贯流风机结构参数及工作特性的关联.pdf

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1、第38卷 第7期2004年7月上 海交通大学学报JOURNAL OF SHAN GHA IJ I AOTON G UN I V ERSITYVol.38 No.7Jul.2004收稿日期:2003205225基金项目:国家重点基础规划(973)资助项目(G2000026309)作者简介:胡俊伟(19752),男,江西波阳人,博士生,主要从事制冷空调气动与声学性能的研究.丁国良(联系人),男,教授,博士生导师,电话(Tel.):021262932110;E2mail:.文章编号:100622467(2004)0721156205贯流风机结构参数及工作特性的关联胡俊伟,丁国良,赵力,张春路(上海交

2、通大学 制冷与低温工程研究所,上海200030)摘要:利用计算流体力学方法对贯流风机内部气体流动进行了数值模拟,研究了贯流风机的流动状态和结构参数变化对其产生的影响.分析了蜗舌间隙、进口角、蜗壳间隙、蜗舌位置角、出口角变化与贯流风机进、出口流速间的关系,从中寻找出结构参数变化对贯流风机流场影响的规律.通过计算分析,确定了不同工况下贯流风机进、出口角的最佳范围以及最佳蜗舌间隙的选取方法.将模拟计算结果与实验结果进行了比较.结果表明,数值模拟的结果与实验结果基本吻合.关键词:贯流风机;结构参数;数值模拟中图分类号:TK 81文献标识码:ARe la tionship of the S tructu

3、re Pa ram e te rs andPe rform ances of C ross2Flow FanH U J un2w ei,D IN G Guo2liang,ZH A O L i,ZH A N G Chun2lu(Inst.of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiaotong U niv.,Shanghai 200030,China)Abstract:The internal flow of a cross2flow fan was simulated w ith computational fluid dynam ic(CFD),an

4、d the influence of the structure parameters on the performance of the cross2flow fan was analyzed.Thestructure parameters include volute throat gap,inlet angle,volute case gap,volute throat angle,outlet angleand so on.Based on the analysis of the influences of the structure parameters on the velocit

5、y of inlet andoutlet,the relationship between the structure parameters and the flow filed of the cross2flow fan can be de2term ined.In different conditions the optimal range of inlet angle and outlet angle was identified and the op2timal volute throat gap was also known by analyzing.Some calculated

6、results were verified by the experi2mental data which show s they are reasonable.Key w ords:cross2flow fan;structure parameters;numerical simulation贯流风机因其特殊的结构和性能特点逐渐为人们所重视.其内部流动的最大特点是,流体沿径向流入最后再沿径向流出,两次流经风机叶轮.贯流风机尺寸小、结构紧凑,整个风机只有3部分,即蜗舌、隔板、转子.产生的气流具有流量大、横向均匀的特点,不管叶轮的直径大小如何,均可以根据对风量的要求自由选择叶轮长度,因而被广泛应

7、用于制冷空调、化工机械等各种能量利用系统中.但由于这种风机内部流动复杂,目前国内外对它进行的大部分还是实验研究.Shuji等1利用激光多普勒测速技术对具有不同转子尺寸的贯流风机流场进行了测试,分析了转子尺寸和雷诺数对风机工作性能的影响.H iromu等2,3用粒子轨迹追踪测速技术对贯流风机流场进行了测试,分析了流动系数 0),C4=-0.33.3流场计算及结果分析数值分析采用雷诺平均的N S方程作为控制方程,湍流模型为k2模型,近壁处流动采用壁面函数法处理.压力与速度耦合方程采用SI M PL E算法求解.由于贯流风机转速较低,因此计算按不可压流动处理.为了模拟叶片的运动,采用STARCD中多

8、重旋转坐标方法进行处理,给定转速为1 000 r?m in.计算时进口和出口适当延长,且均设为压力边界,并给定大气条件为压力边界值,采用无旋假设,湍流动能按平均来流动能的1%计算,耗散率:=C3?4K3?2?L(6)式中,L为混合特征长度.叶片和壳体处采用壁面边界条件及速度无滑移条件.网格为六面体网格,网格数为12万个,图2为计算网格图(不包括进、出口延长部分).图2计算网格图Fig.2M eshes of the computational domain3.1CFD模型的验证与分析为了验证所使用的CFD模型的正确性与合理性,先就蜗舌间隙对贯流风机流场产生的影响进行了模拟.赵京华等7曾用实验方

9、法对相同条件下贯流风机内蜗舌间隙的影响进行了测量,流场参数是通过三孔探针引出压力信号,由微压计显示读数来得到的.图3为蜗舌间隙1=5、25mm时对风扇流场产生影响的模拟结果.由图可见,叶轮内侧始终存在一个能控制整个气流流动的偏心涡流,该涡流的旋向与叶轮的转向一致.由于这种内涡流的存在,使已经排出的空气又倒流回叶轮内部,这种回流造成了很大的能量损失.横流风机的效率就取决于这种回流流量在总流量中所占的比例.所以控制这种偏心涡的大小和位置对改善贯流风机的流场有很大作用.同时,从图中可发现,1较大时,偏心涡的中心位置靠近叶轮的中部,而 1减小时,涡心的位置外移,并向蜗舌和出风口靠近.由于涡心向边部偏移

10、,气流的回流减少;反之,则回流增加.这说明蜗舌间隙的大小可以控制气流的流动,减小该间隙可使回流减小,提高风机的效率.图3速度矢量图Fig.3V elocity contours图4表明了不同 1对风机出口流速v产生影响的模拟结果,横坐标为出口处y方向坐标.由图4可见,随着 1的减小出口流速曲线整体是上升的,即出口处各点流速均有所提高,由此可知 1减小,出口流速增加.图41对风扇出口流速的影响分布Fig.4Influence of1on velocities in exit图5为风机出口平均流速的模拟结果与实验结果7的比较曲线.从图中可以看出,计算结果与实验结果基本一致,均反映出口平均流速v随1

11、减小而8511上海交通大学学报第38卷增大这一特点.这主要是因为 1减小,偏心涡外移,从而使气流的回流减少,提高了出口流量.图51对风扇出口平均流速的影响分布Fig.5Influence of1on averaged velocities in exit3.2进口角 1对风机流场的影响对不同进口角的风机流场进行了模拟.图6为进口和出口流速随进口角 1变化的模拟结果,图6(a)横坐标为进口处x方向坐标,图6(b)横坐标为出口处y方向坐标.由图可见,1减小,v增加,速度分布较均匀.但随着 1减小,进风面积也随之减小,从而导致出口速度降低.图61对风扇进出口流速的影响Fig.6Influence o

12、f1on velocities in exit and entrance3.3蜗壳间隙 2对风扇流场的影响2对贯流风机的流场也会产生一定的影响.图7为不同 2对风机进口和出口流速影响的模拟曲线.图7(a)横坐标为进口处x方向坐标,由图7(a)可见,随着 2的增加,进口流速曲线整体下降,即进口处各点流速均有所降低.由此可知,2减小,进口流速增加.图7(b)横坐标为出口处y方向坐标值,由该图可见,随着 2的增加,出口流速曲线整体轻微下降,即出口处各点流速均有所降低.由此可知,2减小,出口流速也有所增加.另外,将图7(b)与图4、图6(b)比较可看出,图7(b)中曲线变化较小,即2对贯流风机出口流速

13、的影响比 1、1的影响要小.图72对风扇进出口流速的影响Fig.7Influence of2on velocities in exit and entrance3.4出口角 2对风机流场的影响2值不宜过小,因为 2减小,蜗舌增大,导致蜗舌处噪声增大;同样 2也不宜过大,因为 2增大,出口面积增大,导致出口流速降低.文献8中曾对D1=240 mm、D2=200 mm,叶片数26的贯流风机进行了测试,提出 2取110130 风机性能较好,在此基础上本文对大于130 的 2进行了数值模拟.在 2变化的同时,对蜗舌位置角 也作了相应变化.图8为 2、同时变化对风机进、出口流速影响的模拟曲线.图8(a)

14、横坐标为进口处x方向坐标值,由图8(a)可以见,随着 2、的增大,曲线整体有所上升,即随着 2和 的增大,风机进口流速增大.图8(b)横坐标为出口处y方向坐标值,由该图可见,风机出口流速是随着 2、的增加而增大的.以上结果分析表明,当 2取130140 时,贯流风机的进、出口流速都有所增加,即贯流风机的性能还是比较好的.因此笔者认为:在适当增加 后,适宜的 2范围可拓宽至110140.9511第7期胡俊伟,等:贯流风机结构参数及工作特性的关联图82、对风扇进出口流速的影响Fig.8Influence of2、on velocities in exitand entrance4结论本文利用CFD

15、方法对贯流风机内部气体流动进行计算模拟,从而对贯流风机的性能进行了分析.通过分析比较蜗舌间隙变化对流场产生影响的模拟结果与实验结果,得到了蜗舌间隙影响流场的规律,即随着 1的减小,出口流速增加,这是因为蜗舌间隙减小,偏心涡外移,从而使气流的回流减少,提高了出口流量.同时,通过模拟其它壳体参数(进口角、蜗壳间隙、出口角和蜗舌位置角)变化对贯流风机进、出口流速的影响,预测了进口角、蜗壳间隙、出口角和蜗舌位置角的变化对贯流风机的工作性能产生影响的规律:(1)随着进口角 1减小,进口流速增加,速度分布较均匀,但同时随着进口角减小,进风面积也随之减小,从而导致出口速度降低;(2)随着蜗壳间隙 2的减小,

16、进口流速和出口流速均有所增加,但分析表明,蜗壳间隙的影响与进口角、蜗舌间隙产生的影响相比要弱一些.(3)通过对出口角为130140 的贯流风机进行的模拟和分析可知,在适当增加蜗舌位置角后,适宜的出口角范围可拓宽至110140,而对于出口角大于140 的情况还有待于进一步研究.参考文献:1 Shuji Tanaka,Susumu M urata.Scale effects in crossflow fans(effects of fan di mentions on flow detailsand the universal representation of performances)J.JS

17、 M E International Journal,1995,38(3):388-397.2 H iromu T surusaki,Yoshinobu T suji moto.V isualiza2tion measure and mumerical analysis of internal flowin cross2flow fanJ.Journal of Fluids Engineering,1997,119(3):633-638.3 H iromu T surusaki,Yoshinobu T suji moto.Study ofcross2flow2faninternal flowb

18、y flowvisualization(discussion of measured results by particle2trackingveloci metry)J.JS M E International Journal,1996,39(3):540-545.4 刘师多,周炜,师清翔,等.横流风机吸气能力与壳体参数的关系J.洛阳工学院学报,1998,19(3):26-30.L I U Shi2duo,ZHOU W ei,SH IQ ing2xiang,et al.Therelationship between inhaling attribute and case pa2rameter

19、s of the cross flow fan J.Journal of Luo-yang Institute of Technology,1998,19(3):26-30.5 杨波,钟芳源.横流风机内部流动实验研究J.机械工程学报,2000,36(6):68-70.YAN Bo,ZHON G Fang2yuan.Experi mental study ofthe internal flow of the cross2flow fan J.ChineseJournal of M echan ical Engineering,2000,36(6):68-70.6 陈次昌.横流式风机内部流动的研空

20、J.农业机械学报,1995,26(4):90-94.CHEN Ci2chang.Study of internal flow of cross2flowfan J.Chinese Society of Agricultural Machinery,1995,26(4):90-94.7 赵京华,万淑敏.横流风机工作性能的实验研究J.天津商学院学报,1995,15(4):1-6.ZHAOJing2hua,WANShu2m ing.Experi mentalstudy on cross2flowfans J.Chinese Journal ofTianjin Un iversity of Commerce,1995,15(4):1-6.8 游斌,区颖达.影响横流风机性能的各几何因素J.风机技术,1997,(6):22-25.YOU Bin,QU Ying2da.Geometry element affectingthe performance of the cross flow fanJ.Fan Tech-n ique,1997,(6):22-25.0611上海交通大学学报第38卷