离心通风机

1 绪 论

1.1 课题的目的和意义

离心风机属于叶轮机械的一种，广泛应用于能源、环境、航空等各个领域，是工农业生产中主要耗能设备之一。离心风机在国民经济的各方面和社会生活各领域都有极广泛的应用。据统计，我国各类风机的耗电量占全国总发电量的三分之一，仅工业用通风机的耗电量就占全国总电量的12%。因此，设计出高效率的风机，对节约能源有十分重要的意义；同时，风机又是生产和社会活动中一个主要的噪声源，在保护环境作为国家一项基本国策的今天，风机噪声的研究己引起高度的重视。因此，低噪声离心通风机是社会各方面的迫切愿望和风机设计行业努力奋斗的又一主要目标。

离心通风机原理：离心通风机叶片之间的气体在叶轮旋转时，受到离

心力作用获得动能（动压头）从叶轮周边排出，经过蜗壳状机壳的导向，使之向通风机出口流动，从而在叶轮中心部位形成负压，使外部气流源源不断流入补充，从而使风机能排出气体。

电动机通过轴把动力传递给风机叶轮，叶轮旋转把能量传递给空气，在旋转的作用下空气产生离心力，空气延风机叶轮的叶片向周围扩散，此时，风机叶轮越大，空气所接受的能量越大，也就是风机的压头（风压）越大。如果将大的叶轮割小，不会影响风量，只会减小风压。

离心通风机主要由叶轮和机壳组成，小型通风机的叶轮直接装在电动机上中、大型通风机通过联轴器或皮带轮与电动机联接。离心通风机一般为单侧进气，用单级叶轮；流量大的可双侧进气，用两个背靠背的叶轮，又称为双吸式离心通风机。

离心风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。离心风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。

叶顶间隙流动是导致离心风机叶片产生流动损失的主要原因之一。在离心风

机叶轮中，因为叶顶间隙的存在，叶顶间隙泄漏就不可避免。叶顶间隙流对离心风机性能和稳定性都有着重要影响。离心机叶顶间隙流并非始终处于定常状态，在某些流动条件下，它会产生明显的非定常波动，并影响风机的总性能。充分了解风机叶顶间隙流的非定常特征，揭示其形成机理，并探索利用这种非定常特征提高离心机性能的可能性。

图1 离心通风机

1.2 离心风机的发展历史

1.2.1发展历史

风机已有悠久的历史。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心风机基本相同。1862年，英国的圭贝尔发明离心风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为40％左右，主要用于矿山通风。1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心风机，结构已比较完善了。

1892年法国研制成横流风机；1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心风机，并为各国所广泛采用；19世纪，轴流风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为100～300帕，效率仅为15～25％，直到二十世纪40年代以后才得到较快的发展。

1935年，德国首先采用轴流等压风机为锅炉通风和引风；1948年，丹麦制成运行中动叶可调的轴流风机；旋轴流风机、子午加速轴流风机、斜流风机和横流风机也都获得了发展。2002年，中国的防爆离心风机，在化工，石油，机械等领域广泛被采用，长林东防爆离心风机也得到了发展。

离心式压缩机是在离心通风机的基础上发展起来的，20世纪出现了压力比

为4.5的离心压缩机。50年代开始，离心压缩机制造业在欧美的工业发达国家得到发展。1963年，美国生产出第一台合成氨厂用的14.7MPa高压离心压缩机，采用筒型机壳代替水平剖分型机壳，又称筒型压缩机，它能承受10MPa以上的压力。70年代，美国、意大利和德国先后制成60～70MPa高压筒型压缩机，筒体壁厚280mm。80年代初排气压力已达80MPa。离心压缩机的转速一般为每分钟几千转以上，有的已达到25000转以上。所需功率可达几万千瓦，流量已达10000m3 /min。离心压缩机的常规叶轮是以一维流动理论为基础设计的，60年代开始应用三维流动理论设计空间扭曲叶片，以改善叶轮级的性能。 1.2.2 离心风机的发展现状

近年来中国风机行业已研制一系列高效新型风机，特别是随着引进技术的不断消化与完善，上故、沈鼓、成都电力机械的电站风机，上鼓的隧道分级，四平、重通的高温风机、北京西山、沈鼓、上鼓的工业锅炉风机等逐渐得到用户的认可，这给工厂带来极大的经济效果。但中国仍有多种低效旧风机需要更新换代，新推广的风机也有待于进一步完善。因此，中国应该不断提高风机产品质量、稳定市场需求，还要积极引进先进技术，提高技术开发能力；以名牌战略，大力开拓市场；以经济规模促进风机企业发展。

中国风机产品尚未涉及或将要涉及的领域还有许多，风机产品在煤矸石综合利用、新型干法熟料技改项目、冶金工业的节能及资源综合利用等20多个潜在的市场领域未来将有较大的发展前景。 1.2.3 离心风机的发展趋势

随着科学技术的不断发展，人们对风机使用的要求也越来越高，就目前国外风机技术发展趋势而言，将沿着风机容量不断增大、高效化、高速小型化和低噪音的方向发展。

大型风机容量继续增大。各种工业装置规模的日益大型化，客观上需要各类风机的容量也随之不断增加，大机号的风机在未来几年在市场中将会受到欢迎。

高效化。为提高效率，三元流动叶轮已在通风机中得到越来越广泛的应用。其他的如斜流风机等特殊用途的风机发展将会更有市场。

高速小型化。各类风机采用三元流动叶轮后，在提高效率的同时，压力也可提高。所以在同等条件下，叶轮外径可减少10%～30%，这样就取得缩小体积和减轻重量的双重效果。提高转速也是风机小型化的重要途径之一。

低噪声化。风机的噪声是工业生产中噪声污染源最主要来源之一。风机大型化和高速化更使得噪声问题十分突出。对低频噪声，风机主要通过改进风机结构设计，降低本体噪声，若达不到要求，可采取加装消声器等措施。

综上所述，这些技术既是国外风机未来发展趋势，也是国内风机行业在技术

方面的努力方向。

风机未来发展将进一步提高风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低电能消耗；用动叶可调的轴流风机代替大型离心风机；降低风机噪声；提高排烟、排尘风机叶轮和机壳的耐磨性；实现变转速调节和自动化调节。

1.3 研究现状

风机的传统设计方法主要是根据一维理想流动的能量方程、连续方程、进出口速度三角形关系和一些经验的设计准则来确定叶轮结构参数，再选择流型来设计叶片型线。由于是采用一维理想流动的基本方程，因而不得不采用一些经验方法和经验数据来实现具体设计，对于一定全压风量要求的风机，叶轮设计时对诸如叶片出口安放角，叶片进口安放角，外径，内径，叶片数等几何参数的确定有太大的随意性，缺乏科学准确性，而对于所匹配的蜗壳进行设计时，在确定蜗壳宽度，张开度等参数时同样也有很大的随意性，其结果必定是对于一定全压风量性能要求的风机可能有很多个不同的设计方案。这种设计模式要求设计人员有丰富的设计经验，花费很多时间进行计算，延长了设计周期。

风机传统设计方法的优点是方法简单，且已有大量经验积累，缺点是不太科学，没有考虑三维粘性影响和定量分析叶轮内部的复杂流动，叶轮设计时未考虑蜗壳和进风口（集风器）的影响。这样的方法无法认识风机的内部流场。随着流体力学理论，特别是计算流体动力学（CFD——Computational Fluid Dynamics）方法的发展，将传统设计模式中的繁复且耗费昂贵的部分，用先进的CFD技术代替，通过这种“数值试验”可以充分认识风机内流动规律，从而为改进设计提供有效可靠的依据，可大大减少实验的工作量和耗费。

利用计算流体动力学进行数值模拟已逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手段。CFD相当于\虚拟\地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。如今，CFD技术逐渐成为解决分析流体问题的有力工具。

姜培正、李云、魏进家、李德昌[1] 以流体机械中应用广泛并具有典型性的活塞式、离心式压缩机和泵为主要对象，阐述了它们的工作原理、结构型式、 运行特性、调节方法和机器的全可靠性等方面的基本知识，并注意联系一些化工厂与石油炼制、石油化工厂的特点和发展趋势。

杨卫宏、周萍、萧泽强[2]采用三维时均ＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓ方程和ｋε模型分别模拟了离心通风机内部流场的流动；几何拓扑结构使用多块结构

以减少计算机内存的浪费；运用贴体坐标系统描述了复杂的几何边界；使用二阶中心差分以离散扩散项和源项；对于控制方程的对流项的离散，为了克服中心差分在网格Ｐｅ数大于２后解的不稳定和迎风差分时不考虑Ｐｅ影响的缺陷，应用混合差分（ＨＤＳ）格式，并对时间参数采用二阶向后差分；求解方程使用Ｓｉｍｐｌｅ算法．通过这些方法和手段，得出了不同时刻叶轮内流道速度、湍动能及耗散能的分布．这为了解旋转对流道内速度分布、壁面摩擦力和紊流结构等影响提供了理论依据，为离心风机设计、节能改造提供了详细的数据和有效手段。

孔珑、田名振、蔡国琰、薛祖绳[3]通过《工程流体力学》阐述了流体及其物理性质，流体静力学，流体运动学和流体动力学基础，相似原理和量纲分析，管内流动和水力计算，液体出流，气体的一维流动，理想流体的有旋流动和无旋流动，黏性流体绕过物体的流动，气体的二维流动等的概念以及计算等等。

刘春霞、聂波、陈金鑫[4]针对离心风机前后向叶轮分别在有无蜗壳时的情况进行了对比试验和数值模拟分析，得出了离心风机蜗壳对风机性能的影响程度以及在无蜗壳时如何尽可能降低其对性能影响的初步结论，对实际的生产、应用具有指导意义。

吴俊峰、陈启明、朱晓农、田奇勇[5]利用三维数值模拟的CFD方法，对某型号离心通风机的内流特性进行了分析，找出其结构存在的问题，运用CFD方法对其叶轮结构进行了优化设计，将改进前后的内流特性进行了数值和试验对比。结果表明，通风机的叶轮形状对其性能有明显影响，在改动较小的情况下，可显著提高通风机性能。

冯新粮 郭津津[6]选取某一大比转速离心通风机为研究对象，分别以等边基元法、不等边基元法和阿基米德螺旋线方程法绘出蜗壳外型线。在三维建模软件CATIA中完成风机实体造型，用Fluent进行三维数值模拟，得到详细的风机内部流场。对比以上3种不同的蜗壳绘制方法对通风机流动性能的影响，对计算结果进行了分析并得出了结论。

赵红星、秦国良[7]介绍了离心通风机叶轮与主轴的联接方式，着重讨论了过盈配合下，两者过盈量的计算及配合公差的合理选取，推荐了采用分段过盈配合的设计思想，使得转子的安装与拆卸更加方便。

张师帅、秦松江、仇生生[8]采用CFD软件（FLUENT6．2）对空调用多翼离

心通风机进行了三维数值模拟，分析了多翼离心通风机的内流特性，计算出多翼离心通风机的外特性曲线，并与试验结果进行了对比，验证了CFD分析的可行性。

张继秋[9]分析了9-26No16C皮带传动风机皮带轮和皮带在调试中发热的故障原因，提出了解决方法，经更换带轮和皮带后，风机运转正常，满足了生产要求。

郑华、王建新、李保平、任步超[10]为了提高叶片强度，出口宽度较大的直板叶片叶轮，需要增加1个中盘。推导了中盘展开图开口尺寸的计算方法，该计算方法已在叶轮制造过程中得到验证。

肖云峰、吕涛[11]通过CFD方法计算某离心通风机叶轮的叶片前端在减薄前后的气动特性及性能参数。对流场细节进行比较与分析,并对减薄前后总的性能,比如,质量流量、效率、轴向推力、功率等进行了对比。

何鹏飞、李嵩、黄东涛、卢钰[12]根据理论分析和通过试验考核的数值模拟，建立的离心通风机变型设计新方法可克服传统风机变型设计的缺点。

唐囡、刘秋洪、祁大同[13]归纳与分析了离心通风机气动噪声数值研究的现状，对涡声理论在宽频噪声研究中的可行性进行了探讨，并指出了目前离心通风机气动噪声数值研究所面临的主要问题。可为离心通风机气动噪声产生机理和数值预测的研究提供参考。

王松岭、贾亚奎、骞宏伟、刘阳[14]以G4-73№8D型离心通风机为研究对象，使用Fluent数值模拟软件分别对叶片加长前、后进行了三维定常数值模拟。结果表明：离心式通风机叶片加长后，内部流场变化明显.风机全压提高迅速，提高风机出力作用明显。通过对风机叶片两次加长进行数值模拟，推导出叶片加长后风机性能参数的变化规律，对风机的改造具有一定的指导意义。

翟瑞虎、焦金焱、田华、李景银[15]总结和阐述了离心通风机内叶轮的设计方法和利用边界层控制技术提高离心通风机叶轮性能等两个方面的主要成果，指出了这些研究的特点，结合实践经验对提高离心通风机性能提出了建议，并对该方面研究的发展进行了展望。

韩非非、赵旭、席德科[16]运用计算流体力学软件Fluent对多翼离心通风机进行了全三维的内部流场数值模拟。计算采用了SIMPLEC算法和标准的k-ε湍

流模型,并对数值模拟的结果进行了分析。计算结果与试验结果的对比表明数值模拟具有较好的准确性和可信度，同时，数值模拟结果有助于了解多翼离心通风机内部流动规律，可为多翼离心通风机的改进设计提供参考。

王艳[17]分析了常用的离心通风机噪声产生的原因，提出了控制和降低离心通风机噪声的主要方法及措施。

田贵昌、李宝宽、陈中才[18]本文应用计算流体力学软件FLUENT对4-73№10D离心式通风机内部的三维气体流动进行了数值模拟分析，重点分析了各个部分的压强和速度分布。

李景银、黄靓、金永臣、焦书平[19]推导了通风机模化设计中可压缩修正系数的公式，阐述了高压通风机的全压系数与压缩机中的能量头系数的关系，并通过算例对比了一台高压通风机的压力模化和计算结果，结合压缩机的相关试验数据，得出了结论。

蔡建程、袁民健、卢傅安、祁大同、邱长安[20]阐述了叶轮零部件强度分析的传统计算方法和有限元计算方法，并进行了比较分析,提出了建议和要求，给出了结论。

陈金勇、刘东明、孙新志、张建、王士君、吕向东[21]介绍了风机叶轮前盘冷压成型制作工艺方法，应用该方法制作的风机叶轮能够达到设计要求和质量标准，能够保证安装配合的要求，并节省了能源，减少了环境污染，缩短了生产周期。

安雪忠、韩东太、解文军[22]介绍了某电厂离心式一次风机后轴颈运行中，由于轴承跑内套导致轴颈损伤的原因以及修复工艺，采用手工修研微焊工艺进行修复，取得了良好的效果。

黄利忠、窦勇、李嵩、黄东涛[23]针对一台比转数为9的前向通风机，保持风机设计参数和叶轮直径不变，改为后向通风机来提高性能。利用气动性能数值预估对叶轮和蜗壳的主要参数进行优化后，再对无叶扩压器的大小和叶轮与蜗壳的相对位置进行优化，减少摩擦损失，最终得到的后向通风机测试结果，全压和效率均提高了11％。

杨朝刚、刘军[24]提出了一种适用于离心通风机叶轮刚度计算及其校核的工程计算方法，为叶轮刚度的安全设计提供了依据。

史改玲、李文雅、苏超杰、刘圣勇[25]阐述了电厂离心通风机的应用现状，并根据流量调节用的几种调速装置的特点，对它们进行了经济性分析，进一步指出了其节能的措施和最佳节能方法。

林艳华[26]对采用进口导流器调节的离心通风机的旋转失速问题进行了试验研究，并借助谐波小波对旋转失速的频率、幅值特性及动态过程进行了时频分析和特征提取，揭示了旋转失速发展的规律及对风机性能的影响。

伍晓芳、王军采[27]用基于AutoCAD的AutoLISP语言进行多翼离心通风机参数化CAD的二次开发，编制了多翼离心通风机的气动设计及参数化制图程序，并实现与CFD建模模块的接口，编制风机模型网格划分的程序块，将多翼离心通风机网格划分过程自动化。

韩海泉、谷传纲、缪骏、杨波[28]分别构建了无叶和有叶扩压器的单级离心风机的计算模型和网格的划分，计算模拟部分并分析计算结果，阐明了无叶和有叶扩压器对风机整机性能的影响，及两种扩压器扩压能力的区别。

王嘉冰、区颖达[29]以三维时均N-S方程和标准K-S两方程紊流模型为基础，采用SIMPLE算法，对柜式空调器用多翼离心通风机的三维流场进行了数值模拟。研究表明，多翼风机内流呈现出非常复杂的三维特性，具有明显的不对称性，气流分布不均匀，尤其是蜗壳内侧以及舌部附近的气流紊流程度较强；同时还揭示了叶轮流道中的二次流现象，叶片吸力面上翼型前缘附近存在的气流分离现象，蜗壳内侧前盘区域的气流泄漏现象，蜗壳出口侧进气口背部的脱流区域，以及叶轮出口的“射流一尾迹”模式。计算结果与试验结果吻合较好，证实了所采用的计算模型和数值方法的可行性。

孟家其、季炜、王诚玉、李辉、陈金勇、李欣[30]通过对离心通风机叶轮焊接变形原因的分析，采用刚性固定、分段对称焊接等手段控制变形，简化了操作难度，节约了工时。

王欣、殷忠民、司金芝[31]介绍了一种高压、小流量、低比转数的离心通风机的设计与对比试验，对该类风机的结构和设计方案作了相关分析与研究，指出了影响该类风机效率的因素，对原风机进行了改进，大幅度提高了效率。

郑胜、陈康民、杨树柏、杨爱玲[32]针对笔者曾研制的一套串行发送系统速度偏低的不足，对该系统功能进行了扩展。通过对旋转风机叶片表面压力信号测

量的应用，介绍了风机试验台的信号光电转换系统的结构及原理，通过在动静系统分别加入微处理器，分析并选用了扩展串行通讯方式和电路设计，实现了对采样数据进行高速分时发送，并将校验系统运用到该装置中，解决了动静系统的信号可靠高速传输的问题。

王企鲲、戴韧、陈康民[33]对一蜗壳式离心泵的设计流量工况和小流量工况进行了整机非定常数值模拟。模拟结果清晰的揭示了其效率、扬程等外特性随时间变化的波动规律。通过对内流场分布的详细分析，总结了叶轮进口截面和蜗壳出口截面上的压力分布随叶轮旋转的波动情况、叶片表面上的压力分布系数在叶轮旋转一周内的变化规律。

蔡建程、何鹏[34]对某前向多翼离心通风机的辐射噪声进行了近场测量，给出声压级频谱 图并进行了噪声源的识别。试验结果表明，除通常的旋转噪声和涡流噪声外，在某些条件下还可能存在与旋转噪声数量级相同甚至更高的蜗壳声腔共鸣噪声，在风机降噪研究中也应对此予以足够注意。

李超、张瑞成[35]以离心通风机叶轮为对象，利用现在CAD／CAM中广泛应用的Bezier函数，建立了基于二次Bezier曲线的子午面型线模型，并进行了可视化设计。最后对多种子午面形状进行选优，并通过实例验证了本方法的正确性和实用性。利用此软件可使设计者快速方便地进行离心通风机子午面轮廓的设计。

鲁渝北、张义云[36]利用五孔探针对离心通风机大宽度矩形截面蜗壳内部的三维流动进行了详细的测量，给出了蜗壳螺旋通道部分八个横截面内比较清晰的时均速度，静压和总压的分布图形，反映了二次旋涡的形成与发展，通流方向的扩压流动和叶轮轮盖外侧蜗壳空腹下部流动的变化，蜗舌附近的气流冲击和内泄漏现象等，并对这种蜗壳存在的主要损失进行了初步分类。

李新宏、何慧伟[37]对一离心通风机在设计工况时的整机内部流场进行了数值模拟，捕捉到了离心通风机内部许多重要的流动现象，证实了蜗壳，叶轮间相互作用引起的整流场不对称性，并预示了叶轮内部的重要流动特征，所得到的分析结果对探讨影响离心通风机效率的原因，改进叶型设计，扩大运行工况范围等研究内容，提供了重要的理论依据。

1.4 研究内容

本文的主要研究工作如下：

1. 以一离心风机为研究对象，利用流场计算软件对其三维不可压缩内部流

动进行数值模拟，包括计算网格的划分、边界条件的设置、计算过程的设置、计算结果的处理。

2. 通过数值计算获得了此离心风机在设计工况下的气动性能，包括它的额

定流量、全压升等。

3. 分析在有无叶顶间隙下对主要性能如出口流量，流速的影响。通过多次

模拟得出较优模型，使风机效率提高。

4. 总结与展望——根据数值模拟过程中总结的经验，研究内部流场对离心

风机性能的影响，改善离心风机气动性能，提高了效率，对离心风机全方位评价和设计系统的发展具有重要意义。

1.5 本章小结

1. 给出了课题的意义，希望通过本次对研究能够获得并分析离心风机流

场的速度分布、压力分布等，而通过数值模拟在研制周期和费用方面较实验均有较大优势，为风机结构优化提高、提高气动性能提供参考。 2. 介绍了离心风机的发展历史，总结了风机从产生到广泛应用的历史过

程。看到了风机不断改进的历史过程。

3. 给出了离心风机的发展趋势，风机正在朝着高效化、高速小型化、低

噪音化发展。

4. 介绍了国内外专家对离心风机内部流场影响的研究。 5. 给出本次课题的主要研究内容。

2研究对象

本文研究的对象是离心风机在内部流场进行模拟分析。本章主要介绍离心风机结构以及一些结构参数。

2.1 结构尺寸

离心风机耳的结构如图2.1所示，主要由叶轮、机壳、进口集流器、导流片、电动机等部件组成。

图2.1 离心风机结构简图

Fig.2.1 Structural diagram of centrifugal fan

1- 进气室；2-进气口；3-叶轮；4-蜗壳；5-主轴；6-出气口；7-扩散器

叶轮旋转产生的离心力使空气获得动能, 然后经蜗壳和蜗壳出口扩散段将部分动能转化为静压。这样,风机出口的空气就是具有一定静压的风流。

从结构上看离心风机与轴流风机有以下区别：升压较大：蜗壳普遍采用矩形截面，制造工艺简单，适于焊接；缺点是流量较小。由于气体从进气口轴向吸入要转约度转进入叶道，故其流道较复杂，同时也势必产生各种损失，因此一般说，效率远低于轴流通风机。再有离心式通风机体积较大，给安装、运输带来一定的困难。

2.2 研究对象的结构参数

本次研究的离心风机属于主要技术参数为：20个叶片，叶轮转速为1862.4转/分钟，额定流量为30kg/s。具体参数如表2.1所示。

表2.1 研究对象设计参数

Tab.2.1 Design key parameters of radial compressor

叶轮转速 叶轮额定流量 叶片数目 风机类型 进口直径

1862.4转/分钟 30kg/s 20个 离心通风机 0.8m 2.3 本章小结

1、熟悉离心风机的外部结构。

2、了解本次研究的离心风机的结构参数及运行工况。

3数值模拟

与实验相比，数值模拟能够反复进行，方便地控制和调整参数，在理论研究和实验之间搭起了一座“桥梁”。数值模拟可以研究一些非常复杂的过程，可重复性强，可以灵活的改变初始条件、边界条件以及几何边界条件，可以获得整个流场的流动信息，从而能够更加透彻地对整个流场进行分析，以避免造成极大的经济损失和人力浪费。随着计算机性能的高速发展，数值模拟在各门学科的研究中应用将更加广泛，起到越来越重要的作用。基于上述原因，本章对离心风机叶片内部流场进行了数值计算。

3.1 控制方程

任何流动都要遵循基本的守恒定律，包括：质量守恒定律（连续性方程）、动量守恒定律（动量方程或N-S方程）和能量守恒定律（能量方程）。对于定常流动，其时均形式的控制方程组为：

连续性方程：

div?V?0 (3-1)

动量方程：

?p??(?u?2)?(?u?v?)?(?u?w?)?div?uV?div(??gradu)???????Su (3-2a)

?x??y?z???x??????p??(?u?v?)?(?v?2)?(?v?w?)?div?vV?div(??gradv)???????Sv (3-2b)

?y??x?y?z??????p??(?u?w?)?(?v?w??(?w?2)?div?wV?div(??gradw)???????Sw (3-2c)

?z??y?z???x???

能量方程：

?k????u?T?????T???w?T?div?VT?div?gradT???????x?y?z?c????

?????????S?T （3-3）

式中，速度矢量V在x、y、z方向的速度分量分别为u、v、w (m/s)；

?为流体的动力粘滞系数(Pa·s)；

Su、Sv和Sw是动量守恒方程中的广义源项；

T为热力学温度(K)，c为比热容(J/(kg·K))；

k为流体的传热系数 (W/(m2·K))，ST为粘性耗散项；即流体的内热源以及

由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。

由于上述方程式（3-1）、式（3-2a）～（3-2c）和（3-3）中出现了u、v、w、

p、T、?和Reynolds应力等七个未知量，这样为了使基本方程组封闭以便求

解还需要补充气体状态方程和湍流模型。对于理想气体状态方程为

p??RT （3-4）

式中，R为摩尔气体常数（＝287 kJ/kg·K）。

建立在涡粘性概念基础（Eddy Viscosity Model）上的湍流模型主要有零方程模型、一方程模型和两方程模型。一方程模型被认为是代数模型和两方程模型之间的桥梁。其中，Spalart-Allmaras（简称S-A）一方程模型其容错功能好，处理复杂流动的能力强，S-A模型已得到广泛应用。S-A模型与B-L模型相比，其湍流涡粘场是连续的。S-A模型优于k??模型（两方程模型）之处在于其容错性好，计算量少，同时又有较高的精度。由于模型方程的因变量函数在对数律区内与到壁面的距离成线性关系，所以可以使用相对于低雷诺数模型较粗的网格。以往的研究结果证明，该湍流模型能够准确地预测轴流叶轮机械内部流场和叶顶间隙流场的流动，因此本文选用的湍流模型为S-A一方程模型。

3.2 计算工具

本次计算工具为NUMECA软件，它主要包括：流体动力学分析软件和设计优化软件两大类。本次主要应用NUMECA的三大模块IGG、FINE、和CFVIEW分别对空调室外机风扇进行网格划分、数值模拟和结果处理。（1）分析软件包有FINE/TURBO、FINE/AERO、和FINE/HEXA 等，其中均包括前处理，求解器和后处理三个部分。FINE/TURBO 用于内部流动，FINE/AERO 用于外部绕流，FINE/HEXA 可用内部或外部流动，但为非结构自适应网格。（2）设计软件包有两个：FINE/DESIGN 和FINE/DESIGN3D。下面向您介绍一下各个部分：

FINE/TURBO，可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘性或无粘内部（其中包括任何叶轮机械:轴流或离心，风机，压缩机，泵，透平等。单级或多级，或正机，或任何其他内部流动：管流，涡壳，阀门等）流动的数值模拟。的其中包括IGG：网格生成器。可生成任何几何形状的结构网格。采用准自动的块化技术和摸板技术。生成网格的速度及质量均远高于其它软件。

IGG/AUTOGRID：网格生成器。可自动生成任何叶轮机械（包括任何轴流，混流，离心机械，可带有顶部、根部间隙，可带有分流叶片，等）的H 形，I 形和HOH 形网格。该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械最好、最方便及网格质量最好的网格生成软件。

EURANUS:求解器。求解三维雷诺平均的NS 方程。采用多重网格加速技术；全二阶精度的差分格式；基于MPI 平台的并型处理；可求解任何二维、三维、定常/非定常、可压/不可压，单级或多级，或整个机器的粘性/无粘流动。可处理任何真实气体；有多中转/静子界面处理方法；自动冷却孔计算的模块；多级通流计算；自动初场计算；湿蒸汽机算；共额传热计算；气固两相流计算；等等。其多级（10 级以上）求解性能良好。

CFVIEW：功能强大流动显示器。可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。特别是可处理和制作适合于叶轮机械的任何S1 和S2 面，及周向平均图。该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械最好的后处理软件。 FINE/HEXA:非结构网格CFD 求解器。该模块的独特性在于：她所采用的网格全是六面体的非结构网格（这是目前最先进的方法之一）；自动自适应的多重网格求解器。

HEXPRESS：非结构网格生成器。可自动生成任意复杂三维几何体的全六面体非结构网格。可直接输入多种作图软件的数据，并对其有自动修补动能。

FINE/DESIGN用于S1 面流场的分析和叶型的再设计。基于反问题方法，即按照用户给出载荷分布而设计叶型。该在设计过程可通过由用户给出的许多约束（包括几何和制造约束）来控制。该独特的工具采用NUMECA 的技术并在所有速度范围（可压缩和不可压缩）内求解NS 方程。可用于轴流和离心机，可带有分流叶片。其界面非常友好，可在一小时左右优化一个叶片。该反设计方法的发展起始于冯卡门流体力学研究院。所集成的截面FINE/DESIGN 得到四个主要的叶轮机械厂家的协助，他们是：SARLIN, SNECMA/SEP, GRUNDFOS 及THERMODYN 等。

FINE/DESIGN3D 是一个空前新颖的，用于新型、高效三维叶型设计和优化的软件工具。它给用户提供了一个设计叶轮机械的新概念。该软件是在国际上（日、美、欧）叶轮机械行业各主要企业的协做下发展的。它以用户定义的多参数目标函数，以及几何和机械等方面的约束，来定义设计性能目标。该优化设计过程是全自动的，优化范围可覆盖约束之内的整个空间，而不像其它软件采用仅能覆盖非常有限个点的人工尝试和修改的方法。

无论在计算速度、计算精度、所需计算机内存、使用方便程度、界面友好程度等方面都优于其他软件。其计算速度、精度和计算机内存需要量均比其它软件优越，其优越程度使用过其它软件的用户非常惊讶。现在其它软件公司（在网格生成和核心求解器中）也逐渐开始采用类似于NUMECA的方法。她所研发并采用的其它技术和方法现也已被其它软件开发者逐步采用，因此，NUMECA公司领导着世界CFD软件发展的新潮流。

过去几年，FINE 系列软件被国际上普遍认为是叶轮机械等内部流动模拟分析的首选软件。但随着FINE/HEXA 和HEXPRESS 的推出，将使NUMECA 的CFD 软件在模拟外部流动（包括各种飞行器：飞机、火箭、卫星等；各种运输工具：汽车、机车船舶等；房屋建筑群，桥梁等）方面，也比其它软件有许多独特的优越性。另外，由于NUMECA 软件自身的特点（高的速度，高的精度，低内存需求，以及使用方便等），她现在也是现代流体工程企业实现其设计、制造自动化体系的首选CFD 软件。

3.3 数值模拟步骤

本章对离心风机机叶片的内部流场进行了数值计算。数值计算在叶轮的设计流量工况下进行。要得到数值计算的最终结果，主要工作步骤为：

（1）确定研究对象的几何模型

对所要模拟的离心风机，使用特定的计算机图形软件或一些CFD 的专业前处理器软件，在二维或三维坐标系中，按照叶片的实际尺寸来建立精确的几何模型；

（2）建立物理模型

以AutoCAD软件为平台，获得本次数值研究所需要的叶片模型，并根据实际情况设定边界，边界条件可分为两类，一类是确定物理过程所必需的物理边界条件，另一类是在数值计算中需要给定的辅助数值边界条件，CFD 模拟的基本边界条件包括流体进口边界，流体出口边界，给定压力边界、对称边界，壁面边界、周期性边界。图3-1给出了研究叶轮的实体模型；

（a） (b)

图3-1 叶轮实体模型 Fig3-1 Solid model of test rotors

（3）几何模型网格化

网格是CFD 模型的几何表达形式，是模拟与分析过程的关键部分，而且网格质量对CFD 计算精度和计算效率有重要影响。网格划分通常使用工具进行；

（4）对网格划分结果进行检查，如是否有负网格，网格的长宽比、延展比是否达到精度要求等，如果计算网格未达标，需要回到（3）步，对网格参数进行调整；

（5）对达到标准的计算网格和计算模型，进行计算参数的设置，主要包括流体性质、计算模型、计算边界条件等；

（6）对计算迭代过程的参数和输出的计算结果进行设置，包括迭代的步数、输出结果的种类、输出结果的格式等；

（7）利用求解器对计算模型进行数值模拟，并得到计算结果；

（8）对计算结果进行检查，如迭代中的各种残差值以及进、出口流量之差是否达到收敛要求，叶片的压比、效率等是否与试验测量结果相吻合等。如果计算结果未达到要求，回到（5）步，对相关计算参数进行检查、分析和调整；

（9）将符合要求的计算结果，根据计算输出变量进行相应的后处理，得到最终的结果。

图3-2给出了本次数值模拟的工作流程图。在上述步骤中，对研究模型进行网格划分、计算条件的设置和利用求解器进行计算是整个数值模拟的重点和难点。后面章节将分别进行讨论。

3.4 网格划分

在数值计算中，网格设计和网格划分是基础，也是能否获得预期的、满意的模拟结果的关键因素之一。构造合理的、相对简单的网格分布能够有效地提高流场计算精度，加速迭代计算的收敛。同时还能够进一步节省计算时间、提高计算效率。

本文对离心风机内部流场进行网格划分时，采用的网格为结构化六面体网格。针对叶轮机械叶片的几何特征，NUMECA自带的网格自动生成模块IGG/AutoGrid提供了四种剖分结构划网格的模式：H型网格、I型网格、HOH型网格和复合型网格。

（1） 利用勃拉修斯（Blasius）公式，见式（3-5），来近似预估第一层网格

点与壁面之间的距离ywall，对近壁面处的网格分布进行改进。

ywall?Vref?6??????????78?Lref??2???? （3-5） ?y??18式中，Vref—参考速度（m/s），这里取叶轮进口流速的平均值；

； ?—流体的运动粘滞系数（m2/s）

Lref—参考长度（m）这里取叶轮的径向高度；

y?—无因次壁面变量，它的取值与雷诺数的大小和湍流模型的种类有关，根据本文所研究流动的特点，这里取1。

整个计算区域分为叶片流道区域、叶片流道前、后的延伸段以及叶片顶部与机匣壁面之间所构成的叶顶间隙区域，其中将叶片流道和其前、后延伸段区域称之为主流通道区域。整个模型的计算网格点数共为427671个。计算区域的网格点数的具体分布为：主流通道区：主流方向×叶展方向×跨叶片方向=123×61×57，其中叶片流道区的网格点分布为：主流方向×叶展方向×跨叶片方向=65×61×57。

但由于本文所研究的叶片不论沿圆周方向的弯曲度还是沿叶高方向的扭曲度都很大，对网格的布置和生成带来较大的难度。本文的重点是得到叶轮单流道及全流道以及叶顶间隙处的网格分部。离心风机流道子午面如图3-3，离心风机轮毂壁面网格分布如图3-4，离心风机机匣壁面网格分布如图3-5，叶轮单流道的计算网络如图3-6，叶轮全流道的计算网格如图3-7。

经过反复的调试，最后得到令人满意的计算网格。网格质量为： （1） 网格的最小夹角（Orthogonality）为18.5?。 （2） 网格的最大长宽比（Aspect Ratio）为33.0。 网格的最大延展比（Expansion Ratio）为3.7。

AutoCAD 准备工作 对研究对象的CAD分析 对研究叶轮进行计算网格参数设置 进行网格划分 检查计算网格质网格质量是否达

得到最终计算结果 图3-2 数值模拟工作流程图 Fig.3-2 Flow chart of numerical simulation

对计算结果进行后处理 检查计算迭代结果是否达标 计算迭代过程的 参数设置 对研究对象进行计算边界条件的设置

图3-3 离心风机子午面 Fig.3-3 Meridian plane centrifugal fan

图3-4 流道内轮毂壁面的网格分布 Fig.3-4Computation grid on hub wall

图3-5流道内机匣壁面的网格分布 Fig.3-5 Computation grid on shroud wall

图3-6 叶轮单流道计算网格 Fig.3-6 Single-flow impeller grid

图3-7 叶轮全流道计算网格

Fig.3-7 Impeller low channel-wide computational grid

3.5 计算条件设置

数值模拟的计算条件主要包括：流体介质的设置、流动模型的选择、旋转机构的设置、边界条件、计算模型、初始条件、输出变量的选择、计算迭代的设置等。下面分别进行说明。

（1） 本次数值计算中，流体介质选用理想气体。其主要热力学参数为：

定压质量比热容Cp＝1006.0（J/Kg?K）； 绝热指数k＝

CpCv＝1.4；

普朗特数Pr＝0.708；

运动粘滞系数?＝1.57×10-5（m2/s）

（2） 流动模型的具体设置为：

（I） （II） （III）

通过进行时间配置来定义控制方程组求解的时间相关性，本次所计算的流动是定常流动。

选用雷诺平均N-S方程组加S-A一方程湍流模型。

设置特征变量和参考变量。具体包括：特征长度、特征速度、特征密度；参考温度和参考压力等。本次计算将叶轮外径作为特征长度，将叶轮进口平均速度作为特征速度，将叶轮进口处的气流密度作为特征密度，参考温度为叶轮进口总温，参考压力为叶轮进口总压。

（3） 对叶轮的旋转部分和固定不动部分进行区分，给出旋转部分的旋转速

度大小和方向。本次计算模型中叶片的压力面和吸力面以及叶尖为旋转部分，其旋转速度为1862.4转/分钟。通过对计算模型结构的分析，给定旋转为顺时针方向。

（4） 计算模型边界条件的设置方式对整个数值模拟能否得到令人满意的

结果有非常重要的影响。通过作者反复调试，最终给出如下的具体设置：

（I）

（II）

计算模型的进口截面给定来流方向、绝对总压、总温以及进口的湍流粘度。其中，来流为轴向，进口湍流度设置为3%。 计算模型的出口截面给定质量流量以及参考静压。其中，出口流量约为30Kg/s。

（III） 计算模型的进、出口延伸区给定周期性条件，叶轮和轮毂设定为相对静止壁面，机匣设定为绝对静止壁面。

上述叶轮模型进、出口截面所给定的气动参数值均为预先通过试验测量得到的相应结果。

（5） 计算模型的设置为：

（I） （II） （III）

空间离散采用守恒形式的有限体积法，中心差分格式。CFL数取3。

时间推进采用四步Runge-Kutta法。

利用多重网格和隐式残差均化对流动实施加速收敛。

（6） 数值模拟的初始值对整个迭代计算能否顺利进行和计算时间都有着

比较重要的影响。作者通过对试验测量结果的分析，最终给定了初始全压值、来流温度、初始来流方向以及初始压力分布。

（7） 根据本文研究的内容，计算的输出参数主要包括了每一网格节点处的

计算结果和周向平均后的计算结果。

（8） 计算迭代设置主要包括了最大迭代步数和全局残差收敛标准。通过对

研究模型的网格质量和流场特点的分析，以及以往数值计算所积累的经验，本文给定的最大迭代步数为2300步，全局残差收敛标准为1×10-4。

（9）

3.6 数值迭代结果

本文通过求解器进行求解，因网格形式或者网格大小、对流项的离散插值格式等原因，可能导致解得发散。因此在迭代过程中，要对解得收敛性随时进行监控，并在迭代达到制定精度后，结束迭代过程。根据所研究的叶轮内部流场的特点以及课题研究的主要内容，本文作者给定如下的计算结果收敛标准：

（1） 全局残差达到1?10?4；

（2） 进、出口质量流量误差小于或等于5?10?4；

（3） 计算模型进、出口全压比与试验测量结果之间的误差小于5%； （4） 计算模型的全压效率值与试验测量结果之间的误差小于5%。 经过迭代计算，最终得到令人满意的结果。这里以原始叶轮为例，给出了计算过程中全局残差和进、出口流量的收敛历史，如图3-5~3-9所示。

（a）

（b）

图3-8 全局残差收敛曲线

Figure 3-8 Convergence curve of the overall residuals

(a)

(b)

图3-9 叶轮进出口质量流量收敛曲线

Figure 3-9 Mass Flow Impeller convergence curve of the Import and

Export

（a）

(b)

图3-10 叶轮效率收敛曲线

Figure 3-10 Convergence of impeller efficiency curve

（a）

(b)

图3-11 叶轮进出口压比收敛曲线

Figure 3-11 Convergence of impeller pressure ratio curve of the Import

and Export

(a)

（b）

图3-12 叶片转动力矩收敛曲线

Figure 3-12 Convergence of blade rotation torque curve

通过以上五个图可以看出计算中的全局残差、进出口的质量流量误差等均达到要求，符合制定精度要求，可以应用。

3.7 本章小结

离心风机内部流场十分复杂，如何进行正确的数值计算、网格划分对最后数值模拟结果有重大影响。为此，本章做了以下工作：

1. 熟悉本次课题的控制方程：N-S方程及S-A湍流模型，熟悉其适用条件

以及物理意义。

2. 了解本次课题所使用软件NUMECA的三个模块IGG、FINE、CFView，

并了解其应用。

3. 给出了本次数值模拟步骤。

4. 按照正确步骤进行网格划分并获得预期的、满意的网格分布。 5. 数值模拟的计算条件主要包括：流体介质的设置、流动模型的选择、旋

转机构的设置、边界条件、计算模型、初始条件、输出变量的选择、计算迭代的设置等。

6. 根据所研究的叶轮内部流场的特点以及课题研究的主要内容，按照收敛

标准判断计算结果是否达到标准。

4 流场分析

本章将对离心风机的内部流场的数值模拟结果进行分析。主要包括，叶片表面总压发布和流道内轴向速度分布。

4.1流道内总压分布

图4-1分别给出了叶轮在10%、30%、50%、70%和90%相对叶高位置离心风机流道内总压分布。气流从左向右沿流道流动。

(a) 10%叶高

(b) 30%叶高

(c) 50%叶高

(d) 70%叶高

(e) 90%叶高

图4-1 离心风机流道内总压分布

Figure 4-1 Total pressure distribution of fluid in passage of radial

compressor

如图所示，10%、30%、50%、70%和90%叶高处离心风机流道内总压分布，总压是从左到右逐渐增大，这与理论以及实际情况相符，并且沿着叶高的高度它们的压力变化越大，而且压力也升高。虽然10%叶高处和30%叶高处的总压分布相似，但越往高处走，它们之间的变化越明显。上面的五个图当中都可以看出叶片进口处的压力都相近而且最低。根据离心风机流道内总压分布，可以掌握离心风机的叶片做功的特点，为离心风机结构优化提供依据。

4.2 流道内轴向速度分布

图4-2给出了离心风机叶轮在流道内10%、30%、50%、70%和90%相对叶高位置的轴向速度大小的周向分布情况。

(a) 10%叶高

(b) 30%叶高

(c) 50%叶高

(d) 70%叶高

(e) 90%叶高

图4-2 离心风机流道内轴向速度分布

Figure 4-2 Axial velocity distribution of fluid in passage of radial

compressor

如图所示，10%、30%、50%、70%和90%的叶高流道轴向分布，可以明显地看出速度是从进口处逐渐增大，到了中间部分升到最大，以后又逐渐减小。从图上也可以看出有的地方的速度是小于0的，这说明那部分气流是回流。从10%叶高到90%叶高回流的部分也减少。这五个图互相比较，可以看出叶高有10%到90%它们的速度分布变化越大，它们的速度最大值也升高了，到了90%叶高处都达到了85米/秒。

4.3 本章小结

本章对离心风机流道内总压分布和速度分布进行了详细的分析。经过研究，得到以下结果：

1. 离心风机流道内总压是从进口到出口压力逐渐增大，并且沿着叶高方向总压的变化越来越大。

2. 气流轴向速度在中间出现了最大值，速度是先增大后减小，而且速度变化也跟上面的总压变化相近，沿着叶高方向速度变化也越大。气流在有的地方出现了回流状况。

5 工作总结与展望

5.1 工作总结

本文围绕离心风机内部流场展开一系列的研究工作，利用流场计算软件对三维不可压缩内部流动进行数值模拟，包括对其网格划分、边界条件的设置、计算过程的设置、计算结果的处理。通过数值计算获得该离心风机在设计工况下的气动性能，再利用对其内部流场的数值模拟，获得系统分析了离心风机叶轮在一些特征区域的速度分布和压力分布、进出口的速度场和压力场等，给出了离心风机内部流动特征。现将主要工作总结如下：

（1） （2）

在前人研究基础上对离心风机内部流场进行数值模拟，得到了离心风机内部流场的压力分布，速度分布等。

数值分析了离心风机内部不同叶高处的压力分布，研究发现离心风机流道内总压是从进口到出口压力逐渐增大，并且沿着叶高方向总压的变化越密越大。

数值分析离心风机内部不同叶高处的速度分布，研究表明气流轴向速度在中间出现了最大值，速度是先增大后减小，而且速度变化也跟上面的总压变化相近，沿着叶高方向速度变化也越大。气流在有的地方出现了回流状况。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2z46.html