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fluent文集离心通风机内部流场的数值仿真及优化研究
2005Fluent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%。
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气动性能有所改善，但轴功率增加。
通过观察通风机内部气流的流动情况，叶轮进口部位的流动得到好转，但蜗壳出口部位的流动仍然不好，蜗壳出口仍然存在着逆流现象。
3.2.2改进模型B
在模型A的基础上，把蜗壳出口部位的尺寸减小，消除了蜗壳出口逆流的现象。
蜗壳出口截面的位
置没有改变，但尺寸减小。
出口风量有所减小，但转矩减小，轴功率减小，出口总压增加，效率提高。
可见气动特性有很大的提高。
原蜗壳模型
改进模型B
图3蜗壳改动前后z=-0.2压力分布
蜗壳出口改动之后，出口截面尺寸减小，质量流量有所下降，但蜗壳出口逆流面减少，
效率提高7.4%，轴功率减小12%。
说明改动使通风机内部的气动流场得到较大改善。
3.2.3改进模型C
离心式通风机的空气动力特性除了取决于叶轮内部的结构之外，还与通风机的进口形状密切相关，进口又称为集风器，其形状对风机的性能有很大的影响。
在改进模型B的基础上，进一步改善叶轮进口的流动情况。
对进口管道处做成缩放型，从而与叶轮轮盖处的曲线对接，使流动平缓地从轴向转向径向使进口气流缓慢从轴向向径向过渡。
通风机网格数130万。
通过多次改变进气管形状计算，最终得到较好模型。
改进模型的气动性能大为改善，通风机出口总压增加14.1%，出口流量增加6.9%，效率提高8.21%，轴功率增加0.1%。
所以通风机进口部位型线对气流的导向作用非常关键。
若把物体制成流线型，可使边界层的分离点后移，甚至不发生分离，阻力系数大大减小。
在此，一方面减小阻力，另一方面对气流流动起导向作用，使叶轮进口速度分布均匀，流动状况好转。
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图4改进模型C沿叶轮子午面速度分布图5改进模型
C回转面速度分布
图6通风机内部气流运动轨迹
在子午平面上，流动被很好的导向。
由于蜗壳的存在，使得每一个流道内的速度和压力分布是非对称的。
表一模型改进性能参数一览表
出口总压
（Pa）出口流量（kg/s）转矩
（N·m）轴功率（W）效率
原始模型改进模型改进模型改进模型
通过上述通风机结构的改变，多方案比较，改型后的叶轮气动性能改善。
叶轮出口和蜗壳出口没有逆流，出口流量均匀。
出风量和风压有所提高，效率提高，轴功率基本小于或等于原模型的轴功率。
与原模型相比，通风机的出口流量增加16%，出口总压增加67.3%,轴功率下降3.8%,效率增加23.2%。
4基于OPTIMUS与FLUENT的离心通风机进口优化
在数值化的今天，新产品的开发周期越来越短，产品的成本需要大幅降低，而产品的外延性以及拓展空间又需要极大的扩展，这就需要广泛地采用优化技术进行产品设计。
通过数值模拟通常能够得到一些比较满意的设计方案，但远远不是最佳方案。
CFD已完全具备求解用户设定的一个确定问题的能力，但是工业界对优化设计有越来越强的需求。
目前设计—分析—修改设计—分析的过程仍然是不连续的、孤立的、人工干预的，而非自动的。
虽然分析人
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员可以不厌其烦地在屏幕前一次次修改设计参数以寻找最理想方案，但缩短开发周期的压力通常要求分秒必争，人们可能没有更多的时间对数据参数进行手工调整。
最优化技术引入使人们从繁重的凑试工作中解脱出来，同时使设计水平也达到一个新的高度。
多学科多目标优化软件Optimus，具有强大的集成优化能力，可以集成多种CAE/CAD软件。
它可以自动调度通用的流体分析、结构分析软件并由用户设置其它约束条件来完成一个特定优化问题的自动求解过程，使人工的干预降低到最低限度。
这样得到的优化结果是符合目标函数的最佳设计。
根据目标进行设计的理念，彻底颠覆了传统的工程设计过程，从所希望的目标开始，然后定义达到目标所需的设计参数。
本文运用多学科优化平台软件OPTIMUS集成流体计算软件FLUENT6.1和GAMBIT2.1对通风机进口进行优化计算，优化设计建立在仿真分析的基础上。
一个典型的优化过程通常需要经过以下的步骤来完成：
（1）参数化建模，利用Fluent软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据（设计变量）定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。
（2）求解，对参数化模型流场进行数值仿真，把状态参数（约束条件）和目标函数（优化目标）提取出来供优化处理器进行优化参数评价。
（3）优化参数评价，优化处理器根据本次循环提供的优化参数（设计变量、目标函数）与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者是否达到最优，如果最优，完成迭代，推出优化循环圈，否则，进行下步。
根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环。
通过设计实验方法（DOE）对响应空间作初步的探索,然后对其进行优化计算。
DOE是一种设计空间探索技术，用来对设计空间进行初步探索，可以减小优化问题的计算规模，本例通过对DOE结果分析，可以看出，只有减小截面尺寸的分析是有效的，因此把变量的变化范围缩小，提高计算效率，减少计算时间。
OPTIMUS中提供了局部优化算法如梯度算法、序列二次规划算法，全局搜索算法如自适应遗传算法、模拟退火法等。
本例采用了序列二次规划算法，在设定的空间内进行了7次迭代，图7
为离心风机的效率随迭代次数变化。
横坐标为迭代次数，纵坐标为风机效率。
[4]
图7优化迭代效率曲线
通过对通风机入口优化，在对原通风机模型改动很小的情况下，可以有效提高通风机的性能，出口总压、流量等指标都有很大的提高，效率提高11.41％
图8中的左边圆锥形进口为原模型的进口，右边为优化计算得到的进口形状。
通过优化，可以有效改善入口流场的流动，减少不必要的能量损失，明显提高通风机的性能。
优化结果形状与本文3.2.3提供的数值仿真优化模型进口形状基本一致。
人工重复每一个中间态的设计分析工作最终求得一个优化解的过程是漫长和昂贵的，采用OPTIMUS可以提高效率，节省时间，尽快得到问题的最优解。
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图8优化前后进口形状
5总结
根据上述对离心通风机内部三维粘性流场进行数值模拟及其改进设计，可以得出如下结论：
1通过对原离心通风机内部三维粘性流场进行数值模拟，认为该风机气动流场性能比较差，效率只有22.2%.。
主要原因是：
（1）叶轮叶片进口缺乏导流部分，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，从而导致蜗壳入口流动有逆流，进入蜗壳的气流速度不均匀，恶化了气流在蜗壳内的流动。
（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）由于蜗壳出口的面积过大，所以在蜗壳出口处的流动不好，压力过低所以产生较多的逆流。
2通过上述通风机结构上的改变，改型后的叶轮气动性能改善。
叶轮出口和蜗壳出口没有逆流，出口流量均匀。
出风量和风压有所提高，效率提高，轴功率基本小于或等于原模型的轴功率。
与原模型相比，通风机的出口流量增加16%，出口总压增加67.3%,轴功率下降3.8%,效率增加23.2%。
3运用多学科优化平台软件OPTIMUS集成流体计算软件FLUENT，对通风机进口进行优化计算，可以有效提高通风机的性能，出口总压、流量等指标都有很大的提高，效率提高11.41％。
优化进口形状与本文3.2.3中提供的改善模型进口形状基本一致。
说明采用OPTIMUS优化计算是非常有效的，而且节省时间，能较快得到问题的最优解。
参考文献
[1]郑孝东.提高煤矿主通风机效率的途径及措施[J].风机技术.2001，（5）：
53~55
[2]闻苏平，张楚华，李景银.旋转叶轮和叶片扩压器耦合的非定常流动计算[J].西安交通大学学报.2004,38（7）:
754~757
[3]沈阳鼓风机研究所、东北工学院流体机械教研室编著.离心式通风机.机械工业出版社.1984,6
[4]OPTIMUS5.0Documentation,NosisInc2004.
NumericalSimulationandOptimizationDesigninaCentrifugalFan
WANGDong-ping，ZHAOWen-zhong,ZHAOLi-feng
CollegeofMechanicalEngineering,DalianJiaotongUniversity,Dalian116028,China
Abstract：
Therearenotenoughoutflowanduniformpressureinacentrifugalfan.Therefore,itswholeflowfieldisnumericalinvestigatedwithFluent,andSIMPLEalgorithmic,soastobeoptimaldesigned.Theefficiencyandoutflowwasimprovedremarkably,andprovidedvaluableresultsfordesigners.OptimusintegratingFluentwasusedtooptimizedesigntheinletductcurveofcentrifugalfan,whichisaprocessintegrationanddesignoptimizationsoftware.ComparingtheinletductcurvefromtheoptimizationwiththatfromthesimulationonlybyFluent,botharenearlythesame,whichassumesthattheoptimizationnotonlyreliable,butalsoisofusefulforlearningtheinteriorflowofcentrifugalfanandincreasingthedesignlevel.
Keywords:
centrifugalfan;numericalsimulation;wholeflowfield;integratedoptimaldesign
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