机车用轴流式风机内三维流场数值研究

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1、第五届中国CAE工程分析技术年会论文集机车用轴流式风机内三维流场数值研究杜礼明‘刘红27,1、丽萍1张军1(1大连交通人学交通运输T程学院，大连116028；2大连理工大学能源与动力学院，大连116023)摘要：对带有前后导叶的复杂轴流风机内部的流动特性进行了三维数值模拟，基于RIqG湍流模型及MRF模型模拟风机的旋转流动，将其性能与测试实验数值进行了对比，发现数值模拟结果与测试结果吻合较好．对不同气流量及不同转速风机进行数值模拟表明，在叶片转速不变的情况下，随着气体流量的增加，叶片的气动压力增

2、加，功率增大，同时风机效率提高；在气体流量保持不变时，随着叶片转速的增加，叶片的气动压力增加，功率增大；当风机出口存在阻力时，则叶片的气动压力增加，功率增大．关键词：轴流式风机三维流场数值研究上刖舌轴流通风机广泛应用于国民生产各个领域，如火电系统、机车冷却系统、空调系统等。由于风机叶轮结构的复杂性，其内部流场是非常复杂的强旋流场，具有强烈的非线性特征。应用计算流体力学(CFD)的数值分析技术的方法对轴流风机内部流场进行模拟，详细分析风机叶轮与风道的复杂结构内部的流动过程，可以比较真实的体现风机与

3、风道的流动特性n羽，从而为工程实践提供可靠的优化数据。2数学物理模型2．1结构特点本文研究的轴流风机其叶轮为巽型，叶轮外径为860mm，轮毂直径为90mm，设计工况下的安装角为50’，叶片数为17；设置前导叶16片，采用预旋，后导叶27片，一段圆弧加直线段结构。电机额定转速为1760r／min，设计流量为12m3／s。2．2网格生成采用多区网格生成方法，将复杂的几何结构分割成进口导入区、上导叶区、动叶轮区、下导叶区、出风区五部分，欲正确模拟风机系统，需将导入区扩大，扩大范围应能够正确体现进口段整

4、流罩的影响；考虑到出风口的压力损失，需在出风口扩大一定的计算区域，扩大原则是该计算区域的加入不影响计算的准确性。对于结构简单部分可分成结构网格，旋转叶轮部分由于结构复杂，则生成非结构网格。为减少网格数，提高计算速度，划分网格时应用不同的网格尺度，叶轮区网格较密，其它区网格则可以相对略粗一些。具体的网格见图l。总网格数为867900。2．3数值计算方法方程组采用SIMPLE方法，选用RNGk-e湍流模犁来封闭N—S方程。采用的离散方法是有限体积法，由于气流量不大，通过数值试验可知，气体的压缩性对流

5、体的流动特性及压力第五属中目CAEI程分析技术年会论文集分布影响不火，在此简化为不可压缩流体进行分析。应用多重参考系(Multi-ReferenceFrame．IVlRF)法模拟动静之间的耦台。即动叶、轮毂厦周围藏体区为旋转坐标系，动叶及轮毂相对旋转坐标系静止．而上下导叶及风机罩以及周围流体区为固定坐标系，固定坐标系内的壁面条件为静止壁面，旋转坐标系内的壁面为旋转壁面，旋转速度与旋转坐标系转速相同，即其相对于放置坐标系速度为0，MRF是一种稳态算法，将非稳态的旋转运动应用稳态方法进行计算．计算量

6、大大简化，且精度较高。目I风机系统风机拿局日#划分图2．4边界条件进口按风量给定均布的速度入口，出口给定压力出口。3结果与分析3．1模拟结果与实验的对比风机气动压力iqmiQ【T挑】图2R机Qp试验曲线乏空气疏置QlmⅥ图3凤机O-N试验曲线将风机气动压力数值模拟结果与实验测试结果比较如图2所示，由于随着气流量的增加，风机的效率明显增大，在此应用实验测试得到的效率，汁算风机的功率，井与实验铡试功率进行对比，如图3所示，可以看出，风机的气动压力及功率的数值计算结果与实验测试结果均吻合较好。说明数值

7、方法可队用于该条件下对风机的模拟。第t届十嘲CAEI程分忻技术年会论文l3．2流场分析∥X=0054X=OX=Ⅲ031图4十屙高度处叶月区压力分布斟图4是不同高度处旋转叶片区压力分布图，可咀看出，在不同高度处压力分布总体规律一致，即存在压力面和吸力面，在同一高度，流体在旋转叶片区不同叶片间的流动有较大的不对称性．压力分布差异较大，因此，进行全三雏数值模拟是完全有必要的。x较大时，压力面与吸力面间的压差最大，随着x的减小．压力面的压力降低，吸力面的压力升高，两者间的压力差变小。所以从叶片强度角度来

8、看，首先应关注x较大处的叶片强度。黻目舯弘、z鹊崭蒸)

9、膝8隧引㈣速度欠量图从图5可吼看出，在x(x是旋转轴的方向，从进风口至出风口，x逐渐减小)方向不同的位置上，速度趋势基本一致，叶片根部，在压力面．速度炙精指向x负方向，即指向出风口方向，吸力面速度相对压力面要小得多．并在叶片中部有明显的回流：叶片项部，由于空隙的存在，则会山现反向同流现象。吸力面在叶片根部，随着X的减小，压力逐渐增高，涡流强度增强。风机不同转速下的模拟结果表I归纳了风机不同转速下的模拟结果。效率按12m‰时的效率即0556计