对旋轴流通风机内部流动的数值模拟

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1、对旋轴流通风机内部流动的数值模拟胡桂荣李意民邵卫/中国矿业大学摘要：以CFD理论为依据，借助Fluent软件对对旋轴流通风机内部流场进行了三维数值模拟，分析了在不同工况下其内部的流动情况，研究了风机流量对两级叶轮之间流场的特性的影响。关键词：对旋轴流通风机；数值模拟；流场分析中图分类号：TH432.1文献标识码：B文章编号：1006-8155（2008）03-0016-04NumericalSimulationofInternalFlowinCounterRotatingAxial-flowFanAbstract:The3-Dnumericalsimulationofinternalfl

2、owincounterrotatingaxial-flowfaniscarriedoutbasedonCFDtheoryandFluentsoftware.Theinternalflowconditionindifferentoperationsisanalyzedandtheeffectofflowoncharacteristicsofflowfieldbetweenthetwoimpellersisinvestigated.Keywords:axial-flowcounterfan;numericalsimulation;analysisonflowfield41风机内部流场数值模拟

3、理论1.1模型建立[1-2]物理模型：依据试验所提供的对旋风机建立物理模型，风机的所有几何尺寸均由风机实体测得，利用Pro/E软件中投影及混合平面的方法，分别绘制出两级叶轮，一级为8片扭曲机翼型叶片，二级为6片扭曲等厚薄板型叶片。数学模型：经过仔细研究和大量试算，采用了基于雷诺平均法的Realizablek－ε湍流双方程模型来模拟计算此风机的内部流场。其控制方程为[3]1.2区域离散化________________________收稿日期：2007-10-26徐州市221008计算网格借助FLUENT前处理器GAMBIT完成，由于扭曲叶片使得求解区域十分复杂，文中采用了多块非结构网格生

4、成技术，将求解区域划分为进口区、一级叶轮区、级间间隙区、二级叶轮区和出口区5个区域，分别采用非结构网格四面体单元划分，叶片区域和近壁区域局部加密。网格总数154万左右。通过网格质量检查，整体网格的等角偏斜率为0.82614，属于较高质量网格[4].2数值模拟结果及分析[5-7]2.1两级内部流道流动模拟结果及分析图1是试验对旋式轴流通风机不同特征工况（从左到右依次为100％、82％、55％设计流量）内部沿风机转轴方向在有叶片位置流道速度矢量图。图1不同工况下两级内部流道数值模拟结果4当风机偏离设计工况，级间生成漩涡，随着流量的减小，涡流的强度和范围都增大，并逐渐由叶顶向叶根处增加，到了5

5、5％流量的时候，涡流已经完全影响到整个流道，这是由于流量小于设计流量，一级风机的出口速度条件已经不符合设计时，作为二级风机进口速度的要求，使二级进口轴向分速度减小，二级进口气流冲角增大，对二级叶片产生冲击。另外，从设计流量开始，在二级叶顶部位产生泄漏流，并对机壳内壁产生冲击，造成流通面积减小，致使叶顶附近流动紊乱，形成漩涡。这个涡的产生是由于在非设计工况下级间形成一个漩涡，以及小流量下，第一级叶片发生流动分离，从而干扰第二级叶轮内部的正常流动。2.2二级叶轮吸力面上的流动模拟结果及分析图2是对旋风机在设计流量和小流量下，从左往右流量依次减小，二级叶轮吸力面上速度矢量的模拟结果，二级叶轮吸

6、力面的速度比较复杂，在全流量的情况下，在二级叶轮吸力面的叶根处，出现了一股和叶轮流动方向相反的流动，在叶片中部与主流汇合。随着风机流量的减小，这股逆向流动沿着叶宽方向的范围逐渐增大，但是沿叶高方向却逐渐减小。从二级叶片吸力面的流动矢量图还可以看出在叶片顶部处产生流速方向的泄漏流。100％设计流量82％设计流量77％设计流量55％设计流量图2二级叶轮吸力面速度矢量图2.3两级叶轮和级间处机壳内壁流动计算结果由前面对吸力面的分析可知，叶顶的泄漏流存在于设计工况和小流量工况下，只是程度不同。在100％全流量的情况下，在二级叶轮的前缘进口处，已经出现了和主流方向相反的流动，并且速度值较大，在无叶

7、片的机壳内壁处生成漩涡，当流量逐步降低时，逆流的范围逐渐扩大，漩涡的范围也逐渐变大，并向内壁发展。在流量为55％时，回流及生成的漩涡已经发展到整个级间宽度，恶化了级间流场，并进一步破坏了二级叶片的进口条件，加剧了叶顶泄漏流和泄流涡的生成。100％设计流量82％设计流量55％设计流量图3两级叶轮处机壳内壁流场模拟结果2.4二级叶轮间湍流强度的计算结果及分析图4是不同工况下，二级叶轮间湍流强度的计算结果。百分数表示所取的横截面与一级叶轮