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李海伟 先生
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发布时间:2021-11-21 16:34:07
针对管道离心风机有无进气箱两种结构形式,建立了两种计算模型,利用CFX 软件对两种模型进行数值模拟,研究其内部三维流场特性,基于数值模拟结果分析了进气箱对离心风机的性能影响。数值模拟结果表明:加进气箱后,离心风机的全开流量与压力有所降低,缩短了有效工作区域;在管道离心风机内部叶轮进口处产生涡旋现象,堵塞了叶轮流道,使风机的效率和压力降低。数值模拟结果与实验测试值对比是比较吻合。进气箱是离心风机重要的组成部分,主要应用于大型离心风机与双吸离心风机。进气箱在其出口处气体发生近90°转弯,内部流场十分复杂,并造成很大的流动损失。其出口速度的不均匀性对管道离心风机性能影响明显,有必要对其特性进行研究。但由于种种原因,造成风机超过允许范围的振动的现象并不少见,严重的剧烈振动会造成风机本体及其关联设备***的设备事故,甚至还会造***身安全事故。A.G.Sheard通过研究加进气箱的通风机,在管道离心风机叶轮进口加导流板控制叶轮进口的非均匀气流,结果表明在叶轮进口加导流板能够提高风机的全压,并得出了叶片根部断裂的原因。使用三维粒子动态分析仪(3D-PDA)对大型风机进气箱内部三维气体流场进行测量,揭示了其内部流动的基本特征,为了解进气箱流场结构和流动机理提供了依据。
管道离心风机在大流量区计算值比实测值偏高,小流量区计算值比实测值偏低,但是整体上计算结果与实测结果基本吻合。由效率曲线图可知,大流量区计算结果比实测结果偏高,小流量区计算结果比实测结果偏低,说明计算结果与实测结果吻合。集流器的类型有很多种,常用的集流器是锥弧形集流器,锥弧形集流器的气流运行一般比较平稳,但是集流器喉部到叶轮进口阶段容易发生边界层分离现象,增加管道离心风机的损失,导致离心风机效率降低。通过实验值与计算值的对比,CFX 软件的数值模拟结果与实测结果一致,由此验证了采用CFX 软件对带进气箱的离心风机的数值模拟是可靠的。
试验噪声分析
离心风机的噪声按照流体动力声源的发声机制,分为三类:1)单极子,2)偶极子,3)四极子,风机正常工作状态下产生的噪声主要来源于偶极子源。根据GB/T2888-2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法标准》对有无进气箱离心风机的噪声进行测试。试验地点:浙江上风高科专风实业有限公司CNAS 检测中心;采用声级计对风机出口处的噪声进行测试,测试方式及仪器。测量时,除地面外无其他的反射条件,测点位置D 距地面的高度与风机出口中心持平,水平方向上与出气口轴线成45° ,距离出气口中心L=1m。进气箱内的流动损失进气箱的流动损失可以通过数值模拟计算分析,为理论研究提供参考,其大小为进气箱出口截面的动压乘以损失系数。
管道离心风机的噪声在小流量区,带进气箱的离心风机噪声低于不带进气箱,随着流量的增加,带进气箱的风机噪声显著提高,在大流量区,明显的高于不带进气箱的噪声。
为改善管道离心风机受气体粘性影响导致流动分离加剧的现象,在传统蜗壳型线设计理论的基础上,研究气体粘性力矩对蜗壳壁线分布的影响,并采用动量矩修正方法对其进行改型设计。另外,为真实反映风机内流场分布情况,在标准k-ε 计算模型的扩散项中加入粘性应力作用,使其高计算误差降低至3%。对比分析改型前后风机数值模拟计算和试验测量结果可知,采用修改的k-ε 模型进行计算发现改型后风机内旋涡强度减小,蜗壳出口靠近蜗舌处流动分离得到改善。粉尘不仅严重危及采掘工作面人员的身体健康,而且容易造成重大事故隐患。试验结果表明:改型管道离心风机出口静压提升约25Pa,较大全压效率较原型机提升约10%。
同时,由于蜗壳张开度扩大能够***流动分离,使蜗舌附近区域的旋涡强度及其影响区域减小,从而有效地降低了多翼离心风机噪声2.5dB。多翼离心风机广泛应用于国民经济的各个领域,是工业生产中主要耗能设备之一,蜗壳作为离心风机中不可或缺的基本元件,其结构的不对称性及内部流动的复杂性会对叶轮出口气流角造成较大影响,使其沿圆周方向呈现出明显的不对称性。而在风机实际运行过程中,管道离心风机叶轮出口气流与蜗壳壁面间存在强烈的非定常干涉,使得蜗壳壁面成为风机的主要噪声源。因此提高蜗壳型线设计水平,不仅能改善风机气动性能,还能达到降低噪声的效果。本文在传统蜗壳型线设计理论基础上,以某抽油烟机用多翼离心风机为研究对象,管道离心风机采用动量矩修正方法对其进行性能优化。目前国内外学者对离心风机蜗壳型线的研究,主要集中在寻找能真实反映蜗壳内流体流动状态的设计方法。
管道离心风机性能试验原理及其装置为了验证修正后数值计算模型的准确度,对原风机的不同工况气动性能试验。将修正前后数值计算模型预测原型机性能结果与试验值作对比分析,由数据可知,采用标准k-ε 模型预测的风机性能曲线较试验值存在一定误差,其较大误差值达9.5%,修正的k-ε 模型,各流量工况下管道离心风机出口静压计算值与试验值吻合,其性能曲线趋于重合,两者误差值明显减小,且较大误差降低至3%,充分验证了所采用的数值计算模型修正方法的可行性,同时为下文管道离心风机性能的准确度和可靠性预测提供支撑。设计原理分析原风机蜗壳内壁型线采用的是传统蜗壳型线设计方法,即不考虑壁面粘性摩擦的影响,气流动量矩保持不变,运用不等边基圆法绘制的近似阿基米德螺旋线。同时也可以看出,加米字形集流器压力梯度变化趋势比普通圆弧形集流器平缓,对稳定进口气流,保证气流的均匀及稳定有更明显的作用。而实际流动过程中,气体粘性作用常导致其速度在过流断面上呈现的分布不均匀现象。
对于低速小型多翼离心风机而言,由于气体流道狭窄,受粘性作用的影响,风机内壁面边界层分离加剧,经过叶轮加速的气体流速沿蜗壳径向方向逐渐减小,而在管道离心风机蜗壳出口处,由于同时受到蜗舌结构和蜗壳壁面的影响,其流速为管道流速度分布,受粘性作用的影响,蜗壳内流体于整个流道空间内呈现速度分布不均匀的现象,因此在实际流动过程中,流体动量矩并不是不变的,而是随流动的进行不断减小,故基于动量矩守恒定律设计的传统蜗壳型线存在动量修正的必要。改型设计方法由于气体粘性力无法通过简单的公式运算获得,且其大小受气体速度的影响,因此本文采用一种简单化的求解方法,即基于传统不等边基圆法,管道离心风机运用改进后的k-ε 模型对原风机进行数值模拟,设置如图8 所示的4 个监测截面,其方位角φ 分别为90°、180°、270°、360°。3)加进气箱后管道离心风机不仅效率有所降低,其全开流量与压力与无进气箱相比也有所下降,加进气箱后离心风机较优工况点向小流量区偏移,进气箱内部流场的复杂性以及出口速度的不均匀性对风机内部的流场分布产生了影响。通过Fluent 后处理计算得出蜗壳壁面区域于以上4 个截面处所受粘性力大小Fν ,测量力矩中心至力原点距离R,由额定工况下风机总质量流量q 计算得单位质量流体所受黏性力矩平均值m FR / q。
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