离心式通风机整机三维数值模拟及其结构改型设计分析

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通风机是广泛应用于国民经济各行业的一种通用机械。据统计,我国各类风机和泵的耗电量约占我国总发电量的三分之一,仅工业用通风机的耗电量就占我国总用电量的5%左右,随着通风机的需求量日益增大,制造原材料的消耗也不断增加。因此,从节约能源和资源的角度考虑,设计出低成本高效率的风机有十分重要的意义。流体机械的设计方法和思想都来自于大量实验,通过这样的方法能够得到较好的风机基本技术参数,但这种方法不仅需要耗费大量的费用和时间,也不能确定风机内部的流动状况。由于CFD(计算流体动力学,全称Computational Fluid Dynamics)可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场等的时变特性,不仅可以准确预测通风机的整体性能,还可以很容易地从对流体的分析中发现产品或工程设计中的问题,减少未预料到的负面影响,减少设计或优化对试验的依赖性,大为缩短设计周期,降低费用。因此在凤机设计方面越来越多的应用CFD软件来代替传统风机实验方法。本文应用Solidworks建立DFY23F-C4A型离心风机的整机模型,运用计算流体力学软件Fluent对其内部的三维气体流动进行了模拟分析。采用了非结构化网格与RNGk-ε湍流模型,考察了离心风机整机和其子午面、回转面、叶片表面等重要部分的静压力、动压力、速度矢量和速度梯度等参数并进行比较,得到了一些新的流动现象,结果表明:离心风L机流体区域的压强和流速是非轴对称的,这是由于整机的非轴对称性而产生;离心风机的蜗壳出口的面积过大,致使在蜗壳出口处压力过低而产生较多的逆流,使得风机出口风压减小,效率降低;蜗壳内部整体的流动像扭曲的麻花般旋流流出,不利于气体流动;离心风机流体区域内存在涡流、尾流一射流、二次流动等现象,使风机噪音增大,并影响其效率。这些结果对研究风机的振动及噪声控制有一定的指导意义。之后通过对离心风机不同流量工况分别进行计算,得出不同流量工况下离心风机的全压和效率,并绘制出P-Q曲线及η-Q曲线,与实验数据加以比较,并分析了模拟值与实验值误差的来源。最后对DFY23F-C4A离心风机的进气箱、集流器和蜗壳进行适当改型,得到三种改型设计方案。分别对每种改型设计进行模拟计算,绘制改型后的P-Q曲线及n-Q曲线,计算不同部件的能量损失,并与原机型进行比较,分析得出:改进型风机总体性能较原机型稍差,但制造成本较原机型有较大降低,可以考虑在最佳流量工况点附近替代原机型。本文数值模拟结果为企业进一步改进风机结构、改善风机内部流场流动、提高风机效率、扩大运行工况、风机改型创新提供重要依据。
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