吸糧機三級離心風機內部流場的數值模擬（1）

    為了較好地捕捉多級離心風機內部流動特征，該文以吸糧機使用的三級離心風機為研究對象，應用 FLUENT6.3軟件對其內部流場進行了整機三維穩態可壓縮計算。計算過程中綜合考慮了準確性和經濟性，以 Pro/E 系統建立了風機的全流道模型，利用動參考系（moving reference frame，MRF）模型實現了葉輪間流動參數的實時傳遞，用重整化群（renormalization group, RNG）κ-ε 湍流模型、一階迎風空間離散格式、Roe-FDS（flux difference splitting）通量差分方法實現了該三級離心風機整機的可壓縮計算。根據計算結果，得到了風機內部主要區域的壓力與速度分布圖，通過分析發現風機內部各級葉輪間氣體流動速度基本不變，靜壓力和總壓力逐級上升，第 1 級和第 2 級葉輪內的流場分布呈對稱性，而第 3 級葉輪內的流場分布呈非對稱性。通過對蝸殼內部流場的分析發現了此風機內部流場在蝸殼小端流動不順暢的設計缺陷，并給出了蝸殼結構的改進意見，為進一步提高風機效率提供了參考。

0 引 言
    離心風機是目前應用最廣的風機設備，它具有效率高、結構簡單、操作方便、噪音小等優點。目前，糧食工程上使用的離心風機多為單級風機，為特定的場合提供所需的流量和壓力，但是在大宗糧食散貨運輸的場合， 單級風機提供的壓力和流量不能滿足要求，需要采用多級離心風機，以提高輸送能力。作為氣力輸送裝置的氣源驅動核心部件，氣力輸送系統中離心風機內部流動備受國內外專家學者的關注，如清華大學李建鋒利用 FLUENT 對 9-26 型高壓離心風機內部三維氣體流動進行了數值模擬，得到了其內部流動主要特征 [1] ； 西安交通大學李景銀以 9-19 No.6 風機為例分析了該風機內部復雜流場及二次流和射流-尾跡結構 [2] ，同時對自主開發的 7-40 風機進行了全工況數值模擬，并對大、中、小 3 種流量下風機蝸殼的內部流場進行了全面研究，分析了蝸殼對葉輪流動的影響 [3] ；SheamChyun Lin 用 Star-CD 全三維不可壓模型對前向離心風機進行了整機數值模擬 [4] 。然而，上述研究成果均是基于單級離心風機，到目前為止，對多級離心風機內部流場的研究成果少見報道 [5-9] 。 本文以此為出發點，利用 FLUENT6.3 對大噸位吸糧機（150 t/h）采用的 DJLN07 型三級離心風機內部流動進行了全三維整機可壓縮數值計算。希望通過模擬計算展示多級離心風機內部流動特點，同時也為多級離心風機的優化設計提供參考。
1 數值計算模型
1.1 流道幾何模型
    本文研究的三級離心風機結構如圖 1。 該風機組主要由集流器、三級葉輪、兩級導風盤和蝸殼等主要部件組成。主要參數如下：流量 Q=1.0 m 3 /s，全壓 P=59 kPa，轉速 n=4 600 r/min，葉輪外徑 D 2 =700 mm，葉輪進口寬度 b 1 =48 mm，葉輪出口寬度 b 2 =22 mm，葉片數 Z=24，蝸殼外徑 R=1 130 mm。

    在建模過程中， 利用 Pro/E 系統建立各部件內部流道后裝配成一整體模型。同時為了與風機性能試驗工況相匹配，獲得準確的邊界條件，在風機進口和出口分別添加了一段管道流域， 且管道最終出口為一個寬度 8 mm 的圓環。實現數值計算的最終模型如圖 2a 所示。
1.2 網格模型
    研究中網格模型利用 GAMBIT 軟件來劃分。對于三級離心風機，考慮其內部流動的復雜性，為使所有網格扭曲率控制在 0.9 以下，在進行網格劃分前，將該風機的內部流道分割成 24 個區域，然后在不同區域，按各區域尺度不同，劃分成不同尺寸的非正則網格，全機一共劃分為約 168 萬個網格。圖 2b 所示為該三級離心風機網格模型。

1.3 數值方法
    由于風機轉速達到 4 600 r/min， 葉片出口處氣流的速度較高，馬赫數大于 0.3，所以應考慮流體的壓縮性，將風機內部流體設為可壓縮模型的理想氣體。石家莊風機湍流模型選用考慮旋轉效應的 RNG（ renormalization group ） κ-ε 兩方程模型，進壁處應用標準壁面函數。通量類型采用Roe-FDS（flux difference splitting） 通量差分方法，離散格式設為一階迎風格式。收斂標準取各余項小于 0.01。
1.4 邊界條件
    入口邊界采用入口壓力并給定壓力值，出口邊界采用出口壓力并給定壓力值。對于葉輪內部及其附近流體流動的描述則采用動參考坐標系（moving referenceframe，MRF)模型，由于此風機為三級，所以將三級葉輪內部流域及其附近流域流體的流動設為 MRF 模型， 且每級設置區域的形狀相同，如圖 3 所示。

2 流場狀態分析
2.1 風機壓力場分析
為方便研究，取風機在圖 2a 中標出 X=0 截面作為分析對象。 圖 4a 和圖 4b 所示為該截面上的靜壓力和總壓力分布。由圖 4a 可見，風機內石家莊風機廠部靜壓力從風機進口處沿流道是逐級上升的，這是葉輪做功的表現。每級葉輪之間壓力變化都較平均。在第 1 級和第 2 級葉輪流道中，靜壓力分布幾乎是以風機轉動軸線對稱分布的，但在第 3級葉輪流道中，由于蝸殼的存在而顯示出非對稱性。在葉輪內部區域，壓力變化梯度最高，在導風盤區域壓力幾乎沒變化。圖 4b 所示為總壓力圖，其分布與靜壓分布基本類似。