吸粮机三级离心风机内部流场的数值模拟（1）

    为了较好地捕捉多级离心风机内部流动特征，该文以吸粮机使用的三级离心风机为研究对象，应用 FLUENT6.3软件对其内部流场进行了整机三维稳态可压缩计算。计算过程中综合考虑了准确性和经济性，以 Pro/E 系统建立了风机的全流道模型，利用动参考系（moving reference frame，MRF）模型实现了叶轮间流动参数的实时传递，用重整化群（renormalization group, RNG）κ-ε 湍流模型、一阶迎风空间离散格式、Roe-FDS（flux difference splitting）通量差分方法实现了该三级离心风机整机的可压缩计算。根据计算结果，得到了风机内部主要区域的压力与速度分布图，通过分析发现风机内部各级叶轮间气体流动速度基本不变，静压力和总压力逐级上升，第 1 级和第 2 级叶轮内的流场分布呈对称性，而第 3 级叶轮内的流场分布呈非对称性。通过对蜗壳内部流场的分析发现了此风机内部流场在蜗壳小端流动不顺畅的设计缺陷，并给出了蜗壳结构的改进意见，为进一步提高风机效率提供了参考。

0 引 言
    离心风机是目前应用最广的风机设备，它具有效率高、结构简单、操作方便、噪音小等优点。目前，粮食工程上使用的离心风机多为单级风机，为特定的场合提供所需的流量和压力，但是在大宗粮食散货运输的场合， 单级风机提供的压力和流量不能满足要求，需要采用多级离心风机，以提高输送能力。作为气力输送装置的气源驱动核心部件，气力输送系统中离心风机内部流动备受国内外专家学者的关注，如清华大学李建锋利用 FLUENT 对 9-26 型高压离心风机内部三维气体流动进行了数值模拟，得到了其内部流动主要特征 [1] ； 西安交通大学李景银以 9-19 No.6 风机为例分析了该风机内部复杂流场及二次流和射流-尾迹结构 [2] ，同时对自主开发的 7-40 风机进行了全工况数值模拟，并对大、中、小 3 种流量下风机蜗壳的内部流场进行了全面研究，分析了蜗壳对叶轮流动的影响 [3] ；SheamChyun Lin 用 Star-CD 全三维不可压模型对前向离心风机进行了整机数值模拟 [4] 。然而，上述研究成果均是基于单级离心风机，到目前为止，对多级离心风机内部流场的研究成果少见报道 [5-9] 。 本文以此为出发点，利用 FLUENT6.3 对大吨位吸粮机（150 t/h）采用的 DJLN07 型三级离心风机内部流动进行了全三维整机可压缩数值计算。希望通过模拟计算展示多级离心风机内部流动特点，同时也为多级离心风机的优化设计提供参考。
1 数值计算模型
1.1 流道几何模型
    本文研究的三级离心风机结构如图 1。 该风机组主要由集流器、三级叶轮、两级导风盘和蜗壳等主要部件组成。主要参数如下：流量 Q=1.0 m 3 /s，全压 P=59 kPa，转速 n=4 600 r/min，叶轮外径 D 2 =700 mm，叶轮进口宽度 b 1 =48 mm，叶轮出口宽度 b 2 =22 mm，叶片数 Z=24，蜗壳外径 R=1 130 mm。

    在建模过程中， 利用 Pro/E 系统建立各部件内部流道后装配成一整体模型。同时为了与风机性能试验工况相匹配，获得准确的边界条件，在风机进口和出口分别添加了一段管道流域， 且管道最终出口为一个宽度 8 mm 的圆环。实现数值计算的最终模型如图 2a 所示。
1.2 网格模型
    研究中网格模型利用 GAMBIT 软件来划分。对于三级离心风机，考虑其内部流动的复杂性，为使所有网格扭曲率控制在 0.9 以下，在进行网格划分前，将该风机的内部流道分割成 24 个区域，然后在不同区域，按各区域尺度不同，划分成不同尺寸的非正则网格，全机一共划分为约 168 万个网格。图 2b 所示为该三级离心风机网格模型。

1.3 数值方法
    由于风机转速达到 4 600 r/min， 叶片出口处气流的速度较高，马赫数大于 0.3，所以应考虑流体的压缩性，将风机内部流体设为可压缩模型的理想气体。石家庄风机湍流模型选用考虑旋转效应的 RNG（ renormalization group ） κ-ε 两方程模型，进壁处应用标准壁面函数。通量类型采用Roe-FDS（flux difference splitting） 通量差分方法，离散格式设为一阶迎风格式。收敛标准取各余项小于 0.01。
1.4 边界条件
    入口边界采用入口压力并给定压力值，出口边界采用出口压力并给定压力值。对于叶轮内部及其附近流体流动的描述则采用动参考坐标系（moving referenceframe，MRF)模型，由于此风机为三级，所以将三级叶轮内部流域及其附近流域流体的流动设为 MRF 模型， 且每级设置区域的形状相同，如图 3 所示。

2 流场状态分析
2.1 风机压力场分析
为方便研究，取风机在图 2a 中标出 X=0 截面作为分析对象。 图 4a 和图 4b 所示为该截面上的静压力和总压力分布。由图 4a 可见，风机内石家庄风机厂部静压力从风机进口处沿流道是逐级上升的，这是叶轮做功的表现。每级叶轮之间压力变化都较平均。在第 1 级和第 2 级叶轮流道中，静压力分布几乎是以风机转动轴线对称分布的，但在第 3级叶轮流道中，由于蜗壳的存在而显示出非对称性。在叶轮内部区域，压力变化梯度最高，在导风盘区域压力几乎没变化。图 4b 所示为总压力图，其分布与静压分布基本类似。