基于STARCCM+的多翼離心風扇流場分析
前言
多翼離心風機由于其具有尺寸系數小、噪聲低、流量系數大和壓力系數高等優點，被廣泛應用于吸油煙機、空調室內機、工廠、礦井和電氣設備等的通風換氣和冷卻中,在國民經濟建設中發揮巨大作用。多翼離心風機其結構上的特點是葉型呈前彎型，并且葉片數目較多，通常在40片以上，而且其葉片往往是等厚度的單圓弧葉片，方便加工制造。
設計模型
圖1 葉輪設計
圖2 蝸殼設計
圖3 風機二維/三維顯示界面
CFD仿真建模
為了提高計算的進度，把出口部分進行自動延長從而減小出口回流對計算精度的影響。將整個流體域劃分成四個部分，分別為進口部件、葉輪、蝸殼和出口段。網格劃分采用CCM+所特有的多面體技術劃分高質量的網格，并且對葉輪和蝸殼壁面進行邊界層加密，保證邊界上使用壁面函數所要求的Y+范圍。各區域通過interface相連，interface面之間的網格完全貼合，這樣可以使交界面上的數據交換更加準確，提高計算的精度。最終計算網格總體網格數為4388873，其中葉輪區域網格數約3884712，蝸殼網格數為366757，進口部分網格數339046，出口部分網格數98358。各個部件的網格如圖4~7所示。
圖4 進口網格 |
圖5 葉輪網格 |
圖6 蝸殼網格 |
圖7 整體網格 |
計算的邊界條件為：進口設置為流量進口，出口邊界設置為壓力出口（靜壓為0Pa），旋轉區域建立參考坐標系(Reference Frames)，其中旋轉中心為[0,0,0]，旋轉軸為[0,0,1]，旋轉速度為1000rpm。本文計算采用穩態分離隱式求解，湍流模型采用Realizable k-Epsilon Two-Layer模型，不考慮重力和熱量的影響。動量方程、湍動能方程、耗散方程的空間離散格式均采用二階離散格式。
流場分析
下面對設計工況下的風機內部流場進行分析。截取葉輪中間位置的 XY 截面與XZ 截面，網格如圖8所示。在XZ截面上建立速度矢量Vxz的流線分布，如圖10所示。從圖中可見流量大部分靠近蝸殼出口側流動，并且在蝸殼中形成了非常明顯的上下兩個二次渦流，這是蝸殼中主要損失之一。其主要的成因是軸向上流動分布不均，造成上下壓力不平衡而形成的二次流動。在XZ截面上建立徑向速度的矢量分布圖，如圖11所示。徑向速度間接代表了葉輪進出口的流量分布。從圖中可以更加明顯的看到流量在軸向上分布非常不均勻，其主要原因是空氣從外界進入葉輪前由于多翼離心風機軸面流道的特點，無法使軸向進氣能很好的均勻的導出徑向出氣，所以無法避免的造成了軸向速度分布不均勻。從優化的角度需要對軸面流道和進氣裝置的導流特性進行優化。
圖8 XZ、XY截面示意圖 |
圖9 XY截面葉輪示意圖 |
在XY截面上，建立面上葉輪內部Vxy矢量的相對速度流線分布圖，如圖12所示。圖中可見葉輪間都或多或少的存在葉間渦，其中約有 2/5 的流道中渦占據一半位置以上，在流量集中區域渦相對較小，但仍然存在。因此葉間渦的作用對多翼離心風機中的影響不可忽視。而葉間渦形成的主要原因是由于多翼離心風機葉輪有著很大的正沖角和較大的相對液流角變化導數，所以造成了葉片上的邊界層分離和形成了正壓力梯度，從而不可避免的形成了葉間的二次渦流動。圖13表示葉輪間的實際相對液流角度的變化情況。對比圖12可見，對于葉間渦流較大的區域液流角變化很不規律，這主要受渦流的影響造成的。從實際液流角和葉片相對出口角相比可見，實際液流角較葉片相對出口角都會小十幾度甚至幾十度，這就是有限葉片造成的速度滑移直觀體現。
圖10 XZ截面上流線 |
圖11 XY截面上徑向速度 |
圖12 XY截面葉輪間流線 |
圖13 XY截面相對液流角 |
圖14顯示了XY 截面上無量綱壓力系數變化圖。壓力系數的變化可以更加清晰的展現風機中能量的變化情況，而且壓力系數也可以反過來指導我們在風機設計中該如何選取合理的壓力系數。圖14顯示了風機中湍動能比較集中的區域。湍流主要集中于靠近出口的葉輪間和蝸舌附件的中上部分。這部分也是四極子噪音的主要來源，所以噪聲優化因從這幾個位置進行調整優化。
圖14 XY 截面上壓力系數變化及湍動能集中區域
截取XY 截面上的葉輪型線，因為葉輪較多所以截取有代表性的靠近蝸殼出口的一個葉輪型線Blade，如圖9所示。做此葉片上壓力面和吸力面上的載荷分布，如圖16所示。從圖中可見葉片靠近進口部分的兩面壓差較大，這也是進口沖擊和渦共同作用造成的，這也造成葉輪扭矩相對較大，效率較低。取XY 截面中的葉輪進出口周向型線Cir_in和Ci r_ out，如圖9所示。圖17顯示了進出口周向型線中的總壓分布。從圖中顯示可見，在蝸舌之前靠近蝸殼出口部分產生了較大的壓差，說明這部分是風機對空氣做功的主要來源，在蝸舌之后部分進出口壓差最小，這是因為這部分流量較小，但同時造成的流動損失較大。這也顯示了蝸殼的結構對多翼離心風機的周向不均勻性產生了很大的影響。我們在設計時需要關注如何進一步優化蝸殼型線，降低風機的不均勻性和損失。
圖15 葉輪壓力面吸力面載荷分布
圖16 葉輪進出口周向總壓分布
實驗測試
試驗臺測試原理完全參照《GB/T 17713-2011》中設置，結構如圖17所示。試驗中，風機電機為交流電機，氣流依次通過連接器、十字整流器和擴散段后進入測壓段。通過變換下游孔板的開孔直徑，測得每一個工況點的動態測試數據，并計算得出空氣性能。由于風機越來越復雜的內部流動，導致較小流量工況模擬結果的誤差逐漸增大，故只對0.1m3/s之前的工況進行數值模擬。將數值模擬所得性能曲線和試驗測試所得總壓與流量的特性曲線進行對比，對比結果如圖18所示。計算得到的性能曲線較試驗所測值偏小5%-10%，在可接受的范圍之內，模擬和試驗靜壓隨流量的變化趨勢基本相同。故認為本文所采用的數值模擬方法、邊界條件的設置都是合理的，數值模擬結果是可靠的。
圖 17 性能試驗臺示意圖
圖18 實驗與仿真對比
總結
本文針對多翼離心風機的特點，采用C#開發了MBCFDesigner設計仿真軟件，其特點如下：
（1）軟件應用了全新推導的考慮渦流影響的滑移系數計算模型，通過與實際測試對比也驗證了這個模型的準確性。此模型解決了很多教材中對前向多翼離心風機滑移系數計算不準確的問題，但限于文章篇幅未進行新計算模型的推導說明。
（2）軟件采用對CAD軟件的二次開發，可以快速的參數化自動生成流體域計算模型，從而大大提高了設計效率。同時也可快速導出葉輪、蝸殼、輪轂輪緣型線，可以作為接口文件方便的與其他CAD、網格軟件等進行對接。
（3）CFD仿真通過采用Java對StarCCM+進行二次開發，實現結構模型和CCM+的對接，并且實現了CCM+的自動網格劃分、邊界設置、計算求解和后處理分析。通過與實驗測試對比，驗證了CCM+對風機仿真的準確性比較高。
文章來源：CFD入門到精通
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