流體力學(xué)結(jié)課論文-離心通風(fēng)機(jī)氣體流動(dòng)的流體力學(xué)分析

1、<p>　　離心通風(fēng)機(jī)氣體流動(dòng)的流體力學(xué)分析</p><p>　　摘要:本文從流體力學(xué)的角度進(jìn)行了詳盡的分析研究，介紹了風(fēng)機(jī)的選型對(duì)抽風(fēng)量的影響，探討了管路系統(tǒng)中的摩擦阻力、局部阻力、風(fēng)管直徑大小、彎頭的曲率半徑等對(duì)風(fēng)量風(fēng)壓的影響； 同時(shí)介紹了離心風(fēng)機(jī)特性、 抽風(fēng)系統(tǒng)的管網(wǎng)特性，管網(wǎng)中實(shí)際阻力與風(fēng)機(jī)額定風(fēng)壓及風(fēng)量的關(guān)系；應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT 對(duì)4-73 №10D離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的三維氣體流

2、動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)分析了各個(gè)部分的壓強(qiáng)和速度分布。</p><p>　　關(guān)鍵詞：管網(wǎng)特性；離心式通風(fēng)機(jī)；三維數(shù)值模擬；壓力場(chǎng)；流場(chǎng)</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　由于通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的試驗(yàn)測(cè)量存在許多難，使得數(shù)值模擬成為研究葉輪機(jī)械流場(chǎng)的一種重要手段。隨著計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，流體機(jī)械的內(nèi)部流場(chǎng)

3、研究有了很大的進(jìn)展，從二維、準(zhǔn)三維流動(dòng)發(fā)展到全三維流動(dòng)。Guo和Kim用定常和非定常的三維RANS方法分析了前向離心通風(fēng)機(jī)流動(dòng)情況；Carolus和Stremel通過CFX針對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)處的湍流分析得出壓強(qiáng)和噪聲的關(guān)系；Meakhail 等利用PIV試驗(yàn)方法和CFX模擬相結(jié)合的方法對(duì)葉輪區(qū)域進(jìn)行了分析。但是很多的研究者都是選取某一個(gè)流道或單元作為研究對(duì)象，從而忽略了蝸殼的非對(duì)稱性導(dǎo)致流動(dòng)的非軸對(duì)稱性，或者把實(shí)際風(fēng)機(jī)模型簡(jiǎn)化無法得到真正的內(nèi)

4、部流場(chǎng)。本文運(yùn)用商業(yè)軟件 FLUENT6. 3，對(duì)4-73№10D離心式通風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行定常三維流動(dòng)數(shù)值模擬，捕捉內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象，揭示風(fēng)機(jī)流動(dòng)實(shí)際情況，為風(fēng)機(jī)的進(jìn)一步改進(jìn)，擴(kuò)大運(yùn)行工況提供理論依據(jù)。</p><p>　　2 抽風(fēng)系統(tǒng)的流體力學(xué)分析</p><p>　　2.1 摩擦阻力對(duì)抽風(fēng)量和風(fēng)壓的影響</p><p>　　空氣沿通風(fēng)管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩類阻力

5、，一是由空氣和管壁間的摩擦所造成的摩擦阻力（又稱沿程阻力）；二是空氣經(jīng)過風(fēng)管內(nèi)某些部件（如彎頭、三通、吸風(fēng)罩、蝶閥等）時(shí)發(fā)生方向和速度的變化以及產(chǎn)生渦流等原因而產(chǎn)生的局部阻力。圓形風(fēng)管單位長(zhǎng)度的摩擦阻力可按下式計(jì)算：</p><p>　　式中： P mr ——圓形風(fēng)管單位長(zhǎng)度的摩擦阻力，Pa/m；</p><p>　　λ —— 摩擦阻力系數(shù)；</p><p>　　ν

6、 —— 風(fēng)管內(nèi)空氣平均流速，m/s；</p><p>　　ρ —— 空氣的密度，kg/m3；</p><p>　　D —— 圓形風(fēng)管的直徑，m。</p><p>　　在計(jì)算這兩類阻力時(shí)，通常是按照層流狀態(tài)來取摩擦阻力系數(shù)λ的，這時(shí)，沿程的壓力損失與空氣流速的一次方成正比，當(dāng)流速增大超過臨界流速Re＝2 300 時(shí)，風(fēng)管內(nèi)的空氣流型變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)，則管內(nèi)沿程的壓力損失與

7、空氣流速的 1.75～2.0次方成正比，也就是說，沿程阻力增加了近1倍。</p><p>　　通常把風(fēng)管內(nèi)壁看作是水力光滑管，即管壁的絕對(duì)粗糙度K＝0.1 mm來計(jì)算的，而實(shí)際上，使用一段時(shí)間后，風(fēng)機(jī)葉輪、風(fēng)管、彎頭、傘形抽風(fēng)罩、折流板氣水分離器等處內(nèi)壁沾滿了油漆，這時(shí)風(fēng)管內(nèi)壁已經(jīng)變成了水力粗糙管（或稱阻力平方區(qū)），管壁的絕對(duì)粗糙度值K ≈0.9～3.0 mm；這時(shí)，單位長(zhǎng)度實(shí)際摩擦阻力 P ′ mr應(yīng)為計(jì)算單位

8、長(zhǎng)度摩擦阻力乘以修正系數(shù)β，即：</p><p>　　P′ mr＝β × P mr</p><p>　　假設(shè)：風(fēng)管內(nèi)空氣流速為10 m/s，絕對(duì)粗糙度值K＝0.1 mm，則：</p><p>　　修正系數(shù)β＝（ Kν ）0.25＝（0.1 × 10）0.25＝1 （1）</p><p>

9、;　　式中：K ——風(fēng)管內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度，mm；</p><p>　　ν ——風(fēng)管內(nèi)空氣流速，m/s。</p><p>　　再假設(shè)：風(fēng)管內(nèi)空氣流速不變，仍為 10 m/s，但絕對(duì)粗糙度值K＝1 mm，則：</p><p>　　修正系數(shù)β＝（Kν）0.25＝（1×10 )0.25＝1.78 （2）也就是說，這時(shí)單位

10、長(zhǎng)度風(fēng)管內(nèi)的摩擦阻力是原來的 1.78 倍。</p><p>　　再假設(shè)：風(fēng)管內(nèi)空氣流速為10 m/s，絕對(duì)粗糙度值 K＝2 mm，則：</p><p>　　修正系數(shù)β＝（Kν）0.25＝（2×10 ）0.25＝2.114 （3） 這時(shí)，單位長(zhǎng)度風(fēng)管內(nèi)的摩擦阻力是原來的2.114 倍。</p><p>　

11、　還有一個(gè)很重要的原因是，很多廠家在使用水簾噴漆室時(shí)，不添加或不按時(shí)按量添加漆霧絮凝劑，再就是不定時(shí)打撈漆泥漆渣，水中大量的漆泥隨著循環(huán)水流掛在折流板、擋水板、渦旋板、風(fēng)管內(nèi)壁上，使得內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度大幅增加，摩擦阻力也增加了許多倍。這就是眾多的噴漆室使用一段時(shí)間后風(fēng)壓下降、抽風(fēng)量減小、漆霧外溢的原因之一。筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)壓選擇不能僅僅放 10％～20％的余量，而是最好增加80％左右的富余量；要定期清理風(fēng)機(jī)葉輪、蝸殼、風(fēng)管、折流板等抽風(fēng)

12、系統(tǒng)內(nèi)的漆泥，而這是許多廠家不注重的，應(yīng)對(duì)操作人員進(jìn)行使用和維護(hù)的培訓(xùn)。</p><p>　　2.2 局部阻力的影響</p><p>　　在風(fēng)道中流動(dòng)的流體，在通過彎頭、閥門、變徑管等處，方向和斷面積大小發(fā)生改變，有可能產(chǎn)生渦流損失或碰撞損失，這些稱為局部阻力。</p><p>　　風(fēng)道部件的局部阻力可按下式計(jì)算：</p><p>　　式中：

13、Δ P ——風(fēng)管部件的局部阻力，Pa；</p><p>　　ξ——局部阻力系數(shù)；</p><p>　　ν ——風(fēng)管內(nèi)空氣平均流速，m/s；</p><p>　　ρ —— 空氣的密度，kg/m 3 。</p><p>　　在一般通風(fēng)系統(tǒng)中，由于風(fēng)管中各部件形狀不一，局部阻力系數(shù)很難計(jì)算，通常通過試驗(yàn)測(cè)定，而后查表確定。而實(shí)際風(fēng)管系統(tǒng)由于管徑、流

14、速、介質(zhì)、曲率半徑、漸擴(kuò)角等大小不一，一旦有1個(gè)參數(shù)變化，其管路系統(tǒng)中實(shí)際局部阻力也是變化的。例如，折流板汽水分離器在使用一段時(shí)間后，表面會(huì)沾上漆泥，使得局部阻力增大，空氣流速下降；斷面面積變小，又使得空氣流速加快，空氣中含漆霧顆粒增加，空氣密度增大，局部阻力系數(shù)也會(huì)變大，在這種狀況下，氣體會(huì)產(chǎn)生漩渦，氣流變成紊流狀態(tài)，這些因素都會(huì)導(dǎo)致折流板處的局部阻力增大、 抽風(fēng)量下降。</p><p>　　局部阻力系數(shù) ξ

15、是針對(duì)某一過流斷面平均流速而言的，但是，各種管件的局部阻力損失，不是發(fā)生在流動(dòng)的某一斷面上，而是發(fā)生在一段長(zhǎng)度的流段中，如果2個(gè)部件相隔太近，那么它們之間就會(huì)相互影響，這時(shí)流動(dòng)的狀況就復(fù)雜了，就不能用手冊(cè)中給定的ξ來計(jì)算了。因?yàn)?，手?cè)中的ξ值都是在沒有其它阻力影響的條件下測(cè)定的。例如：為了降低噴漆室的高度，在噴漆室后部頂上，往往是1個(gè)傘形吸風(fēng)罩和蝶閥、彎頭及風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口直接連接，中間很少有直管過渡，這時(shí)，這一流段的局部阻力就不是幾個(gè)部件的

16、阻力相加那么簡(jiǎn)單了。阻力系數(shù)ξ會(huì)有變化，管道中會(huì)產(chǎn)生漩渦，主流受到壓縮或擴(kuò)散，流速分布會(huì)迅速改組，黏性阻力和慣性阻力都會(huì)顯著增大。</p><p>　　2.3 風(fēng)管直徑大小對(duì)風(fēng)速的影響</p><p>　　管內(nèi)空氣流速在 6~14 m/s為宜，最好不超過10m/s。有些制造商為節(jié)省材料成本，將風(fēng)管直徑做得很小，使管內(nèi)風(fēng)速過大，甚至達(dá)到24 m/s，使得風(fēng)阻急劇增大，當(dāng)軸功率一定時(shí)，抽風(fēng)量會(huì)

17、下降，導(dǎo)致漆霧無法抽出去。例如，某企業(yè)為外地某廠生產(chǎn)的2臺(tái)噴漆室，抽風(fēng)效果一直很差，漆霧外溢嚴(yán)重，2 次更換風(fēng)機(jī)后，仍然無法解決問題，筆者到現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)風(fēng)管直徑設(shè)計(jì)太小，風(fēng)管內(nèi)的摩擦阻力和局部阻力都陡然增大，導(dǎo)致抽風(fēng)量嚴(yán)重下降，結(jié)果僅僅更換了大直徑的風(fēng)管就徹底解決了問題。</p><p>　　還有，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口至風(fēng)管排氣口長(zhǎng)度問題，一般應(yīng)將排風(fēng)管接出車間外屋頂2 m以上高度，以利用大氣壓差。目前常見的問題是一些設(shè)

18、計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)往往只考慮風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)段的阻力問題，不考慮風(fēng)機(jī)出風(fēng)段的風(fēng)阻，更不考慮室外排風(fēng)管的高度，這是欠妥的。</p><p>　　2.4 彎頭的曲率半徑對(duì)局部阻力系數(shù)的影響</p><p>　　90°的風(fēng)管彎頭其局部阻力系數(shù) ξ 與風(fēng)管彎曲的曲率半徑與與風(fēng)管直徑之比 R / D 成反比，R / D越大，ξ值越??；如：R / D 為1時(shí)，ξ為0.23，R / D為2時(shí)，ξ 為0.15

19、，R / D 為2.5 時(shí)，ξ 為0.13，當(dāng)R / D 大于 2.5 時(shí)，減少效果就不明顯了。一般應(yīng)采用R / D 為2.0~2.5，這樣局部阻力系數(shù)ξ可小些。需要說明的是，這里所指的風(fēng)管彎頭是指的光滑圓風(fēng)管，在制造中，一般都是分成5段制作，放樣、滾圓，再咬邊或焊接成一個(gè)整體（俗稱蝦米彎），而這樣一個(gè)90°的蝦米彎頭，其阻力系數(shù)比光滑園風(fēng)管彎頭的又要大，如：R / D為1時(shí)，蝦米彎的ξ 值為0.33，R / D 為2時(shí)，ξ

20、為0.19，而這是設(shè)計(jì)者們通常忽視的地方。更有些廠家為降低造價(jià)，多采用 R / D 為1，這是不可取的。這些地方累積起來，管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力損失就大了。風(fēng)管彎頭的局部阻力系數(shù) ξ 同時(shí)還與彎曲角度成正比，如彎曲角度越大，則阻力系數(shù)越大，一般應(yīng)盡量采用45°、60°和90°的彎頭。</p><p>　　3 抽風(fēng)系統(tǒng)的管網(wǎng)特性及工作點(diǎn)分析</p><p>　　3.1

21、 離心風(fēng)機(jī)特性</p><p>　　離心風(fēng)機(jī)即使在轉(zhuǎn)速相同時(shí)，它所輸送的風(fēng)量也可能各不相同。系統(tǒng)的壓力損失小時(shí)，要求的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓ΔP = ξ2ν 2 ρ就小，則輸送的風(fēng)量就大；反之，系統(tǒng)的壓力損失大時(shí)，所要求的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓就大，則輸送的風(fēng)量就小。</p><p>　　風(fēng)機(jī)的特性曲線見圖1。從中可看出，風(fēng)機(jī)可以在各種不同的風(fēng)量下工作。在抽風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)將按其特性曲線上的某一點(diǎn)工作，在此點(diǎn)上，風(fēng)機(jī)的

22、風(fēng)量與系統(tǒng)中的壓力得到平衡，由此也確定了風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。但正是風(fēng)機(jī)的這種自動(dòng)平衡的性能，致使有時(shí)在實(shí)際情況下，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓滿足不了設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　圖1 風(fēng)機(jī)的特性曲線</p><p>　　3.2 抽風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)特性</p><p>　　風(fēng)機(jī)在抽風(fēng)管路系統(tǒng)中工作時(shí)，其風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)不僅取決于風(fēng)機(jī)本身的性能，還與整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的特性有關(guān)（管網(wǎng)特性曲線及工

23、作點(diǎn)見圖2）。管路系統(tǒng)的總阻力由系統(tǒng)中各種壓力損失的總和、吸入氣體所受壓力與排出氣體所受壓力的壓力差（當(dāng)由大氣吸入氣體并排出大氣時(shí)，壓差等于0）和由管網(wǎng)排出時(shí)的動(dòng)壓3部分組成，即圖中的P 2＝f 2（Q）曲線所示。更多情況下，管路特性曲線只取決于管路系統(tǒng)的總阻力和管網(wǎng)排出時(shí)的動(dòng)壓，且二者均與流量Q的平方成正比；管路特性曲線P 2 = f 2（Q）和風(fēng)機(jī)的性能曲線P1＝f 1（Q）的交點(diǎn)D也就是風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。當(dāng)管網(wǎng)中實(shí)際阻力大于風(fēng)機(jī)的額定

24、風(fēng)壓時(shí)，則風(fēng)量會(huì)減少；反之，當(dāng)管網(wǎng)中實(shí)際阻力小于風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)壓時(shí)，則風(fēng)量會(huì)增大（管內(nèi)特性曲線與風(fēng)機(jī)性能關(guān)系見圖3）。</p><p>　　圖2 管網(wǎng)特性曲線及工作點(diǎn) 圖3 管內(nèi)特性曲線與風(fēng)機(jī)性能曲線</p><p>　　如上所述，噴漆室在使用一段時(shí)間后，由于管網(wǎng)系統(tǒng)中阻力逐漸變大，風(fēng)機(jī)漸漸無法克服系統(tǒng)的壓力損失， 致使抽風(fēng)量逐步降低， 無法將過噴的漆霧及

25、有機(jī)溶劑抽出，造成漆霧外溢到車間里；同時(shí)，噴漆室內(nèi)工件表面附近的空氣中充斥著粒徑大小不等的漆霧顆粒，很多黏在工件表面，影響表面噴涂質(zhì)量。</p><p>　　還要指出的是：一般風(fēng)管系統(tǒng)中的局部阻力計(jì)算是建立在一個(gè)理想的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和靜態(tài)的模型基礎(chǔ)上的，但實(shí)際上多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身的不足和在使用過程中動(dòng)態(tài)的變化，使得所計(jì)算的局部阻力和實(shí)際使用中的風(fēng)阻差別很大，這也是現(xiàn)今一些噴漆室的問題所在。</p><

26、p>　　4 流場(chǎng)控制方程的建立</p><p>　　通風(fēng)機(jī)內(nèi)流速較低，可視為不可壓縮流動(dòng)，以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的葉輪中，當(dāng)選用與葉輪一起旋轉(zhuǎn)的非慣性坐標(biāo)系來描述相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可認(rèn)為葉輪內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是定常的。因此葉輪內(nèi)不可壓縮，均質(zhì)，密度為常數(shù)的連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程為</p><p>　　( 1) 質(zhì)量守恒方程</p><p>　　( 2) 動(dòng)量守恒方程</p

27、><p>　　式中 W ——相對(duì)速度；</p><p><b>　　P ——壓強(qiáng)</b></p><p><b>　　f ——質(zhì)量力；</b></p><p><b>　　μ ——粘性系數(shù)；</b></p><p><b>　　R ——半徑；<

28、;/b></p><p>　　-2ω ×W ——哥氏力；</p><p>　　-ω × ( ω ×R) ——離心力。</p><p>　　( 3) 湍動(dòng)能方程</p><p>　　( 4) 湍動(dòng)能耗散率方程</p><p>　　( 5) 湍流粘度系數(shù)方程</p><

29、;p>　　式中 C1，C2 ，σ K ，σ ε，C μ ——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；</p><p>　　U i ，U j——i ，j方向的速度；</p><p>　　X i ，X j —— i，j方向的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；</p><p><b>　　ρ——流體密度；</b></p><p><b>　　P——壓力；</

30、b></p><p>　　F i—— 體積力；</p><p>　　η ，η t ——層流和湍流的粘度系數(shù)；</p><p><b>　　K ——湍動(dòng)能；</b></p><p>　　Ε——湍動(dòng)能耗散率。</p><p>　　5 計(jì)算對(duì)象及邊界條件</p><p>

31、　　5.1　 風(fēng)機(jī)模型參數(shù)</p><p>　　分析對(duì)象為4 -73 №10D離心通風(fēng)機(jī)，由進(jìn)氣室、集流器、葉輪和蝸殼組成。在Pro/E 中建立模型，為解決問題的方便 ，在整機(jī)的裝配中讓絕對(duì)坐標(biāo)和相對(duì)坐標(biāo)處于同一位置，原點(diǎn)位于葉輪后盤中心外壁上，X 軸負(fù)方向?yàn)槲仛こ隹诜较?，Y 軸負(fù)方向?yàn)槲仛さ倪M(jìn)氣方向， Z 軸正方向?yàn)檫M(jìn)氣室進(jìn)口方向。葉片后傾，進(jìn)、出口角分別為32° 、45°，葉輪內(nèi)徑720m

32、m，葉輪外經(jīng)1000mm，葉片進(jìn)口寬350mm，葉片出口寬250mm，進(jìn)氣室吸風(fēng)口為1300mm × 600mm，蝸殼寬650mm，出風(fēng)口為900mm ×650mm，葉片12個(gè)，轉(zhuǎn)1200r/min。</p><p><b>　　5.2　 網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　在GAMBIT 中對(duì)流道區(qū)域劃分網(wǎng)格如圖4所示。由于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采取

33、四面體和六面體網(wǎng)格相結(jié)合的方式劃分，網(wǎng)格共計(jì)676045。葉輪流動(dòng)區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)參考系 MRF 坐標(biāo)法；葉片、前盤和后盤采用相對(duì)靜止參考系；進(jìn)氣室、集流器和蝸殼采用絕對(duì)靜止參考系。</p><p>　　圖4　 4-73№10D 通風(fēng)機(jī)整體網(wǎng)格</p><p>　　5.3　 計(jì)算方法及假定</p><p>　　( 1) 假定流動(dòng)是穩(wěn)定、粘性、不可壓縮；流動(dòng)過程中忽略質(zhì)量

34、力作用；</p><p>　　( 2) 葉輪進(jìn)口和集流器間有間隙，但在計(jì)算中處理為0，避免間隙區(qū)域壓力梯度過大；</p><p>　　( 3) 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下離散方程采用壓力速度耦合SIMPLE 算法，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k- ε方程，使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。</p><p><b>　　5.4 邊界條件</b></p><p>

35、;　　進(jìn)口：按照容積流量計(jì)算所得，采用均勻進(jìn)口，速度12.6m/s。出口：設(shè)置壓力出口靜壓為大氣壓，空氣密度為1. 2kg/m 3。</p><p><b>　　6 結(jié)果分析</b></p><p><b>　　6.1 靜壓分析</b></p><p>　　由圖5可看出，靜壓從進(jìn)口至出口逐漸變化，在蝸殼外壁面達(dá)到最大，

36、由于出口存在流動(dòng)損失而使此處的靜壓有所下降，這與文獻(xiàn)[6]結(jié)論相符。由圖5a可知，由于受到蝸殼的非軸對(duì)稱性影響，蝸殼較低靜壓處與葉輪中心不在同一軸上； 由圖5b可知，在進(jìn)氣室的拐彎處和蝸舌處，由于這兩者的形狀發(fā)生變化，導(dǎo)致靜壓較低。</p><p>　　圖5（a）整機(jī)蝸殼壁面后視靜壓分布</p><p>　　圖5（b）整機(jī)蝸殼、進(jìn)氣室前室靜壓分布</p><p>　

37、　6.2 Y軸方向靜壓分析</p><p>　　Y軸為葉輪中心軸，葉輪后盤與蝸殼外壁有 40mm 的間隙，在 Y 軸方向截取面：Y =-20mm如圖6a；Y =150mm如圖6b；Y =250mm如圖6c；Y =350mm如圖6d。從4個(gè)圖中看出，葉輪壓強(qiáng)分布并不因?yàn)槿~輪的軸對(duì)稱而對(duì)稱，漸擴(kuò)螺旋蝸殼是非軸對(duì)稱的，葉輪進(jìn)口處靜壓最低。葉輪內(nèi)靜壓中心偏向蝸殼擴(kuò)大處，出葉輪后靜壓逐漸增大在蝸殼外壁達(dá)到最大。由于流動(dòng)損

38、失的存在，靜壓沿著蝸殼出口逐漸降低。</p><p>　　圖6（a）Y=-20mm后盤與蝸殼外壁間隙中間面靜壓</p><p>　　圖6（b）Y=150mm葉輪軸向中間面靜壓</p><p>　　圖6（c）Y=250mm葉輪出口與前盤接觸軸向面靜壓</p><p>　　圖6（d）Y=350mm葉輪進(jìn)口與前盤接觸軸向面靜壓</p>

39、<p>　　6. 3 葉輪區(qū)域靜壓分析</p><p>　　葉輪區(qū)域的靜壓分布如圖7所示。</p><p>　　圖7 （a）葉輪壁面靜壓 （b）葉輪區(qū)域前盤和葉輪出口靜壓</p><p>　　葉片非工作面和前盤附近，特別是兩者的交匯區(qū)域積累了一個(gè)低能流體區(qū)， 靜壓、相對(duì)速度均較低，此處形成了尾跡區(qū)，但是尾跡區(qū)不是完全的“死水

40、區(qū)”，有流體通過只是速度較低。葉片工作面和前盤附近的流體靜壓、相對(duì)速度均較高，此處形成了射流區(qū)。Fisher和Thpo-ma用顏料做離心泵葉輪中的顯示試驗(yàn)，曹淑珍等用PIV 法進(jìn)行三維流動(dòng)測(cè)定，根據(jù)流動(dòng)照片也驗(yàn)證這一區(qū)域的存在。這就是后來吳玉林等學(xué)者所說的射流-尾跡流動(dòng)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　6.4 葉片靜壓分析</p><p>　　葉片工作面圖8a 上的靜壓比非工作面圖8b上的高且

41、分布明顯不同：葉片工作面上靜壓分布不均，由分布可看出 85%以上的做功來自于工作面；非工作面上靜壓分布較均勻，從葉片根部向頂端逐漸增大。在單個(gè)葉道內(nèi)，兩側(cè)壁附面層中的氣流前進(jìn)的速度比較低，氣體受到壓力差的作用從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，這種流動(dòng)與主氣流方向垂直從而產(chǎn)生了二次流。</p><p>　　圖8（a）葉片工作面靜壓分布 （b）葉片非工作面靜壓分布 </p>&l

42、t;p>　　6.5　 整機(jī)全壓分析</p><p>　　包括全部外壁時(shí)無法看清內(nèi)部全壓分布，取圖9所示分析。</p><p>　　圖9 壁面全壓側(cè)視圖</p><p>　　從圖9很清楚地看出全壓的變化分布情況，特別是在集流器和葉輪區(qū)域變化最為明顯。在集流器處全壓很低這是由于氣流從軸向開始向徑向轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的。葉輪區(qū)域依賴葉輪做功，全壓在葉道內(nèi)逐漸升高，且在葉片

43、工作面出口處達(dá)到最大，進(jìn)入蝸殼后由于流動(dòng)損失存在又逐漸降低。這兩個(gè)區(qū)域流動(dòng)情況差別很大，這是由于流道的位置不同和蝸殼的非對(duì)稱性引起的。所以對(duì)整個(gè)通風(fēng)機(jī)來說，不能單單研究某個(gè)部分或?qū)δ硞€(gè)流道計(jì)算，因?yàn)檫@不但難反映整體流場(chǎng)的實(shí)際情況，而且計(jì)算的邊界條件也很難確定，這就為計(jì)算的準(zhǔn)確性、合理性帶來困難。</p><p>　　6.6 流道區(qū)域速度分析</p><p>　　此區(qū)域速度大小變化不太明顯

44、，但是受旋轉(zhuǎn)的后盤和靜止的蝸殼壁的共同作用使這部分流體產(chǎn)生了扭曲，流體旋轉(zhuǎn)的中心接近蝸舌處與葉輪內(nèi)的流動(dòng)完全不在同一軸上，這是整機(jī)模擬得到的又一重要現(xiàn)象。在前盤和蝸殼間的流體速度變化較明顯，氣流在葉輪出口處突然擴(kuò)壓，導(dǎo)致氣流速度降低與主流氣體發(fā)生沖擊擾動(dòng)，從而在蝸舌處產(chǎn)生了二次流風(fēng)機(jī)葉輪中截面上的速度分布，從中看出流體從葉輪進(jìn)口到葉輪出口方向速度逐漸增大，出葉輪后速度逐漸降低。在靠近蝸殼出口處的葉輪通道內(nèi)的速度比其他部分的葉輪通道內(nèi)速度

45、小，因此計(jì)算風(fēng)機(jī)葉輪通道流場(chǎng)的時(shí)候，假設(shè)每個(gè)葉輪通道都是相同的也是不對(duì)的。</p><p>　　蝸殼出口處，可看到在出口的右下角有二次流的現(xiàn)象出現(xiàn)，此處位于蝸殼擴(kuò)大一方近蝸舌處，是受到蝸殼出口流道的主流和蝸舌處的擾流共同作用而產(chǎn)生。從渦流的位置來看，上部渦流比較靠近蝸殼的前壁面處，下部渦流比上部渦流強(qiáng)烈，且靠近蝸殼后壁面處。對(duì)圖綜合分析，可以得出流體在蝸殼內(nèi)不是以平流流出，而是以麻花狀旋流狀態(tài)流出。</p&

46、gt;<p>　　看出在蝸殼出口流道內(nèi)有回流產(chǎn)生，并且由此圖可以清楚的看到流體不是平流而是扭曲著旋流流出。顯示氣流在進(jìn)氣室內(nèi)的變化不大，且在進(jìn)入葉輪中心后流動(dòng)比較均勻，流速隨著葉片的方向逐漸增大，在前盤一方的蝸殼擴(kuò)大處有二次流產(chǎn)生且比較明顯。同時(shí)也可以看出在后盤和蝸殼壁的間隙處、蝸舌處二次流較多較強(qiáng)，所以此處的噪聲比較大，可為噪聲的分析提供理論依據(jù)。蝸殼出口的延伸部分很明顯的有股較強(qiáng)的氣流，這也是吳玉林等所說的尾流—射流結(jié)

47、構(gòu)。</p><p><b>　　7 結(jié)論</b></p><p>　　本文有針對(duì)性地對(duì)離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部湍流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，觀察了離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況，重點(diǎn)分析了流道內(nèi)部各個(gè)部分的壓強(qiáng)和流場(chǎng)，得出如下結(jié)論：</p><p>　　( 1)發(fā)現(xiàn)了由于整機(jī)的非軸對(duì)稱性而產(chǎn)生了流體區(qū)域的壓強(qiáng)和流速的非軸對(duì)稱性。后盤與蝸殼間隙中的流體流動(dòng)的中心偏向

48、蝸舌處，葉輪區(qū)域內(nèi)部壓力場(chǎng)和流場(chǎng)的中心不是沿中心軸方向，而是偏離中心軸。蝸殼內(nèi)部整體的流動(dòng)像扭曲的麻花狀旋流流出；</p><p>　　( 2) 結(jié)果顯示葉片和前盤間，蝸殼出口處存在尾流-射流現(xiàn)象；</p><p>　　( 3) 靠近葉輪前盤的葉片處所受全壓偏高于葉根處的壓力。工作面上的壓力大于非工作面葉片上的壓力，由于壓力差的產(chǎn)生，從而使流體從高壓向低壓流動(dòng)產(chǎn)生了軸向的二次流現(xiàn)象。<

49、;/p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 曹淑珍,祁大同,張義云,等.小流量工況下離心風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部的三維流動(dòng)測(cè)量分析[ J] .西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2002.</p><p>　　[2] 吳玉林,陳慶光,劉樹紅.通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)[ M] .清華大學(xué)出版社, 2005. 1.</p><p>

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