鼓风机内部流场仿真

1 引言

鼓风机是一种常见的叶轮机械,在现代工业中应用广泛。鼓风机的性能取决于风机的整体设计,尤其是风机叶片的设计。传统的鼓风机的设计方法通常采用设计→样机性能试验检测→制造的过程,样品的制造和试验要经过多次,设计也要重复多次,浪费了大量的人力、物力和时间。采用计算流体力学的方法对鼓风机内部流场进行仿真、优化,比较不同设计的增压效果,能够有效的降低实验成本,提高设计效率。

2 鼓风机的CFD仿真

2.1 物理模型及网格处理

本次使用二维鼓风机模型对旋转机械内部流场的仿真方法进行简单的展示,其它的形式类似的旋转机械如泵,可采用相同的仿真方法,本次进行二维流场仿真的离心鼓风机还有32个叶片,每一个叶片的弦长为13.5mm,叶片前缘距离中心位置大约56.5mm。外壁面的半径以指数形式从80mm增加到146.5mm。进口处总压设置为200Pa,然后出口流入环境(静压为0Pa)。所有的叶片都以261rad/s角速度进行旋转。

图1 离心鼓风机网格视图

在建立物理模型时,整个鼓风机的模型划分为三个区域,鼓风机的叶片区域、叶片内部流场区域和叶片外部流场区域。由于鼓风机的叶片流场区域速度变化比较大,宜对叶片周围的计算网格进行网格加密处理。

2.2 数学模型

湍流模型采用k-ε模型进行计算,设定介质为空气,由于在鼓风机的内部空气流速较低,气速一般不超过0.3Ma,所以认为鼓风机内部的空气不可压缩。因此仿真过程中用到的质量守恒方程、动量守恒方程、湍流动能方程k方程和扩散方程e方程分别如式(1)、(2)、(3)、(4)所示。其中Gk和Gb分别表示由平均的速度梯度以及浮力作用产生的湍流动能;YM表示可压缩湍流产生的脉动程度对于整体的耗散率的作用;Rε反应流体易变形的程度的影响;Sk和Sε分别是自定义源项;μt,k为液相湍流的黏度。其它为常数,其值为:G1ε=1.42;G2ε=1.68;G3ε=1.3; Gμ=0.0845; σk=1.0;σε=1.3。

2.3 其它求解条件设置

本次仿真含有一块动区域,两块静区域,流场仿真采用的是MRF模型,在Cell Zone选项中设置叶片区域为旋转动区域,旋转的圆心为(0,0),旋转的角速度为261rad/s,其它两片区域设置为静止区域。

在边界条件中,叶片区域内外两侧边界被默认设置为wall,但由于叶片区域位于鼓风机内部,需要在Fluent中将其边界条件修改为interior;同时鼓风机的叶片位于旋转区域的内部,需要将其壁面设置为运动壁面,在设置过程中选择Ralative to Adjacent Cell Zone,设置相对速度为0 Rad/s,这样内部的叶片就可以跟随运动区域转动。设置计算方法为SIMPLE,压力、动量、湍动能、湍流耗散率均选择二阶迎风算法保证计算的精度。

3 仿真结果

通过仿真的方法获得鼓风机内的速度云图,速度矢量图和压力云图。图2和图3分别为鼓风机内的速度云图和速度矢量图。从速度云图中可以看出,叶片内部气速比较小,空气到达旋转叶片并被加速后,在与出口相切的叶片处速度达到最高,大约为64.4m/s。

图2 速度云图

图3 速度矢量图

图4为鼓风机内部的总压力图。从图中在叶片内部的区域压力为进口压力200Pa,之后经过叶片加速之后总压增大,在于出口相切的叶片处总压达到最大,此时总压的大小为1190Pa。

图4 总压云图

图5为鼓风机内部的静压云图。从图中可以看出,鼓风机内部的叶片处存在低压区,这是因为这部分区域速度比较大,所以静压比较小,而之后由于鼓风机的出口处流道不断扩大,在流量守恒的情况下,速度减小,在出口处的静压不断升高。静压最高的地方是在鼓风机的蜗壳附近,这是由于鼓风机的蜗壳附近采用无滑移的壁面条件,此处流体的速度几乎为0,在总压相近的情形下,此处的静压最大。

图5 静压云图

4 结论

本文建立了某鼓风机的二维模型,采用k-ε湍流模型和MRF方法对旋转叶片进行了流场数值仿真处理,仿真结果显示经过鼓风机的叶片加速后内部流体在叶片与出口相切的地方达到最大,最大速度为64.4m/s,总压云图和静压云图与理论分析一致,由此说明了CFD方法用于鼓风机设计的有效性。

参考文献: