离心式通风机整机三维数值模拟及其结构改型设计分析

摘要

通风机是广泛应用于国民经济各行业的一种通用机械。据统计，我国各类风机和泵的耗电量约占我国总发电量的三分之一，仅工业用通风机的耗电量就占我国总用电量的5％左右，随着通风机的需求量日益增大，制造原材料的消耗也不断增加。因此，从节约能源和资源的角度考虑，设计出低成本高效率的风机有十分重要的意义。
　　流体机械的设计方法和思想都来自于大量实验，通过这样的方法能够得到较好的风机基本技术参数，但这种方法不仅需要耗费大量的费用和时间，也不能确定风机内部的流动状况。由于CFD（计算流体动力学，全称Computational Fluid Dynamics）可以相对准确地给出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场等的时变特性，不仅可以准确预测通风机的整体性能，还可以很容易地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，减少设计或优化对试验的依赖性，大为缩短设计周期，降低费用。因此在风机设计方面越来越多的应用CFD软件来代替传统风机实验方法。
　　本文应用Solidworks建立DFY23F-C4A型离心风机的整机模型，运用计算流体力学软件Fluent对其内部的三维气体流动进行了模拟分析。采用了非结构化网格与RNGk-ε湍流模型，考察了离心风机整机和其子午面、回转面、叶片表面等重要部分的静压力、动压力、速度矢量和速度梯度等参数并进行比较，得到了一些新的流动现象，结果表明:离心风机流体区域的压强和流速是非轴对称的，这是由于整机的非轴对称性而产生;离心风机的蜗壳出口的面积过大，致使在蜗壳出口处压力过低而产生较多的逆流，使得风机出口风压减小，效率降低;蜗壳内部整体的流动像扭曲的麻花般旋流流出，不利于气体流动;离心风机流体区域内存在涡流、尾流-射流、二次流动等现象，使风机噪音增大，并影响其效率。这些结果对研究风机的振动及噪声控制有一定的指导意义。之后通过对离心风机不同流量工况分别进行计算，得出不同流量工况下离心风机的全压和效率，并绘制出P-Q曲线及η-Q曲线，与实验数据加以比较，并分析了模拟值与实验值误差的来源。最后对DFY23F-C4A离心风机的进气箱、集流器和蜗壳进行适当改型，得到三种改型设计方案。分别对每种改型设计进行模拟计算，绘制改型后的P-Q曲线及η-Q曲线，计算不同部件的能量损失，并与原机型进行比较，分析得出:改进型风机总体性能较原机型稍差，但制造成本较原机型有较大降低，可以考虑在最佳流量工况点附近替代原机型。
　　本文数值模拟结果为企业进一步改进风机结构、改善风机内部流场流动、提高风机效率、扩大运行工况、风机改型创新提供重要依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 离心式通风机简介

1．3 离心式通风机内部流场的研究方法

1．4 离心通风机CFD研究现状及发展趋势

1．5 本文主要研究工作

第2章 离心通风机数值模拟理论基础

2．1 计算流体力学的介绍

2．1．1 纳维—斯托克斯方程组求解方法

2．1．2 商用CFD软件简介

2．2 商业软件FLUENT概述

2．3 网格划分

2．3．1 网格类型

2．3．2 网格质量评价

2．4 流动控制方程

2．5 控制方程的离散方法

2．6 湍流模型的选取

2．6．1 标准k-epsilon模型

2．6．2 RNG κ-ε模型

2．6．3 Realizable κ-ε模型

2．7 求解器的选取

2．8 边界条件的设置

2．9 压力与速度的耦合方式

2．10 在近壁区使用κ-ε模型的问题及对策

2．11 本章小结

第3章 离心通风机数值模拟结果及分析

3．1 离心通风机物理模型的建立

3．1．1 叶轮的建模

3．1．2 进气室流道的建模

3．1．3 集流器的建模

3．1．4 蜗壳流道的建模

3．1．4 整个风机的建模

3．2 计算物性的选取及通风机的主要性能参数

3．3 GAMBIT网格生成及边界条件定义

3．3．1 网格生成

3．3．2 边界条件定义

3．4 FLUENT数值计算方法

3．4．1 流场控制方程的建立

3．4．2 计算方法的假定及边界条件的定义

3．4．3 坐标系的选用

3．4．4 收敛判定

3．5 模拟结果及分析

3．5．1 子午面上的模拟结果分析

3．5．2 回转面上的模拟结果分析

3．5．3 叶片表面上的模拟结果分析

3．5．4 整机模拟结果分析

3．6 P-Q曲线及η-Q曲线性能分析

3．7 误差来源分析

3．7 本章小结

第4章 结构变化对整机性能影响的分析

4．1 各个部件的改进设计

4．1．1 进气箱的改进设计

4．1．2 集流器的改进设计

4．1．3 蜗壳的改进设计

4．2 改进型的P-Q曲线及η-Q曲线性能分析

4．3 风机各部件能量损失

4．4 本章小结

第5章 结论和展望

5．1 本文结论

5．2 展望

参考文献

致谢