清掃車專用風(fēng)機(jī)內(nèi)流仿真分析與優(yōu)化設(shè)計

     針對某型號清掃車能耗高、 噪聲大的問題， 以清掃車主要能耗源和噪聲源的風(fēng)機(jī)作為研究對象， 對清掃車專用風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值仿真分析。 使用 Fluent 軟件并采用 RNGk-ε 湍流模型和多重坐標(biāo)系（MRF ） 法進(jìn)行求解， 對比分析原始結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)在額定工況下流場特征。結(jié)果表明， 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的葉輪內(nèi)部流場 “射流—尾流” 結(jié)構(gòu)明顯減弱， 渦耗散和渦量減小， 流場更均勻， 風(fēng)機(jī)噪聲大幅度降低， 效率明顯提高， 實現(xiàn)了 “節(jié)能、 降噪” 目的。同時 Fluent 軟件的仿真模擬可以很好地指導(dǎo)工程實踐， 也可以替代某些試驗， 極大地縮短了研發(fā)周期。
關(guān)鍵詞： 清掃車； 專用離心風(fēng)機(jī)； 分離流動； 渦耗散； 渦量

    隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市對環(huán)境衛(wèi)生質(zhì)量要求的不斷提高， 各地環(huán)衛(wèi)部門加快了提高城市道路清掃作業(yè)機(jī)械化程度的步伐， 清掃車作為新一代路面作業(yè)清潔工具， 其應(yīng)用范圍越來越廣泛。清掃車專用風(fēng)機(jī)是清掃車氣力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件、 動力源和主要噪聲源， 其氣動及噪聲特性對清掃車整車作業(yè)性能具有重要的影響。因此， 開展清掃車專用風(fēng)機(jī)的氣動特性分析是清掃車技術(shù)領(lǐng)域中亟待探索的關(guān)鍵研究方向。
2 清掃車專用風(fēng)機(jī)的改進(jìn)開發(fā)
    目前， 清掃車專用風(fēng)機(jī)大多為前向離心風(fēng)機(jī)。前向離心風(fēng)機(jī)由于其葉片出口角和葉片曲率較大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 內(nèi)流流動特征十分復(fù)雜。尤其是在葉輪流道末端， 前向離心風(fēng)機(jī)常常易出現(xiàn)強(qiáng)烈的 “射流—尾流” 結(jié)構(gòu) [1-3] 、 分離流動以及漩渦流等。這些流動往往是能量損失、 振動和噪聲的重要來源 [4-5] 。 而后向離心風(fēng)機(jī)中， 這些不利流動一般可以得到減弱甚至消除。因此， 探索用后向葉片代替前向葉片來減小流動損失和氣動噪聲， 是提高清掃車產(chǎn)品性能的可嘗試途徑。
3 數(shù)值計算方法
3.1 幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格
    研究的某型號清掃車專用風(fēng)機(jī)為前向離心風(fēng)機(jī)（原始結(jié)構(gòu) ） ， 葉輪主要結(jié)構(gòu)， 如圖 1 所示。優(yōu)化改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)為后向離心風(fēng)機(jī) （改進(jìn)結(jié)構(gòu) ） ， 葉輪主要結(jié)構(gòu)， 如圖 2 所示。

     在優(yōu)化過程中， 葉輪前盤、 后盤形狀和葉輪出口寬度保持不變， 葉片型線由前向改為后向。
    采用三維建模軟件進(jìn)行實體建模，運(yùn)用 ICEM 軟件劃分網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格時， 考慮到專用風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及網(wǎng)格的生成質(zhì)量， 將整個石家莊風(fēng)機(jī)計算域分為進(jìn)口延長段、 葉輪、 間隙區(qū)域、 蝸殼和出口延長段五個部分， 為適應(yīng)專用風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性， 采用多塊網(wǎng)格生成方法生成高質(zhì)量網(wǎng)格。 考慮到不同流動區(qū)域的不同重要性，對葉輪內(nèi)部和蝸舌壁面附近的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加密控制。 為了避免網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值預(yù)估精度的影響， 劃分網(wǎng)格時， 對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性處理。
    將在 ICEM 中建立的三維網(wǎng)格模型以.msh 的文件格式輸出， 然后導(dǎo)入到 Fluent 軟件中進(jìn)行計算求解。
3.2 控制方程
    專用風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動是三維粘性不可壓縮流動，遵循物理守恒定律， 控制方程包括質(zhì)量守恒方程、 動量守恒方程以及湍流輸運(yùn)方程。

    采用 RNGk-ε 湍流模型， 該模型通過對湍流粘性進(jìn)行修正，考慮了旋轉(zhuǎn)及曲率效應(yīng)對流動的影響， 與標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型相比可以較好的處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動。
3.3 邊界條件與初始條件
    計算時采用 “多重坐標(biāo)系” （MRF ） 模型耦合動靜部分區(qū)域，即葉輪區(qū)域為旋轉(zhuǎn)區(qū)域， 采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系， 流體給定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度； 其余區(qū)域為靜止區(qū)域， 采用靜止坐標(biāo)系。 定義所有的葉片表面， 前、 后盤面為旋轉(zhuǎn)壁面， 給定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度； 蝸殼內(nèi)壁面為靜止壁面； 旋轉(zhuǎn)壁面和靜止壁面均滿足無滑移邊界條件。定義進(jìn)口延長段的進(jìn)口截面為整個計算域的進(jìn)口， 出口延長段的出口截面為整個計算域的出口。風(fēng)機(jī)進(jìn)口處給定速度進(jìn)口邊界條件， 出口處給定壓力出口邊界條件； 進(jìn)、 出口處的湍流邊界給定水力直徑和湍流強(qiáng)度 I。湍流強(qiáng)度 I 計算公式為:式中： R eH —根據(jù)水力直徑計算出來的雷諾數(shù)。近壁面處理采用Launder 和 Spalding 提出的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù) [6] 。