吸糧機(jī)三級離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬（1）

    為了較好地捕捉多級離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特征，該文以吸糧機(jī)使用的三級離心風(fēng)機(jī)為研究對象，應(yīng)用 FLUENT6.3軟件對其內(nèi)部流場進(jìn)行了整機(jī)三維穩(wěn)態(tài)可壓縮計(jì)算。計(jì)算過程中綜合考慮了準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，以 Pro/E 系統(tǒng)建立了風(fēng)機(jī)的全流道模型，利用動(dòng)參考系（moving reference frame，MRF）模型實(shí)現(xiàn)了葉輪間流動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)傳遞，用重整化群（renormalization group, RNG）κ-ε 湍流模型、一階迎風(fēng)空間離散格式、Roe-FDS（flux difference splitting）通量差分方法實(shí)現(xiàn)了該三級離心風(fēng)機(jī)整機(jī)的可壓縮計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到了風(fēng)機(jī)內(nèi)部主要區(qū)域的壓力與速度分布圖，通過分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)內(nèi)部各級葉輪間氣體流動(dòng)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(nèi)的流場分布呈對稱性，而第 3 級葉輪內(nèi)的流場分布呈非對稱性。通過對蝸殼內(nèi)部流場的分析發(fā)現(xiàn)了此風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場在蝸殼小端流動(dòng)不順暢的設(shè)計(jì)缺陷，并給出了蝸殼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)意見，為進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)效率提供了參考。

0 引 言
    離心風(fēng)機(jī)是目前應(yīng)用最廣的風(fēng)機(jī)設(shè)備，它具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。目前，糧食工程上使用的離心風(fēng)機(jī)多為單級風(fēng)機(jī)，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(yùn)輸?shù)膱龊希?單級風(fēng)機(jī)提供的壓力和流量不能滿足要求，需要采用多級離心風(fēng)機(jī)，以提高輸送能力。作為氣力輸送裝置的氣源驅(qū)動(dòng)核心部件，氣力輸送系統(tǒng)中離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)備受國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，如清華大學(xué)李建鋒利用 FLUENT 對 9-26 型高壓離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維氣體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了其內(nèi)部流動(dòng)主要特征 [1] ； 西安交通大學(xué)李景銀以 9-19 No.6 風(fēng)機(jī)為例分析了該風(fēng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流場及二次流和射流-尾跡結(jié)構(gòu) [2] ，同時(shí)對自主開發(fā)的 7-40 風(fēng)機(jī)進(jìn)行了全工況數(shù)值模擬，并對大、中、小 3 種流量下風(fēng)機(jī)蝸殼的內(nèi)部流場進(jìn)行了全面研究，分析了蝸殼對葉輪流動(dòng)的影響 [3] ；SheamChyun Lin 用 Star-CD 全三維不可壓模型對前向離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了整機(jī)數(shù)值模擬 [4] 。然而，上述研究成果均是基于單級離心風(fēng)機(jī)，到目前為止，對多級離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的研究成果少見報(bào)道 [5-9] 。 本文以此為出發(fā)點(diǎn)，利用 FLUENT6.3 對大噸位吸糧機(jī)（150 t/h）采用的 DJLN07 型三級離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了全三維整機(jī)可壓縮數(shù)值計(jì)算。希望通過模擬計(jì)算展示多級離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)，同時(shí)也為多級離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
1 數(shù)值計(jì)算模型
1.1 流道幾何模型
    本文研究的三級離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1。 該風(fēng)機(jī)組主要由集流器、三級葉輪、兩級導(dǎo)風(fēng)盤和蝸殼等主要部件組成。主要參數(shù)如下：流量 Q=1.0 m 3 /s，全壓 P=59 kPa，轉(zhuǎn)速 n=4 600 r/min，葉輪外徑 D 2 =700 mm，葉輪進(jìn)口寬度 b 1 =48 mm，葉輪出口寬度 b 2 =22 mm，葉片數(shù) Z=24，蝸殼外徑 R=1 130 mm。

    在建模過程中， 利用 Pro/E 系統(tǒng)建立各部件內(nèi)部流道后裝配成一整體模型。同時(shí)為了與風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)工況相匹配，獲得準(zhǔn)確的邊界條件，在風(fēng)機(jī)進(jìn)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(gè)寬度 8 mm 的圓環(huán)。實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的最終模型如圖 2a 所示。
1.2 網(wǎng)格模型
    研究中網(wǎng)格模型利用 GAMBIT 軟件來劃分。對于三級離心風(fēng)機(jī)，考慮其內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性，為使所有網(wǎng)格扭曲率控制在 0.9 以下，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，將該風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流道分割成 24 個(gè)區(qū)域，然后在不同區(qū)域，按各區(qū)域尺度不同，劃分成不同尺寸的非正則網(wǎng)格，全機(jī)一共劃分為約 168 萬個(gè)網(wǎng)格。圖 2b 所示為該三級離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型。

1.3 數(shù)值方法
    由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到 4 600 r/min， 葉片出口處氣流的速度較高，馬赫數(shù)大于 0.3，所以應(yīng)考慮流體的壓縮性，將風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體設(shè)為可壓縮模型的理想氣體。石家莊風(fēng)機(jī)湍流模型選用考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的 RNG（ renormalization group ） κ-ε 兩方程模型，進(jìn)壁處應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。通量類型采用Roe-FDS（flux difference splitting） 通量差分方法，離散格式設(shè)為一階迎風(fēng)格式。收斂標(biāo)準(zhǔn)取各余項(xiàng)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(nèi)部及其附近流體流動(dòng)的描述則采用動(dòng)參考坐標(biāo)系（moving referenceframe，MRF)模型，由于此風(fēng)機(jī)為三級，所以將三級葉輪內(nèi)部流域及其附近流域流體的流動(dòng)設(shè)為 MRF 模型， 且每級設(shè)置區(qū)域的形狀相同，如圖 3 所示。

2 流場狀態(tài)分析
2.1 風(fēng)機(jī)壓力場分析
為方便研究，取風(fēng)機(jī)在圖 2a 中標(biāo)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(fēng)機(jī)內(nèi)石家莊風(fēng)機(jī)廠部靜壓力從風(fēng)機(jī)進(jìn)口處沿流道是逐級上升的，這是葉輪做功的表現(xiàn)。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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(nèi)部區(qū)域，壓力變化梯度最高，在導(dǎo)風(fēng)盤區(qū)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。