2005 Fluent 中国用户大会论文集
离心通风机内部流场的数值仿真及优化研究 王东屏 兆文忠 赵立峰
（大连交通大学 机械工程学院 大连，辽宁，116028）
摘 要：某种型号离心通风机在使用中，存在风量不足、风压不均匀等问题，应用Fluent流动分析软件和SIMPLE算法，计算此离心通风机内部三维粘性流场，对该风机进行优化设计，通风机的效率、轴功率等性能明显提高，为工厂改型设计提供了有价值的依据；运用多学科优化平台软件OPTIMUS集成流体计算软件Fluent，对通风机进口部位进行优化设计，在设定的空间内进行了7次迭代，得到最优结果，将优化得到的通风机进气管型线与数值仿真结果进行比较，结果完全一致，证明优化算法不仅可信，而且对深入认识离心式通风机内部的流动规律，提高离心式通风机的设计水平具有重要意义。 关键词：离心通风机；数值仿真；全流场；集成优化设计 引 言
离心通风机是应用很广的一种气体输送机械，根据我国风机设计及应用的现状，对风机进行最优设计节省能源潜力巨大。据统计，目前我国在用的通风机中80%以上是70B2、2BY等轴流通风机和9-57、4-62等离心通风机。这些风机普遍存在着性能差、效率低的问题，已被国家列为淘汰产品。所以对现正使用通风机的改造是一个十分迫切的问题。
由于CFD计算可以相对准确地给出流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场等特性，因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能，而且很容易从对流场的分析中发现产品和工程设计中的问题，所以在国外已经逐步得到广泛的应用。另外，跨学科组合优化设计方法也已经成为复杂叶轮产品的设计平台。
如今，CFD技术运用于风机的实例在我国已不少见，但由于计算机计算能力的限制，模型过于简单。如单独一个离心叶轮的流道或单独算一个蜗壳；或运用一个流道与蜗壳迭代计算的方法研究风机内部流动，上述模型均忽略了由于蜗壳型线的非对称而导致叶轮各叶道流动呈现的非对称流动特征，而且从离心风机通道内流场分析来看，各部件间的相互影响很严重，所以，必须充分考虑它们之间的相互影响，不能孤立地分别研究[2]。
本文应用Fluent流动分析软件，计算某型号离心通风机全流场，详细得到通风机内部流场流动情况，并根据气动流场，对叶轮前盘形状和蜗壳出口部位等进行优化设计，同时，运用多学科优化平台软件OPTIMUS集成流体计算软件FLUENT，优化计算通风机进口型线，比较集成优化型线与单独用Fluent反复计算的结果，两者基本接近，说明集成优化是可信的。 [1] 1 计算区域及网格划分
将流动区域分为三部分：通风机进口部分、叶轮和蜗壳。进口部分和蜗壳是静止元件，叶轮转动，采用gambit进行参数化建模。整个通风机的网格数为80万，网格采用四面体和六面体混合的非结构网格技术。 1 2计算方法和湍流模型 论文属于横向课题。
作者简介：王东屏（1962—），女，出生于西安, 副教授，硕士，研究方向：计算流体力学工程应用。
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气体在通风机内流动时，它的气动性能在很大程度上由它本身的造型决定。由于流道形状、哥氏力和粘性力的影响，通风机内的气体流动十分复杂。一般认为气流在叶轮内的相对运动和在静止元件内的绝对运动为定常流，而且通风机内的气体压强变化不大，可忽略气体的压缩性。因此，通风机内的流动是三维、定常、不可压缩流动。求解相对稳定的、三维不可压缩雷诺平均N-S方程，湍流模型采用标准的κ?ε两方程模型，采用一阶迎风格式离散方程，用SIMPLE方法求解控制方程。
在OPTIMUS提供的优化算法中，采用序列二次规划算法。 3 数值计算结果与分析
3.1原通风机建模及数值模拟
原有离心通风机存在风量不足、风压不均匀等问题，所以首先对原通风机模型进行数值模拟，分析其内部气流流动状况，找出问题所在。
图1 原通风机子午面的速度分布 表2 原通风机回转面的速度分布
叶轮出口部位的速度分布很不均匀，在叶轮前半部分，叶轮不出风反而进风，所以此处有较多逆流存在。观察叶轮子午面上速度分布如图1所示，可以看到叶轮出口明显的逆流现象。风机出风口有较多逆流现象，如图2所示。
通过上述流场仿真计算，可以确定原通风机的气动性能很不好。分析气动流场，认为性能差的原因主要基于三个方面：1叶片进口部位缺乏导流部分，气体流动的流线不能折转，所以造成叶片前半部分压强低，产生逆流。由于叶轮出口有较多逆流，导致进入蜗壳的气流速度不均匀。2原模型叶轮采用前向叶片，叶轮的前盘采用平前盘。平前盘制造简单，但对气流的流动情况有不良影响[3]。3通风机蜗壳出口的面积过大，所以在蜗壳出口处压力过低而产生较多的逆流。 3.2通风机改型优化计算
优化是对通风机改型以得到较好气动性能的过程。针对原通风机模型气动流场中存在的问题，在结构上作一些相应修改。 3.2.1 改进模型A
针对原通风机模型计算中存在的叶片前半部分逆流现象严重的问题，将叶轮前盘改为弧线型，使计算结果改善。但由于将叶轮的前盘改为弧形，而使叶轮出口宽度减小，所以为了不降低流量，将叶轮的轴向尺寸增加。叶轮出口宽度增加到252mm。
如此改动后，叶轮沿子午面速度分布如图3所示。改为弧形前盘，对气流进行导流，则气动性能改善。 与原模型相比，通风机的出口风压增加24.9%，出口流量增加17%，轴功率增加9.4%，效率增加7.6%。 89
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