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轮毂比对射流风机性能影响的数值分析
发布者:tenghaijun 发布时间:2016/10/19 12:15:18

Abstract
摘要:运用FLUENT软件对射流风机进行数值模拟,分析其内部流场变化情况,并对射流风机的不同轮毂比下的流场进行了模拟和分析,由最终数据得出轮毂比对射流风机的叶轮效率的影响,为射流风机的设计工作提供了相关帮助。
关键词:FLUENT;射流风机;轮毂比;叶轮效率
中图分类号:TH431 文献标志码:A
Numerical Analysis of the Influence of Hub Ratio on Jet Fans 
Abstract: Numerical simulation to jet fan is conducted by Fluent software which analyzes the change of internal flow field, and the flow field of jet fan is simulated and analyzed under the condition of different hub ratio. The final data conclude the influence of hub ratio on the impeller efficiency of jet fan, which provides related help to the design of jet fans.
Key words: FLUENT;jet fan; hub ratio; impeller efficiency
0 引言
  传统的叶轮机械设计是以实验为基础的设计,设计周期长,费用较高,CFD的运用则改变了传统的设计过程,由于CFD 软件可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场、浓度场等时变特性,因而不仅可以准确预测流体机械的整体性能,而且很容易从对流体的分析中发现产品或工程设计中的问题,减少未预料到的负面影响,这样产品设计或优化对实验的依赖性大为减少,能够显著缩短设计周期,降低费用[1] 。目前,利用计算流体动力学进行模拟已逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手段。通过这种“数值试验”可以充分认识流动规律。进行优化设计,并且可以大幅减少实验研究工作量。本文采用FLUNET软件,对射流风机在不同轮毂比下的内部流场进行了数值模拟,经过模拟数据的对比分析,为射流风机的设计工作提供了帮助[2] 
1 射流风机简化模型的建立
  射流风机是一种特殊的轴流风机,因此,在设计射流风机的参数选择上,大致与轴流风机是相同的。一般轴流风机叶轮产生的有效能量包括静压和动压,静压用来克服管网阻力,动压用来输送气流;而射流风机所产生的有效能量仅仅是风机的出口动压,需要出口动压来推动隧道内的气流流动,因此在射流风机产生的全压中绝大部分应该为射流风机的动压,这正是射流风机气动设计与普通轴流风机的重要不同之处[3] 
  根据文献[4]所提供的设计实例数据:射流风机出口直径为630mm,推力为350N,流量Q=9.54m3/s,风机出口速度v=30.6m/s,出口动压pd=562Pa,静压pst=44Pa,风机全压pt=562+44=606Pa。根据轴流通风机叶轮叶片环的空气动力计算方法对此射流风机模型进行等环量设计。根据文献所提供的设计实例数据可得到叶轮半径r、各截面相对半径r-、各截面气流圆周速度u、各截面上气流扭速△cu、气流轴向绝对速度ca、平均相对速度wm、平均相对速度气流角βm、空气动力负荷系数τCy、各截面叶栅稠度τ、各截面升力系数Cy、翼型相对厚度τ、各截面叶片宽度b、叶片安装角θ、各截面叶片厚度C、各截面叶片冲角α等相应参数的数据。在翼型选择上,本文选用的CLARK Y翼型,叶片数为6。电动机选用的是YF系列风机专用三相异步电动机中的YF132S2-2,则射流风机简化模型见图1。

2 射流风机的数值模拟
  对射流风机内部流场模型进行网格划分、边界条件与区域设定、计算参数的设置、求解模型、流体的材料属性、工作压强、边界条件、求解参数等一系列的设置与操作后对进口inlet初始化,然后进行迭代完成收敛,从而完成了FLUENT软件对射流风机内部流场的数值模拟。

  在图2射流风机内部流场速度流线图中可以清楚的看出,空气沿着轴线方向平稳地进入射流风机内部,经过叶片后空气流动不仅在轴向上进行了加速,还有了绕轴的旋转速度,并延续到了出口。因此,通过此流线图我们可以看出,空气在射流风机出口处并不是和进口处一样沿着轴向方向平稳的流出,而是带有强烈的旋绕速度在出口处导出的。射流风机叶片按等环量设计,叶轮出口轴向速度沿叶高方向是均匀的,但是由于轮毂与出口整流罩占去部分流通面积,风机出口截面轴向速度并不是均匀分布的。在图3中可以看出在整流罩尾端出现了涡旋,从而造成风机出口处中间小部分区域气流紊乱,导致出口流速和出口动压能损失的增加,对风机性能产生一定的影响。

3 轮毂比对其影响
  在通风机中,轮毂直径通常用轮毂比d-(d-=d/D)来表示[5] 。在参考文献轴流风机实例的设计过程中,升力系数Cy为0.87~1.025;在本文射流风机设计中叶片各截面升力系数Cy选取为0.60~0.9。本文翼型相对厚度的选择与参考文献轴流风机实例的设计是相同的,均为0.08~0.10。
  由于射流风机的静压pst全部用于克服通流部件的流动阻力损失,故有:
                 pst=△p=Ks(1/2)ρν2+Kr(1/2)ρν2+Kc(1/2)ρν2-Cp(1/2)ρνz2        (1)
式中:Ks为进口集流器损失系数;Kr为进风管道阻力系数;Kc为出风扩散管道阻力系数;Cp为出风扩散管道静压恢复系数;Vz为叶轮环形流道轴向平均气流速度;v为风机进口处的轴向平均气流速度。
  射流风机的有效空气功率N等于风机出口有效动压乘以体积流量Q,即:
          N=(1/2)ρν2.Q=(1/2)ρQ3/A22=(1/2)Fv                (2)
式中:v为风机出口轴向平均速度,m/s。
  射流风机叶轮输出功率:
           Ny=ptQ=(pst+1/2ρν2)Q      (3)
  射流风机的叶轮效率等于风机有效空气功率除以叶轮功率,即:
               ηy=N/Ny     (4)

  由公式可知,射流风机的静压越小,叶轮效率越高,故研究轮毂比对射流风机的叶轮效率的影响是很有必要的。
  在其他参数相同的情况下,选择轮毂比为0.3、0.32、0.35、0.38、0.40、0.42、0.45的射流风机流场进行数值模拟。数值模拟结果的精度和网格生成密切相关,为保证计算精度的准确性,对叶片的压力面与吸力面进行网格加密,完成加密网格试验。最终导出相关数据进行运算与对比,分别代入公式(2)~(4)中,得出不同轮毂比的射流风机的静压与叶轮效率进行比较,绘制折线图见图4和图5。计算结果表明,轮毂比大于0.32后,叶轮产生的静压逐步提高,导致射流风机的叶轮效率降低。
  从图5可以看出:
  1) 轮毂比为0.32时叶轮效率最高;
  2) 轮毂比在过了0.32后,叶轮效率随着轮毂比的增加而不断降低;
  3) 网格加密实验与正常网格实验模拟数值结果趋势相同且精度相差不大,确保了计算结果精度的准确度。
4 结论
  本文在射流风机模型建立过程中,根据轮毂比的不同按照轴流风机叶片的设计方法,对每一个不同轮毂比叶片都重新进行设计建模,由于没有后导流器,射流风机出口处气流的导出并不是沿着轴向方向平稳流出,而是将经过叶片时的旋转动作延续到了出口,当射流风机内部的气流在导出出口处冲击外部大气时,除了给外部气流一个轴向的加速外,还会将这种旋转流动延续传递给外部气流。射流风机的内部流场在不同轮毂比下的流动趋势大体是相似的,但是对叶轮效率有着很大的影响。本文在射流风机的设计过程中,最高效率点出现在轮毂比0.32处,轮毂比0.45时效率最低。轮毂比为0.30时,由于轮毂直径小于电动机外壳直径,使得风机内部阻力损失增大,效率降低。当轮毂比增大时,由于轮毂占去部分流通面积,将造成叶轮内部速度的增大,但这并没有使推力相应增大,而是在扩散筒中转化成静压,并产生扩压损,风机的静压增大,效率就会变小。由此可见,射流风机轮毂比的选取与普通轴流风机轮毂比的选取大致相同,不宜太小,也不宜过大。不同的风机都有其对应的最佳轮毂比,因此关于射流风机轮毂比的分析研究和最佳轮毂比选取具有重要意义。

 
 

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