1、摘要：采用CFD數(shù)值模擬方法研究了不同結(jié)構(gòu)形式集流器對大型軸流式風(fēng)機(jī)性能的影響。計(jì)算得到了風(fēng)機(jī)壓升和效率隨流量變化的性能曲線，對比分析了不同結(jié)構(gòu)形式集流器對風(fēng)機(jī)性能影響的原因，為合理設(shè)計(jì)與選擇集流器形式改善風(fēng)機(jī)性能提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：軸流式風(fēng)機(jī)；集流器；性能中圖分類號：TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BResearch on the Effect of Collector Forms on the Performance of Axial Flow FanAbstract：The influence of couectors with different structure forms on la

2、rge type axial flow fan performance was studied by using CFD numerical simulation method. The performance curve of fan pressure rise and efficiency changeable with flow was calculated and obtained. The effects of different collector forms on fan performance were compared and analyzed, it provided th

3、e gist for well design and reasonable choose for improving the performance of axial flow fan.Key words: axial flow fan; collector; performance0 引言集流器是風(fēng)機(jī)的重要輔助部件，與流線罩一起組成漸縮形流道，使氣流在此加速，在風(fēng)機(jī)的進(jìn)口前建立起均勻的速度場和壓力場，以降低流動損失提高風(fēng)機(jī)效率。集流器中氣體流速不大，管長比較短，本身流動損失不大1 ，一般情況下可以滿足進(jìn)口條件的均勻流場并保證效率。集流器形式會影響風(fēng)機(jī)性能，設(shè)計(jì)良好的集流器流動損失較

4、小，而設(shè)計(jì)不合理會使進(jìn)口條件惡化，導(dǎo)致性能2下降。目前對于集流器的研究主要集中在試驗(yàn)分析3小型軸流式風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬4-8 ，而對于大型風(fēng)機(jī)研究不多。本文以某大型軸流式風(fēng)機(jī)為例，改變集流器形式在整機(jī)條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析不同形式集流器對風(fēng)機(jī)性能影響的原因。風(fēng)機(jī)集流器最常用的有三種形式：圓筒形、圓錐形和圓弧形。在集流器出口截面面積相同的條件下，采用與圓弧形相同的曲率設(shè)計(jì)了噴嘴形。四種形式集流器形狀見圖1。1 計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算1.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分計(jì)算模型采用的某大型軸流風(fēng)機(jī)由集流器、流線罩、葉輪、后導(dǎo)葉、擴(kuò)散筒等組成。該風(fēng)機(jī)的軸流級由動葉片和后導(dǎo)流葉片組成，葉輪進(jìn)口前方安裝了

5、支撐架結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型見圖2。氣流由集流器進(jìn)入，通過流線罩和前支架進(jìn)入葉輪，獲得能量后由擴(kuò)散筒流出。風(fēng)機(jī)基本參數(shù)見表1。整個(gè)計(jì)算域從集流器進(jìn)口到擴(kuò)散段出口，并在其后延長了一段距離。通過計(jì)算確定延長兩個(gè)風(fēng)機(jī)長度可以保證沒有回流，使計(jì)算出口處流動達(dá)到穩(wěn)定。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且葉片形狀不規(guī)則，生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難，相反非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適應(yīng)能力強(qiáng)，在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)有利于網(wǎng)格的自適應(yīng)。計(jì)算選用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流場區(qū)域采用HyperMesh生成面網(wǎng)格，由T-Grid生成體網(wǎng)格，建立網(wǎng)格模型。在流動狀態(tài)復(fù)雜部位、葉頂間隙與葉片尖部進(jìn)行了網(wǎng)格加密，整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為進(jìn)口段、葉輪段和出口段，其中葉輪區(qū)域?yàn)閯訁^(qū)域，進(jìn)

6、口和出口兩段為靜止區(qū)域。計(jì)算網(wǎng)格面網(wǎng)格數(shù)為120萬，體網(wǎng)格數(shù)在1 600萬左右。近壁區(qū)域邊界層劃分了5層，總厚度在15mm左右，壁面網(wǎng)格分布的Y+值在10200范圍內(nèi)。1.2 數(shù)值求解方法流動計(jì)算采用FLUENT軟件，選擇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的不同流量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)口流量分別取為80%、90%、100%、110%的設(shè)計(jì)流量。旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止部件之間流動采用多參考坐標(biāo)系法(MRF)耦合。動靜子區(qū)域交界面設(shè)為interior，在此處交換慣性坐標(biāo)下的流動參數(shù)，保證界面參數(shù)的連續(xù)性。計(jì)算域進(jìn)出口氣流方向均為軸向，進(jìn)口給定質(zhì)量流量進(jìn)口，出口設(shè)為壓力邊界條件，定義出口壓力相對大氣壓力為0。葉輪和機(jī)殼與流體接觸區(qū)域的固體

7、壁面采用無滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，忽略重力。設(shè)定湍流模型為Realizable k-epsilon，進(jìn)、出口的湍流度和湍流粘度比分別為1%和10。計(jì)算采用隱式分離、SIMPLE壓力速度耦合方法進(jìn)行，計(jì)算時(shí)先用一階迎風(fēng)格式得到初值，然后改用二階迎風(fēng)格式得到更高精度的解。計(jì)算在512核刀片服務(wù)器上進(jìn)行，使用了24核CPU并行計(jì)算，計(jì)算全部完成時(shí)間大約為300h。整個(gè)迭代過程監(jiān)控控制方程殘差和風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口面流量差與總壓差的變化，達(dá)到數(shù)值收斂和物理收斂后停止計(jì)算。2 計(jì)算結(jié)果對比與分析2.1 風(fēng)機(jī)壓升隨流量變化比較風(fēng)機(jī)整體性能參數(shù)選取壓升和效率進(jìn)行對比分析。此處壓升主要考慮風(fēng)機(jī)進(jìn)出口截

8、面上的靜壓之差即靜壓升和全壓之差即總壓升，壓升代表了單位體積氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)所獲得的能量。圖3給出了風(fēng)機(jī)靜壓升隨進(jìn)口流量變化曲線。由圖可以看出，圓筒形和噴嘴形靜壓升差距較大，在設(shè)計(jì)點(diǎn)處大約相差15%，這是由于圓筒形形狀規(guī)則靜壓損失較小，噴嘴形氣流紊亂，損失較大。圓弧形和圓錐形靜壓升非常接近，這兩種形式的形狀特點(diǎn)決定了其損失比圓筒形大但比噴嘴形損失小，所以處于中間位置。圖4給出了總壓升隨進(jìn)口流量變化曲線，前三種形式的集流器總壓升差距不是很大，而采用噴嘴形集流器時(shí)總壓升明顯下降，在設(shè)計(jì)點(diǎn)位置大約下降10%。為了分析總壓升變化差距的原因，在圖5中給出了集流器出口總壓沿徑向分布曲線。從圖中可以看出，從流線

9、罩到機(jī)殼外壁的半徑方向上，圓弧形、圓錐形和圓筒形在近流線罩一側(cè)總壓接近，只有在靠近機(jī)殼外壁附近由于收縮段的影響總壓依次下降，但是總的積分值差距不會很大。噴嘴形集流器在徑向總壓變化幅度很大，造成該截面上積分值比前三種減小使總壓損失增大。2.2 風(fēng)機(jī)總壓效率隨流量變化比較總壓效率即全壓有效功率與內(nèi)功率之比，它表征了風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動過程的好壞，是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。圖6給出了風(fēng)機(jī)總壓效率曲線。由效率分布曲線可以看出，前三種形式的集流器在各工況下比較接近，但仍然可以看出圓弧形要比圓錐形好一些，圓筒形效率更低一些。采用噴嘴形時(shí)效率下降幅度較大，造成性能變差。為分析效率差距的原因，在圖7中給出了集流器出口速度

10、沿徑向分布。從圖中可以看出從流線罩到機(jī)殼外壁的半徑方向上，圓弧形、圓錐形在近流線罩側(cè)速度基本一致，而在近機(jī)殼外壁側(cè)由于收縮段的影響速度增大；圓筒形在近流線罩一側(cè)速度值稍大，在近機(jī)殼外壁側(cè)沒有增大直接下降為零；噴嘴形在近流線罩側(cè)與圓筒形類似，但是在靠近機(jī)殼外壁附近，由于收縮擴(kuò)張管道的影響使速度分布跳動很大，流動損失較大從而使效率最低。為進(jìn)一步分析集流器出口截面速度分布狀況，引入速度分布不均勻度來進(jìn)行比較。截面上速度分布不均勻度定義為該截面上所有點(diǎn)速度均方根值與平均值之比，即應(yīng)用上式分別計(jì)算集流器出口處速度不均勻度數(shù)值見表2。由表中可以看出前三種形式速度不均勻度差距不大，而噴嘴形速度不均勻度數(shù)值明

11、顯增大，說明噴嘴形集流器使氣流不平穩(wěn)，造成流動損失最大。對于總壓效率變化的比較還可以從子午面內(nèi)速度分布來分析。圖8給出了集流器在子午截面內(nèi)的速度等高線圖，因?yàn)閷ΨQ性只截取了一半的圖形，上側(cè)為風(fēng)機(jī)機(jī)殼壁面，下側(cè)為流線罩壁面。由圖可以看出速度分布總趨勢為在流道中央速度低，近壁面區(qū)域速度高。對不同集流器形式而言，圓弧形分布最均勻速度梯度變化不大，圓筒形和圓錐形其次，噴嘴形最差，這也與速度不均勻度值相符。其中噴嘴形在近壁面處速度梯度很大，并在集流器與機(jī)殼連接拐角處有較大的流動損失，從而使其效率最低。3 結(jié)論集流器形式對風(fēng)機(jī)整機(jī)性能有影響。常用的圓弧形、圓錐形和圓筒形三種形式對于壓升影響差別不是很大，總

12、壓效率大體上以圓弧形最高，圓錐形其次，圓筒形最差。而本例所采用的噴嘴形則在壓升和總壓效率兩個(gè)方面大幅下降，通過分析集流器出口截面總壓、速度徑向分布以及速度不均勻度幾個(gè)方面可以發(fā)現(xiàn)造成該種形式總壓效率下降的一些原因。參 考 文 獻(xiàn)1 汪義玲,劉懷耀. 集流器和進(jìn)氣箱的改進(jìn)J. 風(fēng)機(jī)技術(shù)，2007(2):39-40.2 梁亞勛,李景銀,田華軸. 流風(fēng)機(jī)靜止部件的流動和損失對比J.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008, 42(3): 269-272.3 錢建美,朱正林. 集流器對軸流風(fēng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究J. 能源利用與研究，2003(5):24-25.4 丁偉,靳軍,南向誼. 集流器對后置導(dǎo)葉式軸流通風(fēng)機(jī)性能的影響J. 風(fēng)機(jī)技術(shù)，2007(3):16-18.5 莊鎮(zhèn)榮. 集流器對前向多翼離心通風(fēng)機(jī)氣動性能的影響分析J. 風(fēng)機(jī)技術(shù)，2002(3):14-15.6 王嘉冰,區(qū)穎達(dá).