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摘 要：对某型号无蜗壳风机的三维流场进行数值模拟，使用CFD软件获得叶轮、各种优化方案叶轮的气动性能参数和流动内部详细的气动参数，提高相同静压下叶轮的流量和效率。对原型叶轮进行变工况计算，分析内部的流场结构，基于数值模拟结果，以图表形式给出了气动性能参数和流场内部的细节，详细分析了叶轮内的主要流动特性以及流道内流场的损失来源，通过对比分析得出比较理想的叶片中弧线型线，有效的削弱的流动分离，减小流动损失，在设计点附件效率提高了约7个百分点。
关键词：无蜗壳风机；流场分析；叶片型线
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.16.090
0 前言
随着科学技术的不断发展与进步，在工程设备领域的研发中，数值的计算方法也更加科学化。在对旋转机械性能预测、内部流动数值模拟、研发改型等方面，CFD技术已被广泛采用。在国外，CFD技术也被广泛运用于工程产品的预研和设备改造，并取得了良好的经济效益。实验研究及数值模拟是探索叶轮机械内部流动规律的科学研究方法，通过运用CFD技术还可以发现在试验研究和理论分析中无法预见的新的流动现象，从而为优化设计提供理论依据。基于以上认识，可依据叶轮机械全三维流场数值计算技术，对无蜗壳风机进行优化，改进其叶轮中弧线，以提高其性能。
1 算例简介
原型直径为3.9米的左旋叶轮，叶片数为9叶，叶片厚度为3mm，配有进风口。进口接测试管道，出口直通大气。在大气压力101325Pa，温度20℃，转速3495r/min时，指定静压下达不到所需流量，并且效率过低，因此对模型进行分析，观察流场中存在流动损失的部位，进行优化。
2 网格划分
从子午面网格可以看出，计算区域可以分为进风口区、叶轮流道区以及前后延伸区三个区域。其中叶轮流道是通过NUMECA叶轮机械部分的网格生成模块AutoGrid来对网格进行整体划分的。在网格生成的过程中，根据选择的S-A湍流模型，叶轮近壁面第一层网格距离选取0.01mm，将Y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内，位于壁面附近的网格是沿壁面法向方向呈几何级数加密的，其数量是该方向网格总数的1/3左右，网络总数约为163万，而边界层外的网格分布均匀。在计算的过程中，需考虑进出口与离心叶轮的间隙以及出口等截面延伸，以防止计算域的出口截面回流，影响计算收敛性；根据离心风机的流动特点可知，一般而言后盘流动较为均匀，主要的流动问题集中在前盘，因此位于后盘的轮毂对整体流动的影响偏小，故对轮毂的型线做简化处理，仅保证其面积基本不变，以模拟其对流体通道的堵塞作用。
3 边界条件及数值方法
通过将NUMECA/FINE软件包的Euranus求解器应用于数值计算，利用Jameson的有限体积差分格式与Spalart-Allmaras湍流模型相结合的方法，来求解相对坐标系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程。S-A湍流模型是连接代数零方程Baldwin-Lomax模型和两方程模型的桥梁，拥有能够处理复杂流动的能力，具有较好的鲁棒性，在旋转机械领域得到广泛运用。其一方面利用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，为了提高计算效率，将二阶和四阶人工粘性项加入进去，可以较好的消除伪数值振荡。另一方面，也采取了多种加速收敛措施，如局部时间步长、多重网格法、残差光顺等。在旋转坐标系下对叶轮网格求解时，假设风机叶轮在圆周方向上是周期的，可采用单流道叶轮网格进行计算，进、出口延伸段定义为无粘的欧拉壁面，计算轴向推力和扭矩时选择计算域中旋转的固体壁面。在定常三维流场计算中对每一个工况点分别进行计算，进口给定总温，总压和气流角，出口给定静压。通过改变进口总压来获得不同工况点的气动性能参数，变工况计算采用试验测量参数作为边界条件。工质为空气，并做低速流动预处理。
4 收敛曲线和计算结果
计算网格的质量对于收敛曲线的计算的准确性有着直接影响。因此，为了降低因为网格计算所导致的误差，需要通过对网格无关性的分析和研究来达到科学计算网格的目的。同时计算网格数为163万和86万的情况。在相同条件下，静压为1930Pa，网格数163万时计算得到的质量流量为2.4785kg/s，网格数为86万时质量流量为2.47980kg/s，可以看出网格导致的误差很小。
收敛标准为：随着迭代次数的增加，进出口质量流量应控制在0.1%以下，在迭代步数的增加，压比、效率、扭矩等性能参数保持稳定，不发生改变。
通过测试数据与变工况计算结果对比，发现实验结果均低于数值模拟结果，试验结果与模拟结果最接近的地方出现在设计工况点附近。经过研究可以发现，效率在大流量区是不断加大的，而在小流量区是不断缩小的。分析发现是S-A湍流模型在模拟大分离工况时不准确造成的，进一步分析也发现S-A湍流模型在设计工况模拟时准确度较高。同时，根据离心通风机的性能曲线特点，在大流量区域压比变化大，流量变化小，应该用给定压力条件计算流量；而在小流量区域，流量变化大，压比变化小，这时候应该用流量条件来计算。
5 流场分析
流体最棘手的问题仍然是粘性，粘性不仅仅影响到叶片出口的叶片尾迹旋涡，同时，在环壁通道表面和叶片表面也有粘性边界层的存在，并且有强烈的相互作用产生，出现所谓“二次流”。周向二次流与叶片通道内压、吸力面之间的压差有直接关系。在叶轮机环壁通道壁面的边界层内，气流相对速度比主流区内的相對速度要低得多，由于气流折转而产生的离心力不足以平衡上述压差，这时，环壁边界层内就会产生附加的由压力面到吸力面的周向流动分量，并在叶片出口处形成一对旋涡。原始模型吸力面一侧的分离涡几乎堵塞整个流道。从子午面来看，轮盘附近的气流最容易分离、恶化。因此对90%相对叶高截面（即S1流面）的流动进行了后处理。原型叶轮在吸力面的叶片中部就开始有较大分离，形成局部的低速流团，对流通面积造成一定的阻塞，这可能是该风机效率较低的原因之一。叶轮横向压力梯度在叶片（沿流向）中部附近开始明显增大，波动幅度较大。在吸力面尾缘附近，由于分离区尾迹区的影响，梯度变化剧烈。叶片之间气流流线发生分离，存在通道涡，这点从相对马赫数云图上得也到了验证。 6 优化分析
6.1 性能对比
优化模型所采取的计算方法和边界条件等均与原型相同，设定静压，计算流量并进行对比。优化后的双圆弧叶型与原型相比，流量和效率在全工况范围内均有提升。原型风机数值模拟的最高效率工况点在静压1930Pa附近，效率为61.2%；优化叶型后效率为68.5%，效率提高了7.3个百分点。流量在设计点附近提高显著。
6.2 优化后叶轮流场分析
对比原型与优化后叶轮的静压等值线图，在相同的数值范围内布置相同的等值線数目，我们可以得到其静压梯度的大小。通过对优化分析，发现原型叶轮在流道内有压力波动和反复现象出现，优化后的叶型也无法完全消除这种现象，但其波动的幅度降低了很多，静压变化均匀有规律；而且相对于原始叶轮而言，其吸力面侧的低速区大大减小，从而其附面层损失、流动损失均比原型叶片小，所以气动参数和效率较高。对风机性能，特别是效率改善明显。
7 研究结论
（1）本文针对某型号无蜗壳风机通过数值模拟及优化，较为准确的取得了该离心风机的流量范围和性能曲线，也体现出数值模拟的应用优势。
（2）通过对计算结果的分析，获得了叶轮内部的气流流动特点。由于二次流的存在，使得在离心风机叶片吸力面尾缘附近，以及流道内靠近前盘区域都存在着较大的分离和高损失；随着工作点偏离设计点，该损失区加大，导致总损失增加。二次流引起吸力面边界层加厚和分离后，必然影响主流的流动，使靠近吸力面的相对速度降低。
（3）优化改型以及叶轮性能提高后，叶轮内部的气流流线科学性和合理性进一步提高，大幅降低了静压梯度反复次数以及波动的幅度，进一步降低流道内部流动损失。
（4）在叶轮各主要结构参数，叶片出、入口直径等等保持不变的前提下，叶轮效率在全工况线得到了提升，说明设计良好的叶片型线可明显降低叶轮通道内的流动损失。
参考文献
[1]李庆义.通风机[M].西安：西安交通大学出版社，2005：1-106.
[2]张顾钟.离心风机优化设计方法研究[J].风机技术，2011，（5）：26-30.
[3]王昊，吴亚东，欧阳华.基于数值模拟的离心风机性能优化[J].流体机械，2011，39（9）：41-44.
关键词：无蜗壳风机；流场分析；叶片型线
中图分类号：TB
文献标识码：A
doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.16.090
0 前言
随着科学技术的不断发展与进步，在工程设备领域的研发中，数值的计算方法也更加科学化。在对旋转机械性能预测、内部流动数值模拟、研发改型等方面，CFD技术已被广泛采用。在国外，CFD技术也被广泛运用于工程产品的预研和设备改造，并取得了良好的经济效益。实验研究及数值模拟是探索叶轮机械内部流动规律的科学研究方法，通过运用CFD技术还可以发现在试验研究和理论分析中无法预见的新的流动现象，从而为优化设计提供理论依据。基于以上认识，可依据叶轮机械全三维流场数值计算技术，对无蜗壳风机进行优化，改进其叶轮中弧线，以提高其性能。
1 算例简介
原型直径为3.9米的左旋叶轮，叶片数为9叶，叶片厚度为3mm，配有进风口。进口接测试管道，出口直通大气。在大气压力101325Pa，温度20℃，转速3495r/min时，指定静压下达不到所需流量，并且效率过低，因此对模型进行分析，观察流场中存在流动损失的部位，进行优化。
2 网格划分
从子午面网格可以看出，计算区域可以分为进风口区、叶轮流道区以及前后延伸区三个区域。其中叶轮流道是通过NUMECA叶轮机械部分的网格生成模块AutoGrid来对网格进行整体划分的。在网格生成的过程中，根据选择的S-A湍流模型，叶轮近壁面第一层网格距离选取0.01mm，将Y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内，位于壁面附近的网格是沿壁面法向方向呈几何级数加密的，其数量是该方向网格总数的1/3左右，网络总数约为163万，而边界层外的网格分布均匀。在计算的过程中，需考虑进出口与离心叶轮的间隙以及出口等截面延伸，以防止计算域的出口截面回流，影响计算收敛性；根据离心风机的流动特点可知，一般而言后盘流动较为均匀，主要的流动问题集中在前盘，因此位于后盘的轮毂对整体流动的影响偏小，故对轮毂的型线做简化处理，仅保证其面积基本不变，以模拟其对流体通道的堵塞作用。
3 边界条件及数值方法
通过将NUMECA/FINE软件包的Euranus求解器应用于数值计算，利用Jameson的有限体积差分格式与Spalart-Allmaras湍流模型相结合的方法，来求解相对坐标系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程。S-A湍流模型是连接代数零方程Baldwin-Lomax模型和两方程模型的桥梁，拥有能够处理复杂流动的能力，具有较好的鲁棒性，在旋转机械领域得到广泛运用。其一方面利用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，为了提高计算效率，将二阶和四阶人工粘性项加入进去，可以较好的消除伪数值振荡。另一方面，也采取了多种加速收敛措施，如局部时间步长、多重网格法、残差光顺等。在旋转坐标系下对叶轮网格求解时，假设风机叶轮在圆周方向上是周期的，可采用单流道叶轮网格进行计算，进、出口延伸段定义为无粘的欧拉壁面，计算轴向推力和扭矩时选择计算域中旋转的固体壁面。在定常三维流场计算中对每一个工况点分别进行计算，进口给定总温，总压和气流角，出口给定静压。通过改变进口总压来获得不同工况点的气动性能参数，变工况计算采用试验测量参数作为边界条件。工质为空气，并做低速流动预处理。
4 收敛曲线和计算结果
计算网格的质量对于收敛曲线的计算的准确性有着直接影响。因此，为了降低因为网格计算所导致的误差，需要通过对网格无关性的分析和研究来达到科学计算网格的目的。同时计算网格数为163万和86万的情况。在相同条件下，静压为1930Pa，网格数163万时计算得到的质量流量为2.4785kg/s，网格数为86万时质量流量为2.47980kg/s，可以看出网格导致的误差很小。
收敛标准为：随着迭代次数的增加，进出口质量流量应控制在0.1%以下，在迭代步数的增加，压比、效率、扭矩等性能参数保持稳定，不发生改变。
通过测试数据与变工况计算结果对比，发现实验结果均低于数值模拟结果，试验结果与模拟结果最接近的地方出现在设计工况点附近。经过研究可以发现，效率在大流量区是不断加大的，而在小流量区是不断缩小的。分析发现是S-A湍流模型在模拟大分离工况时不准确造成的，进一步分析也发现S-A湍流模型在设计工况模拟时准确度较高。同时，根据离心通风机的性能曲线特点，在大流量区域压比变化大，流量变化小，应该用给定压力条件计算流量；而在小流量区域，流量变化大，压比变化小，这时候应该用流量条件来计算。
5 流场分析
流体最棘手的问题仍然是粘性，粘性不仅仅影响到叶片出口的叶片尾迹旋涡，同时，在环壁通道表面和叶片表面也有粘性边界层的存在，并且有强烈的相互作用产生，出现所谓“二次流”。周向二次流与叶片通道内压、吸力面之间的压差有直接关系。在叶轮机环壁通道壁面的边界层内，气流相对速度比主流区内的相對速度要低得多，由于气流折转而产生的离心力不足以平衡上述压差，这时，环壁边界层内就会产生附加的由压力面到吸力面的周向流动分量，并在叶片出口处形成一对旋涡。原始模型吸力面一侧的分离涡几乎堵塞整个流道。从子午面来看，轮盘附近的气流最容易分离、恶化。因此对90%相对叶高截面（即S1流面）的流动进行了后处理。原型叶轮在吸力面的叶片中部就开始有较大分离，形成局部的低速流团，对流通面积造成一定的阻塞，这可能是该风机效率较低的原因之一。叶轮横向压力梯度在叶片（沿流向）中部附近开始明显增大，波动幅度较大。在吸力面尾缘附近，由于分离区尾迹区的影响，梯度变化剧烈。叶片之间气流流线发生分离，存在通道涡，这点从相对马赫数云图上得也到了验证。 6 优化分析
6.1 性能对比
优化模型所采取的计算方法和边界条件等均与原型相同，设定静压，计算流量并进行对比。优化后的双圆弧叶型与原型相比，流量和效率在全工况范围内均有提升。原型风机数值模拟的最高效率工况点在静压1930Pa附近，效率为61.2%；优化叶型后效率为68.5%，效率提高了7.3个百分点。流量在设计点附近提高显著。
6.2 优化后叶轮流场分析
对比原型与优化后叶轮的静压等值线图，在相同的数值范围内布置相同的等值線数目，我们可以得到其静压梯度的大小。通过对优化分析，发现原型叶轮在流道内有压力波动和反复现象出现，优化后的叶型也无法完全消除这种现象，但其波动的幅度降低了很多，静压变化均匀有规律；而且相对于原始叶轮而言，其吸力面侧的低速区大大减小，从而其附面层损失、流动损失均比原型叶片小，所以气动参数和效率较高。对风机性能，特别是效率改善明显。
7 研究结论
（1）本文针对某型号无蜗壳风机通过数值模拟及优化，较为准确的取得了该离心风机的流量范围和性能曲线，也体现出数值模拟的应用优势。
（2）通过对计算结果的分析，获得了叶轮内部的气流流动特点。由于二次流的存在，使得在离心风机叶片吸力面尾缘附近，以及流道内靠近前盘区域都存在着较大的分离和高损失；随着工作点偏离设计点，该损失区加大，导致总损失增加。二次流引起吸力面边界层加厚和分离后，必然影响主流的流动，使靠近吸力面的相对速度降低。
（3）优化改型以及叶轮性能提高后，叶轮内部的气流流线科学性和合理性进一步提高，大幅降低了静压梯度反复次数以及波动的幅度，进一步降低流道内部流动损失。
（4）在叶轮各主要结构参数，叶片出、入口直径等等保持不变的前提下，叶轮效率在全工况线得到了提升，说明设计良好的叶片型线可明显降低叶轮通道内的流动损失。
参考文献
[1]李庆义.通风机[M].西安：西安交通大学出版社，2005：1-106.
[2]张顾钟.离心风机优化设计方法研究[J].风机技术，2011，（5）：26-30.
[3]王昊，吴亚东，欧阳华.基于数值模拟的离心风机性能优化[J].流体机械，2011，39（9）：41-44.