摘要： 運用計算流體力學(xué)軟件 Fluent 對多翼離心通風(fēng)機進行了全三維的內(nèi)部流場數(shù)值模擬。計算采用了 SIMPLEC 算法和標(biāo)準(zhǔn)的 k －ε湍流模型，并對數(shù)值模擬的結(jié)果進行了分析。計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比表明數(shù)值模擬具有較好的準(zhǔn)確性和可信度，同時，數(shù)值模擬結(jié)果有助于了解多翼離心通風(fēng)機內(nèi)部流動規(guī)律，可為多翼離心通風(fēng)機的改進設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞： 多翼離心通風(fēng)機；內(nèi)部流場；數(shù)值模擬

中圖分類號： TH43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

文章編號： 1006-8155 （ 2008 ） 03-0013-04

Numerical Simulation of Internal Flow Field in Multi-blade Centrifugal Fans

Abstract: The software of CFD Fluent is applied in 3-D numerical simulation of internal flow field in multi-blade fans. The method of SIMPLEC and standard k - e turbulent model are applied in the computation and the numerical simulation results are analyzed. The comparison between numerical simulation results and experimental results demonstrates the better accuracy and reliability of the numerical simulation. In the meantime, the numerical simulation results are very useful for understanding the internal flow pattern in multi-blade centrifugal fans. Besides, it can also give references for improving design of multi-blade centrifugal fans.

Key words : multi-blade centrifugal fan; internal flow field; numerical simulation

0 引言

　　近年來，隨著計算機軟硬件水平和計算流體力學(xué)（ CFD ）技術(shù)的飛速發(fā)展，更多的湍流模型和計算方法應(yīng)用于風(fēng)機內(nèi)部的三維流動計算中，使人們對風(fēng)機內(nèi)部流場有了更深入地了解；而大型商用 CFD 軟件的出現(xiàn)給風(fēng)機的數(shù)值模擬又帶來了更大的便利，使用該軟件對風(fēng)機內(nèi)部流場進行全三維的數(shù)值模擬，其結(jié)果更加真實可信。

　　多翼離心通風(fēng)機以其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊和低噪聲等優(yōu)點在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，并在很多特殊使用場合下被公認(rèn)為是一種最理想的風(fēng)源設(shè)備。為此，本文針對某型吸油煙機（吸油煙機的主體部件就是多翼離心通風(fēng)機）采用 Fluent 軟件進行全三維的數(shù)值模擬，并對模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比，吻合較好，同時對流場進行了分析。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分

　　采用 Fluent 軟件的前處理軟件 Gambit 進行幾何建模和網(wǎng)格劃分。吸油煙機主要由多翼離心葉輪、蝸殼和機殼組成，由于蝸殼的不對稱性，不能通過定義周期性邊界條件實施單通道流域計算，應(yīng)取整機作為計算對象 [1] ，同時考慮到吸油煙機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及煙機各個部件尺寸的不同，因此將整個計算域分成 4 個互相連接的流體區(qū)域：機殼區(qū)域（機殼和蝸殼之間的流道）、葉輪進口區(qū)域（進風(fēng)圈與葉輪之間的流道）、葉輪區(qū)域（ 60 個前向的單圓弧非扭曲葉片之間的流道）和蝸殼區(qū)域（葉輪和蝸殼之間的流道）。

　　對以上 4 個流體區(qū)域的連接面，有兩種處理方法：一種方法是將連接面定義為內(nèi)邊界 (interior) ，此時就要在幾何建模階段使這個面相鄰的兩個區(qū)域共用這個面；另一種方法是將連接面定義為交界面 (interface) ，此時在幾何建模階段，對這個面相鄰的兩個區(qū)域分別定義一個面，而這兩個面的幾何位置和形狀是相同的，但擁有不同的名稱和標(biāo)記，并可采用不同的網(wǎng)格類型。采用第一種方法，在計算中不需要進行任何處理；若采用第二種方法，則在計算中需要通過 Fluent 中的 Define/Grid interface 來實現(xiàn)這兩個面的數(shù)據(jù)交換 [2] 。

　　劃分網(wǎng)格時，根據(jù)各個流體區(qū)域的大小采用不同類型、不同大小的網(wǎng)格（非結(jié)構(gòu)化的三棱體和四面體網(wǎng)格），整個計算域一共劃分了約 70 萬個網(wǎng)格，如圖 1 所示。

1.2 計算參數(shù)設(shè)定及邊界處理

　　考慮到所計算的煙機進出口溫度變化不大，同時流速也不高，因此把流動區(qū)域的介質(zhì)看作不可壓縮氣體，采用 SIMPLEC 算法求解速度和壓力的耦合問題。
　　 多翼離心通風(fēng)機的內(nèi)部流態(tài)是湍流，在計算中采用標(biāo)準(zhǔn)的 k- ε湍流模型，對近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法進行處理。也有文獻(xiàn)模擬離心通風(fēng)機內(nèi)部流場時用的湍流模型是 RNG k-ε模型[1]和realizable k-ε模型[3] 。
　 進出、口邊界條件均選定為壓力邊界條件，固壁邊界滿足無滑移條件。
　　 另外，由于多翼離心通風(fēng)機是旋轉(zhuǎn)機械，其中葉輪區(qū)域是旋轉(zhuǎn)的，而其它部分是靜止的，因此在計算中要采用多重參照系，葉輪區(qū)域作為獨立的區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)參照系，其它流動區(qū)域均為靜止的。

2 數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

　　計算中在采用標(biāo)準(zhǔn) k- ε湍流模型的同時，也分別采用 RNG k- ε模型和 realizable k- ε模型進行了計算，并把計算所得的風(fēng)機的最大流量和截止風(fēng)壓（簡稱風(fēng)壓）與試驗測量的數(shù)值進行了對比，見表 1 。

表 1 數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果對比

流量 /(m3 /min)

風(fēng)壓 /Pa

標(biāo)準(zhǔn) k- ε模型

15.47

256

RNG k- ε模型

15.53

260

realizable k- ε模型

15.51

259

試 驗

14.83

252

　　從表1中看出，采用的3種 k- ε湍流模型所得到的結(jié)果極為接近，并且與試驗結(jié)果也比較吻合，這說明數(shù)值模擬的結(jié)果是合理的，計算方法是可靠的，同時也說明這3種k- ε模型在計算風(fēng)機內(nèi)部流場的結(jié)果是可信的。

　　從表1中同樣看出，數(shù)值結(jié)果比試驗測量結(jié)果偏大，這主要是由于在建模階段對煙機的部分區(qū)域進行了簡化處理，導(dǎo)致摩擦損失、輪阻損失和泄漏損失比試驗測量結(jié)果偏小的緣故 [4,5] 。

3 流場分析

　　圖2是風(fēng)機的整機流線圖，從圖中可看出，風(fēng)機內(nèi)部的流場非常復(fù)雜，尤其是在風(fēng)機葉輪的進口處。氣流從進氣口進入機殼后，大部分直接進入到旋轉(zhuǎn)的葉輪中得到加速，而其余的部分則通過蝸殼和機殼之間的區(qū)域流入葉輪中，從而在葉輪上方形成了兩個漩渦，這些漩渦的存在不僅影響了風(fēng)機的氣動性能（如流量、壓力等），而且會帶來一些噪聲的增加，因此風(fēng)機進氣條件的好壞對這些漩渦的產(chǎn)生發(fā)展有著直接的影響，從而影響著風(fēng)機的性能。

　　圖 3 和圖 4 給出了風(fēng)機葉輪截面的壓力分布，從圖中看出，在靠近蝸殼出口處的葉輪通道內(nèi)的壓力分布與其它部分的葉輪通道內(nèi)的壓力分布的明顯不同。從總壓分布圖上來看，越靠近葉輪外緣的地方壓力越高。

　　圖 5 和圖 6 給出了風(fēng)機葉輪截面的速度分布。就整個葉輪的速度分布情況來看，它與總壓的分布十分類似，也說明了在靠近風(fēng)機蝸殼出口處的葉輪通道與其它葉輪通道速度分布的明顯不同。速度和壓力在各個葉輪通道分布的不同也正好說明了在計算時，不能采用通過定義周期性邊界條件實施的單通道流域計算的方法，而要進行整機的計算。從速度分布中同樣可以看出，氣流在葉輪外緣處的速度比較大，而且氣流在蝸殼內(nèi)的速度分布，除了在靠近蝸殼出口處分布明顯不均外，其余部分的分布情況差別不是很明顯。

華北制藥股份有限公司4個循環(huán)水工程共有冷卻塔風(fēng)機16臺，其中L85A型3臺，LF60型3臺，LF47型10臺，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。其每小時循環(huán)水冷卻處理量19100噸，占公司總用水量的96.5%。作為大型化工制藥企業(yè)，循環(huán)水用量大，水溫要求低。這就決定了冷卻塔風(fēng)機作為循環(huán)水工程中的關(guān)鍵設(shè)備必須長時間安全連續(xù)運行。因此，也就要求必須做好冷卻塔風(fēng)機的維護與檢修工作。經(jīng)過對循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機15年的使用與維護，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)形成了一套比較有效的維護與檢修方案。

1、減速機的維護與檢修

減速機的主要部件是錐齒輪、傘齒輪、斜齒輪及滾動軸承。在負(fù)荷的長期作用下，齒輪常發(fā)生的失效形式是輪齒工作面磨損和點蝕。齒輪出現(xiàn)磨損或點蝕后，運動精度降低，噪音和振動增大。如果點蝕尺寸大，蝕坑往往成為疲勞源，最終導(dǎo)致輪齒疲勞斷裂。因此每年要對齒輪接觸精度和點蝕情況進行檢查。接觸精度的要求見表1。點蝕坑的尺寸長度不超過齒長的1/3和齒高的1/2。滾動軸承正常的失效形式是滾動體或內(nèi)外圈滾道上的點蝕破壞。當(dāng)點蝕破壞發(fā)生以后減速機會出現(xiàn)比較強烈的振動、噪聲和發(fā)熱現(xiàn)象。由于滾動軸承不宜經(jīng)常拆卸，并且受到結(jié)構(gòu)和安裝位置所限，對滾動軸承直接檢查比較困難。在停機后盤車，用聽音棒貼住軸承函，仔細(xì)聽軸承轉(zhuǎn)動的聲音，正常軸承轉(zhuǎn)動的聲音應(yīng)是清脆、連續(xù)、均勻的。如果聲音沉悶、斷續(xù)、發(fā)卡說明軸承可能存在缺陷，要拆下進一步檢查，確定失效后更換。此外，使用優(yōu)質(zhì)的潤滑油并加入適當(dāng)添加劑有助于延長齒輪、軸承的使用壽命。我公司定期對潤滑油的粘度、酸值、機械雜質(zhì)等重要指標(biāo)進行化驗，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)及時更換。并且在L85A 型、LF60型風(fēng)機減速機中加入了亞米加904潤滑油添加劑，此兩種風(fēng)機齒輪、軸承的設(shè)計壽命為50000小時，自1997年使用至今已連續(xù)運行60000余小時，歷次檢查齒輪、軸承都完好。

表1 風(fēng)機減速機齒輪接觸精度要求 名稱按高度按長度側(cè)隙范圍斜齒輪不小于60%不小于60%—70%0.12-0.22mm錐齒輪不小于60%不小于70%0.15-0.35mm2、聯(lián)軸器維護與檢修

聯(lián)軸器直接關(guān)系到風(fēng)機運行的平穩(wěn)程度。我公司LF47型、L85A 型、LF60型三種類型的冷卻塔風(fēng)機分別使用了，彈性圈柱銷聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器、膜片聯(lián)軸器。這三種聯(lián)軸器都起著傳遞扭矩和緩沖減振的作用。其中，彈性圈柱銷聯(lián)軸器的橡膠彈性圈、彈性柱銷聯(lián)軸器橡膠接頭、膜片聯(lián)軸器的彈性膜片都是彈性元件，可以補償軸線的相對位移。由于受到多次啟動沖擊，長期的振動磨損以及腐蝕、老化的影響，彈性元件會失效。因此，每年必須定期間檢查。如果橡膠元件出現(xiàn)老化、磨損，彈性膜片出現(xiàn)倒伏或缺損都要及時更換。另外，在安裝或檢修時，為減小聯(lián)軸器不對中的影響，兩半聯(lián)軸器的同軸度誤差不超過0.1mm。

3、扇葉與風(fēng)筒的檢查與調(diào)整

扇葉與風(fēng)筒一般都是玻璃鋼材料制作。起抽風(fēng)、導(dǎo)流作用。由于扇葉由輪轂中的夾塊夾持，經(jīng)過長時間運轉(zhuǎn)扇葉可能會圍繞中心轉(zhuǎn)動，影響平衡引起振動。為此，每年必須要檢查、調(diào)整扇葉角度。對扇葉的具體要求見表2。所有扇葉傾角允差不大于0.5°。為了提高風(fēng)機的效率，扇葉與風(fēng)筒間保持很小的間隙。由于風(fēng)筒是玻璃鋼材質(zhì)剛度較差容易變形，所以大型風(fēng)機的風(fēng)筒除了肋筋還有拉筋，控制和調(diào)整風(fēng)筒的圓度。經(jīng)過長期運行，由于風(fēng)筒螺栓和拉筋螺栓松動，拉筋磨損、折斷，會引起風(fēng)筒變形，變形嚴(yán)重時，扇葉會蹭到風(fēng)筒，劇烈摩擦?xí)�使扇葉和風(fēng)筒嚴(yán)重磨損，甚至折斷扇葉。因此必須定期檢查、調(diào)整風(fēng)筒的圓度誤差及扇葉與風(fēng)筒間隙。根據(jù)不同的間隙要求，圓度誤差控制在3~5mm。扇葉與風(fēng)筒間隙要求見表3。另外，要定期檢查風(fēng)筒拉筋，當(dāng)銹蝕磨損達(dá)到直徑或壁厚的1/3時更換。

表4 扇葉角度 型號LF-47LF-60L-85A角度°8.5±0.512±0.519±0.5表3 扇葉與風(fēng)筒間隙 型號LF-47LF-60LF-85A間隙mm9-198-3020-354、潤滑油工程的監(jiān)測與維護

潤滑油是風(fēng)機的“血液”，存在于減速機、油管、油視鏡內(nèi)。潤滑油泄漏減速機齒輪將有燒毀的危險。油管一般細(xì)而長容易折斷，為此，每年至少要檢查一次油管，當(dāng)油管有裂口或壁厚減薄1mm時要更換油管。如果減速機使用的是骨架橡膠密封每年要更換一次，如果使用的是機械密封每年要檢查摩擦副的磨損情況，有損壞要更換。風(fēng)機運行時，由于揮發(fā)和滲漏潤滑油會不斷減少，要定時通過油視鏡檢查油位，當(dāng)油位低于減速機1/2時要及時補充潤滑油，如果潤滑油油位下降過快，要停機檢修。此外，減速機箱應(yīng)安裝溫度傳感器，在快速漏油未被及時發(fā)現(xiàn)時，減速機箱溫度急速上升，應(yīng)立刻停機，保護減速機內(nèi)齒輪和軸承。1999年7月一臺LF47型風(fēng)機，由于未更換壁厚減薄油管，運行中油管斷裂并且未能及時發(fā)現(xiàn)，致使減速機齒輪燒毀。直接損失近3萬元，并且還影響循環(huán)水工程的運行�？梢姡瑢�冷卻塔風(fēng)機潤滑油工程監(jiān)測與維護十分必要。

5、振動的監(jiān)測

冷卻塔風(fēng)機是旋轉(zhuǎn)設(shè)備。由于聯(lián)軸器同軸度增大，旋轉(zhuǎn)部件平衡狀態(tài)劣化，基礎(chǔ)強度降低，零部件磨損等原因冷卻塔風(fēng)機的振動烈度會發(fā)生變化。根據(jù)IS02372《旋轉(zhuǎn)機械的振動烈度標(biāo)準(zhǔn)》和廠家提供的有關(guān)資料，振動速度長期運行不超過6.3mm/s，最大不超過10mm/s。大烈度的振動會使機組的連接螺栓松動，狀況劣化甚至造成零部件失效。2000年10月一臺LF60型風(fēng)機，由于缺乏對振動的監(jiān)測，經(jīng)過長時間振動，地腳螺栓松動，風(fēng)機發(fā)生位移，葉片與風(fēng)筒摩擦造成葉片與風(fēng)筒損傷，同時油管被拉斷，由于停機及時才沒有造成更大損失。因此，必須對風(fēng)機的振動進行監(jiān)測。當(dāng)振動值超過標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)針對原因進行檢修。另外，所有的螺栓、螺母應(yīng)有止退措施盡量避免因振動引起螺栓松動發(fā)生事故。

6、腐蝕的監(jiān)測與處理

冷卻塔軸流風(fēng)機都是在室外大氣中工作的。如圖1所示，水汽沿風(fēng)機扇葉軸向自下而上流動。風(fēng)機的傳動軸、輪轂、支座以及冷卻塔的鋼結(jié)構(gòu)大都是碳鋼材料，長期與水汽接觸，工作環(huán)境潮濕。大氣中含二氧化碳、二氧化硫等氣體與水汽結(jié)合，形成酸性電解液，發(fā)生吸氧腐蝕。當(dāng)溶液的酸性很大時，也可能有氫離子的還原反應(yīng)，發(fā)生析氫腐蝕。同時生成紅棕色的三氧化二鐵和綠色的含水四氧化三鐵以及黑色的無水四氧化三鐵。這種腐蝕在華北地區(qū)十分嚴(yán)重。傳動軸受較大扭矩，受到腐蝕后，截面積減小抗扭轉(zhuǎn)強度下降，極易發(fā)生扭斷事故。支座和鋼結(jié)構(gòu)承受交變載荷以及重力的作用，受到腐蝕后，截面積減小剛度下降，致使風(fēng)機振動加�。划�(dāng)強度下降到一定程度后，風(fēng)機、風(fēng)筒還有傾斜的危險。另外，輪轂腐蝕后會發(fā)生質(zhì)心變化引起不平衡振動。2000年1月一臺LF47型風(fēng)機，其傳動軸是空心軸。由于腐蝕嚴(yán)重和材質(zhì)不均，空心軸壁局部減薄到0.3mm，啟動時，在啟動扭矩作用下發(fā)生扭斷，斷軸飛起將葉片打斷，造成很大損失。因此，對腐蝕的監(jiān)測與處理是十分必要的。首先，在材質(zhì)選擇上盡量選擇不銹鋼材料這樣可以減小腐蝕的影響；其次，要定期檢測鋼鐵材料的壁厚，校核剛度、強度，達(dá)不到要求時及時加固或更換；再次，對于碳鋼表面必須定期做徹底防腐處理。通過以上措施將會大大降低腐蝕的影響。

近年來通過由于著重落實了以上幾個方面的維護與檢修，風(fēng)機的完好率達(dá)到100%，確保了循環(huán)水工程的安全高效運行。經(jīng)濟和社會效益顯著。

出處：中國論文下載中心

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