高速磁悬浮离心风机气动部分设计和仿真

摘要

离心风机在社会应用中扮演着十分重要的作用，由于其能耗低、转速高、容积效率高且输送气体清洁干净等优点，被广泛地应用于化工厂、电厂以及建筑等场所的通风换气、排烟降温以及处理污水中。在二级污水处理工艺系统中，风机是曝气流程系统的重要设备，风机的效率是最重要的技术经济指标，其电耗占污水处理厂全部电耗的50％～60％。目前国内的风机，大部分还处于3000r/min的转速水平，由于机械轴承的摩擦造成效率偏低。为此，专门研发新型高速磁悬浮离心风机，合理设计叶轮的样式以及结构尺寸，采用SOLIDWORKS绘图软件精确绘制叶轮及蜗壳的三维图形，应用CFD流动分析软件和SIMPLE算法，直观描述离心风机内部三维粘性流场，根据模拟数据与计算数据之间的对比验证风机设计。
　　 文章首先介绍了高速离心风机与其他类型风机比较所具有的突出优点，随后，论述了计算流体力学的理论知识和基本原理，并详细地介绍了通用的FLUENT软件的基本功能及特点。第三章介绍了叶轮内流体的基本方程以及叶轮选型的依据，然后推导出离心风机气动部分的结构计算式，对部分参数选取合理的预选初值，并用MATLAB对计算过程进行编程，最终计算出包括叶片数、级数、叶轮进出口直径以及叶轮转速等参数。第四章以这些参数值为预选值，应用SOLIDWORKS搭建高速风机叶轮、扩压器以及蜗壳等部分的三维模型，并将这些模型的STEP文件导入GAMBIT软件中，采用TET/HYBRID网格单元、TGRID网格类型以及合适的网格尺寸对这些模型进行网格划分。
　　 文章的最后部分，介绍了本模型采用的几种FLUENT边界条件并详述了设定过程。随后，采用分离隐式求解器，应用标准k-ε两方程湍流模型，对高速磁悬浮离心风机气动部分进行了数值模拟，将仿真计算获得的叶轮进出口压力、叶轮出口圆周速度矢量以及湍动能等参数的值与对应的设计预选值进行了分析和比较。
　　 结果表明，数值模拟计算出来的结果与设计预选数据基本吻合，验证了本文模型设计的合理性，即本文前面经过公式推导设计的叶轮、扩压器以及蜗壳的结构尺寸能够满足项目要求。应用本文提供的设计公式和建模方法完全可以设计出符合预期效果的高速离心风机气动部分的结构尺寸，并可以用于工程实际。本课题的研究为新型高速磁悬浮风机的设计提供理论依据，对于提高高速离心式风机的设计水平具有重要意义。