一、離心通風機數值計算模型及分析

1.1 　網格劃分及計算方法的確定

現以我院設計的A型離心通風機為研究對象，該風機由于其自身小流量、高壓力、低噪聲的特性，廣泛應用于特殊用途，受到客戶的一致好評。然而，在實際應用中，客戶反映該型號風機的噪聲特性不是很穩定，某單臺風機的噪聲值甚至超過限定值，靜壓也稍偏高。圖1、圖2分別為該型號風機改進前的結構簡圖及葉輪示意圖，風機采用非常規蝸舌、長短葉片，其基本設計參數：葉輪直徑D=560mm，設計流量Q_v=1000m³/h，設計靜壓p_sF=4500Pa ，噪聲限定值≤75dB（A）。

由于風機的結構較復雜且屬于不規則形狀，網格劃分采用三維非結構化網格。相對于結構化網格，非結構化網格計算過程比較復雜，但局部加密比較容易，對不規則空間適應能力較強，易于顯示流場的細微結構。本文選用四面體非結構化網格對計算模型進行網格劃分，共生成了615455個網格。整個流場按主要部件劃分為3個計算區域，即：1——進口模擬管段；2——風機機殼內靜止段加出口模擬管段；3——風機葉輪旋轉區域段，各區域單獨生成合適的網格，相鄰的區域共用同一個面，享用相同的網格節點。其中區域3為運動域。

由于風機模型含旋轉的動邊界和靜止不動的靜邊界，因此，旋轉葉輪和靜止機殼之間的耦合采用了多參考坐標性模型（MRF）。計算采用三維雷諾平均守恒型定常Navier-Stokes方程和k-ε標準兩方程湍流模型；壁面附近應用標準壁面函數。計算方法應用SEGREGATED 隱式計算方法，湍流動能、湍流耗散項、動量方程都采用二階迎風格式離散；壓力—速度耦合采用SIMPLE算法^[7]。

1.2 　邊界條件與收斂條件的確定

由于氣流流動的最大馬赫數小于0.3，因此假設氣體流動為不可壓縮定常流。進口選用速度進口邊界條件，出口選用自由出流邊界條件，根據離心通風機的實際運行工況給定進口風速和氣體干球溫度；葉輪軸盤、輪盤以及輪蓋區域選用旋轉坐標，給定旋轉壁面邊界條件，計算轉速為2900r/min ；風機葉輪旋轉的流體區域選用旋轉坐標，給定旋轉邊界條件，計算轉速為2900r/min，其余流體區域為靜止區域取默認值；相鄰的流體區域共用同一個面，將這些面設置為內部界面（interior）。

收斂條件通過觀察殘差曲線與監視進口及測試平面的靜壓變化以及進出口邊界的流量誤差來確定。首先，設置速度誤差和k、ε等參量的計算誤差都小于10^-3；當計算收斂時，觀察進口及測試平面的靜壓變化，如果靜壓變化仍很大，設置速度誤差和k、ε等參量的計算誤差都小于10^-4繼續進行計算，直到靜壓變化趨于平穩且進出口邊界的流量誤差小于10^-5時，認定為計算收斂。

1.3　 計算結果及分析

利用上述計算模型，模擬設計工況（即流量Q_v=1000m³/h的工況點），經過5000次迭代，計算基本收斂。計算得到的進出口靜壓差為5094.61Pa，通過風機性能試驗裝置測得的靜壓值為5021Pa。從上面數據看出，模擬數據與試驗數據基本吻合，誤差保持在3%以內，且風機靜壓值較設計值（設計靜壓p_sF=4500Pa）明顯偏高。

圖3表示了風機葉輪中截面的靜壓風布，從圖中看出，風機靠近蝸殼出口處的葉輪通道與其余部分的靜壓分布有稍微不同。圖4 表示了風機葉輪中截面上的速度分布，從圖中看出，靠近蝸殼出口處的葉輪通道內的速度分布與其他部分的葉輪通道內速度分布明顯不同，氣體在蝸殼內的速度分布除了在靠近出口處明顯不均外，其余部分差別不是很大。圖5可看出渦流存在的位置及大小，并能確定內部流動的不均勻位置。風機的內部渦流主要集中在葉片之間、風機進口以及出口蝸舌處，蝸舌結構型式以及蝸舌與葉輪間距的大小均會影響內部渦流的形成。圖6可看出噪聲的產生區域和強度分布。

從上述圖中看出，改進前在風機進口處，氣流進入葉輪區域明顯不是很均勻，氣流存在一定的分離現象，出現渦區，能量損失很大。氣流在葉片進出口、長短葉片之間以及蝸舌處流道內存在一定的喘動，這些都是導致風機模型噪聲較高的原因。可以預見，通過改變風機的葉輪結構，改善氣流在流道內的流動，減小渦區，還可提高通風機的效率，降低噪聲。