 王巍雄 / 清华大学航天航空学院    

摘要 对某商用对旋轴流通风机设计工况附近多个工况,分别采用单通道定常流和整机非定常流模型进行了气动性能的数值预估,并和实测结果对比,探讨了这两种数值模型用于对旋轴流通风机气动性能预估的可行性。

关键词 对旋轴流通风机;气动性能;数值预估

中图分类号 TH432.1 文献标识码 B

文章编号: 1006-8155 ( 2008 ) 04-0020-04

Numerical Prediction of Aerodynamic Performance for a Contra-rotating Axial-flow Fan

Abstract: The numerical prediction of aerodynamic performance for a commercial contra-rotating axial-flow fan has been carried out near the design operation using the models of single channel steady flow and whole fan unsteady flow respectively. The comparison between the results from these two models and the results from real test shows that the feasibility of these two models used in prediction of aerodynamic performance for contra-rotating axial-flow fans.

Key words: contra-rotating axial-flow fan; aerodynamic performance; numerical prediction


0 引言

  对旋轴流通风机具有结构紧凑、流量大、压头大和效率高等优点,广泛用于矿井、隧道等使用空间小又要求强烈通风的场合。 由于对旋轴流通风机将两个相对旋转的叶轮、电机和各种支撑都装在一个叶顶间隙很小的筒体中,不仅流场是复杂的非定常流,性能测试也很难准确,所以数值预估和性能实测数据不易吻合。 2002 年李秋实等用自编程序进行了定常和非定常的数值模拟 [1-2] ,计算只对设计工况进行,且忽略叶顶间隙的影响。定常计算预估总压比试验结果偏高了 1 %,而非定常计算却偏高 11 %,也没有预估效率比较。近年来有人用 FLUENT 程序对对旋风机又做了一些定常计算 [3-6] ,所得气动性能与试验结果吻合仍然不佳,有的根本没有试验对比,总的来看,都只能用于定性分析对旋风机的一些工作特点。

1 数值模拟方法

  采用商用软件 Fluent 6.3 对型号为 FBD № 5/2 × 7.5kW 的一个商用对旋轴流通风机内部三维流场,分别采用单通道定常流和整机非定常流模型进行数值模拟,由此得到风机气动性能。表 1 所示为该风机的主要设计参数,叶片采用等厚度薄板,其叶型由叶片上 7 个截面的不同的双圆弧型线组合而成。网格由 Gambit 软件自动生成,采用结构和非结构混合型网格填充计算域,计算采用 RNG k-ε 湍流模式,它比常用的标准 k-ε 模式可更好地计算分离流动,并采用标准壁函数和 SIMPLE 算法,动量方程的对流项采用二阶迎风格式,迭代采用多重网格技术加速收敛。建模时除省略电机及轮毂支架外,完全模拟实际试验时的风机整体结构 , 特别是两个轮毂间的距离和叶顶间隙,它们对性能影响很大,必须严格确保相同。

1.1 单通道定常数值模拟

  由于流动的轴对称性,不同叶片通道内流动几乎相同,于是可以只计算一个叶片通道内的流动来模拟实际试验时的风机整机流场,其建模的计算域和网格如图 1 所示。为了网格划分的方便,将计算域的几何模型划分为 8 个子区域:前级动叶区域 R4 、后级动叶区域 R5 、进气通道区域 R3 、出气通道区域 R6 、进气导流罩区域 R2 、出气导流罩区域 R7 ,此外还在进气导流罩前添加了长度为 5 倍叶轮直径的一段延伸区域 R1 ,在出气导流罩外添加了一个半径为 5 倍叶轮直径,长度为 10 倍叶轮直径的柱形风室区域 R8 ,上述最后的两个子区域的添加是为了模拟风机在进气法气动性能试验时所具有的真实边界条件。在叶顶间隙区域和叶片的前后缘附近需加密网格,网格总数约 70 万。

表 1 风机设计工况主要设计参数

叶轮直径 D t / mm

500

转速 N /(r/min)

2900

流量 Q /( m3 /h)

11000

总压 pt/ Pa

3000

轮毂比 ν

0.6

前级叶片数 Z f

9

后级叶片数 Z r

7

  选择控制方程为定常雷诺平均的 N-S 方程。进口管道的进口截面给定均匀质量入流条件;出口风室的末端截面给定压力条件,将均匀的标准大气压力作为出口静压;计算通道的两侧是旋转周期性边界条件。所有固壁面均给定无滑移边界条件。前后级叶轮区域( R4 和 R5 区域)分别采用固结在其上的旋转动坐标系,其余 6 个计算区域采用绝对静止坐标系计算。由于前后级叶轮的转速方向相反,而且前后两级叶轮的叶片数不一致,因而单个叶片通道所展开的角度是不同的,故此采用混合面模型( Mixing Plane Model )来衔接两级叶轮流动。混合面取在两级叶片中间位置处,其上下游,即前级叶片通道出口和后级叶片通道进口,分别给定压力出口和压力进口边界条件,以便使气流总压在混合面两侧尽量保持连续。在混合面两侧的流体均做定常计算,混合面一侧的流体域计算所得物理量,在混合面处做周向平均,然后作为边界条件提供给混合面另一侧的计算域使用。

  该计算在4节点并行机上进行计算,单个节点 CPU 主频为3.0GHz ,计算8h后收敛,这时各方程迭代误差小于1×10-5

1.2 整机非定常数值模拟

  图2所示为整机非定常计算建模的计算域及网格,除了没有旋转周期性边界条件外,其余边界条件均与单通道定常计算模型相同。网格总数约 300 万,控制方程为非定常雷诺平均的 N-S 方程。在与单通道计算相同的 4 节点并行机进行计算, 200h 后,各方程迭代误差小于 1 × 10 -5 ,同时可见,风机进口截面处按流量加权平均的静压值及两级叶片中间位置处某点的静压值在一定范围内随时间步已呈周期性变化(图 3 、图 4 ),这时认为流场已经收敛,其性能时均值即为对应的定常流值。

2 计算结果分析

  根据风机气动性能测试标准ISO 5801 :

  1997,风机的总压定义为风机进出口截面间静压差与轴向动压差之和。注意:风机出口的旋转动压是不计入风机总压的。由于风机出口处为自由大气,表压为 0 ,所以风机总压的计算公式为

  图5和图6分别为以上两种数值模拟的总压和总压效率预估和试验测试值比较。图中实心方形为试验测试结果(实测值),空心三角形为单通道准定常计算结果,空心圆形为整机非定常计算结果。显然,单通道定常计算预估总压和总压效率要比实测值稍高,整机非定常计算预估的总压和总压效率比实测值稍低,但相差均小,后者结果更好些。如流量为 12000m3/h 时,单通道定常计算预估的总压及其效率分别比实测值高约4.5% 和1.7% ,整机非定常计算预估的总压及其效率分别比实测值低2.5% 和2.4% 。说明以上两种方法均可比较准确地预估对旋轴流通风机的气动性能。

  图7和图8分别为两级叶轮中间截面的静压和动压分布。图中(a)为单通道定常计算结果,(b)为整机非定常计算在某时刻的结果。显然,这两种计算得到的压力分布几乎一致。

3  结束语

  (1)单通道定常流和整机非定常流两种模型预估对旋风机气动性能,在设计工况点附近与试验值符合都很好,说明这两种模型都可用于对旋风机的气动设计。

  (2)总体来看,整机非定常流模型的预估结果更好。由于这两个模型的主要差别是不定常和周期性条件,而对旋风机叶片通道流动有严格的对称性,所以周期性条件引起的计算误差是不大的。这样,整机非定常流模型优越的原因在于它考虑了叶轮相对旋转的相互影响所引起的比较强烈的不定常效应。

  (3)单通道定常流模型的优点是网格数少,内存小,计算时间短。整机非定常流模型的网格是前者的 4 倍多,计算时间为 25 倍,它需要的计算机资源和计算时间比单通道定常流模型大得多。

  (4)建议对旋轴流通风机设计时气动性能预估可优先选择前者,如计算条件许可,当设计方案确定后,最好再用整机非定常流模型预估不同工况下的气动性能,作为最终的也是更为准确的预估计算。但对于对旋风机噪声中很突出的气动离散噪声预估必须选用整机非定常流模型的气动计算结果来获得声源,再作声场分析,得到其噪声预估值。

参 考 文 献

[1]李秋实,陆亚钧,李玲.对旋轴流风机的稳态流场数值模拟[J].北京航空航天大学学报,2002a, 28(5):528-531.
[2]李秋实,陆亚钧,李玲.对旋轴流风机非定常流场数值模拟[J].北京航空航天大学学报,2002b, 28(6):605-608.
[3]王德军,周惠忠,黄志勇.对旋式轴流泵叶轮水力性能的研究[J].核动力工程,2004(1):59-63.
[4]周忠宁,李意民,左公政.矿用对旋轴流风机小流量工况下内部流动数值模拟[J].煤矿机械, 2005(12): 60-62.
[5]王军,肖朋.变工况下对旋风机的数值模拟实验[J].华中科技大学学报,2006,34(9):81-84.
[6]王涛,陈庆光,张永超,等.基于三维全流场数值模拟的对旋风机研究[J].矿山机械, 2007(3):40-41.

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  评论人:Bradley   打分:85 分  发表时间:2015-8-10 23:38:46
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  评论人:moncler   打分:0 分  发表时间:2014-10-28 20:47:49
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