离心风机叶轮叶片气动优化研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北工业大学 作者:邓敬亮

  利用NUMECA 软件对一离心风机的孤立叶轮进行气动优化研究,将原始叶片的叶型中弧线进行优化,以提高叶轮的绝热效率。共进行了3 种不同方式的优化,采用单一变量法对不同优化方式的优化效果进行了比较分析。优化后,绝热效率都有不同程度的提高,有效地削弱了流动分离,减小了流动损失,流况得到不同程度的改善,表明以数值气动优化来提高叶片气动性能的方法是有效的。不同优化方式的优化效果不同,表明参数化方式以及优化工况点的选取对优化效果有重要影响。

1、前言

  离心式风机作为风机中使用最广的类型,已广泛应用于经济建设的各个行业,是众多工业部门输送气体介质的核心机械和主要的能耗设备,故研究和改进离心式风机,提高其工作效率,对节约能源和有效配置都有着非常重要的意义。而叶轮是风机的核心气动部件,叶轮内部流动的好坏直接决定着整机的性能和效率。随着计算机技术和流体力学计算技术的迅速发展,利用计算流体动力学的数值计算方法进行模拟分析,已逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手段,实践表明,这种数值计算方法能够得出很准确的计算结果。并且利用数值优化方法对其分析,可得到最优组合,提高叶轮的性能。

  基于以上认识,根据叶轮机械全三维流场数值计算技术,利用NUMECA 的Design3D 全三维叶轮机械气动优化设计平台,对一离心通风机叶片进行优化,改进其叶型中弧线,以提高其性能,并对不同优化方式的优化效果进行比较分析。

2、优化对象

  研究的风机叶轮采用的是弧形等厚叶片,叶片为后向式结构,共12 个叶片。叶片前缘径向位置为170mm,叶片后缘径向位置为255mm。图1给出了风机叶轮的三维造型。

风机叶轮的三维造型

(a) 全叶轮(b) 隐藏前盘后的叶轮

图1 风机叶轮的三维造型

3、数值计算方法

  数值计算采用了NUMECA/FINE 软件包的Euranus 求解器。采用Jameson 的有限体积差分格式并结合Spalart-Allmaras 湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺时均Navier-Stokes 方程进行求解。S-A 湍流模型是一方程湍流模型,被认为是连接代数零方程Baldwin-Lomax 模型和两方程模型的桥梁,由于其具有较好的鲁棒性,并且能够处理复杂流动的能力,因此近年来应用很广泛,尤其是在航空航天领域。采用显式四阶Runge-Kutta 法时间推进以获得定常解,为提高计算效率,采用了多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施。采用单通道计算,网格质量高,同时为避免计算误差,所有的流场计算都采用同一套网格模板。计算设置及边界条件如表1 所示。

表1 计算设置

离心风机叶轮叶片气动优化研究

6、结语

  通过优化结果和流场的对比分析表明,各种优化方式优化后,叶片的气动性能在优化点处都得到了提高,流动损失减小了,流场状态得到改善,尤其是叶片顶部的流动分离得到有效控制。而优化后的全工况的性能却是各有所长、各有所短。不同参数化形式,优化后获得的结果不同。优化工况点的选取对优化结果( 尤其是全工况性能) 也有很大影响,若要获得更优的全工况性能,可进行多工况点优化。

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