基于CFD仿真的双工况多翼离心风机优化设计

邵双全，邹慧明，徐洪波，田长青，孙鹏，桑宇宁

（1-中国科学院理化技术研究所热力过程节能技术北京市重点实验室，北京 100190；2-北京天立成信机械电子设备有限公司，北京 102100)

基于CFD仿真的双工况多翼离心风机优化设计

邵双全*1，邹慧明1，徐洪波1，田长青1，孙鹏2，桑宇宁2

（1-中国科学院理化技术研究所热力过程节能技术北京市重点实验室，北京 100190；2-北京天立成信机械电子设备有限公司，北京 102100)

本文采用CFD仿真的方法对运行于双工况的多翼离心风机进行了优化设计。采用非均匀滑移网格和RNG (ReNormalized Group)k-ε模型对多翼离心风机的非定常流场进行计算，对三种多翼离心风机的性能（风量、风压和效率）进行仿真分析和优化设计，较好地满足了双工况运行的风量和风压设计要求，并达到了比较高的风机效率；2,100 m3/h和4,000 m3/h风量工况下分别为56.55%和57.76%。所提出的CFD方法为多翼离心风机的设计和优化提供了有效工具。

离心风机；双工况；仿真；优化；计算流体力学

0 引言

多翼离心风机因为压力系数高、流量系数大、结构尺寸小、转速低和噪声低的特点而被广泛地应用在各种通风设备和空气处理设备中。离心风机性能的改善（效率、尺寸、风量、风压和噪音等）一直是国内外研究单位和企业关注的焦点[1-2]。最早，风机的设计与优化主要依赖实验手段进行。随着计算机技术的快速发展，计算流体力学（CFD）的基础和应用研究不断完善，关于风机的模拟仿真的模型和方法也不断得到改进，并有许多CFD软件风机专用设计软件开发出来以方便风机的优化设计[3-7]。目前的研究主要针对风机在某一工况下进行优化设计，而在实际工程应用中，许多风机都要工作在双工况甚至多工况下，这为风机的优化设计带来许多困难。因此，本文针对某通风工程对双工况风机的风量和风压设计要求，采用CFD方法对多翼离心风机进行设计和优化。

1 非定常流场N-S方程及k-ε模型

采用 CFD对运转中风扇的流场计算，通常使用ALE（Arbitrary Lagrangian Eulerian）方法。从而，在固定坐标系下的 N-S（Navier-Stokes）方程可以表示为[3,8-9]

其中，u为不可压缩机流体的流动速度，而v为叶轮的移动速度。

为了便于进行计算，可以将上述方程中的时变速度分为两部分：平均速度和脉动速度。为了使方程能够封闭求解，做如下假设和定义：

Reynolds应力模型中的输运方程为：

上述非定常流动的流场计算模型可以在大多数商用CFD软件中实现，本文采用SC/Tetra软件的非均匀滑移网格和RNG (ReNormalized Group)k-ε模型对多翼离心风机的非定常流场进行计算[10]。

2 基于CFD的多翼离心风机设计流程

多翼离心风机的结构如图1所示，其优化设计所涉及的主要参数如表1所示。由于风机的设计一般都要求在给定的尺寸空间内进行设计，优化设计时主要是对其叶片数量、2D的角度、厚度、高度和3D的曲率等进行优化，具体流程如图2所示。

图1 多翼离心风机结构示意图

图2 基于CFD的多翼离心风机设计流程

表1 多翼离心风机主要参数

3 仿真分析

3.1 设计需求

某通风工程中需要风机常在两种运行工况下进行切换，其风量和风压要求如表2所示。从其设计要求看，在两种工况下风机的输出功率（风量×风压）比较接近。针对其设计要求，设计了三种多翼离心风机方案，如表3所示。

3.2 网格划分

多翼离心风机进风口和出风口控制区域都设定为4 m，采用非均匀非连续网格，如图3所示。在所有区域都采用八分圆网格，在固体表面采用棱柱体网格。这样，八分圆总数为 80,000,000，棱柱体总数为34,000,000。

图3 多翼离心风机网格划分

3.3 结果分析与优化

采用上述 CFD数值仿真方法，对所设计的三种多翼离心风机进行数值分析。首先，三种风机在2,100 m3/h风量下的风压、效率和转速如表4所示。

表4 三种风机在2,100m3/h风量下性能

从表4中可以发现，方案2具有较高的风压和效率，但是风压与设计要求仍有一定的差距，因此，采用上述CFD数值针对其2,100 m3/h风量下的性能和4,000 m3/h风量下的性能进行校核，结果如表5所示。从表5中可以发现，改进后的方案2可以较好地满足风机的双工况设计需求，并且在两种运行工况下的风机效率分别为56.55%和57.76%，不仅效率值较高，而且两种工况下的效率值比较接近，为后续的电机等设计提供了便利。

表5 方案2风机在双工况下的性能

此外，CFD仿真方法还可以提供风机内部的流场分布情况，方案2的风机在2,100 m3/h风量下其中心截面的流场如图4所示。可以根据其各个截面的速度、涡量和压力的分布上，发现设计方案中所存在的问题，以便提出进一步的改进措施。

图4 多翼离心风机流场分析

4 结语与展望

多翼离心风机是通风工程以及空气处理设计中最常用的空气动力设备之一。本文提出了基于CFD仿真的多翼离心风机的设计方法和设计流程，并特别针对某双工况风机进行了仿真设计与优化。设计结果表明，所设计的方案较好地满足了设计所需的风量和风压要求，如2,100 m3/h风量下的风压为1,606 Pa（设计要求为1,600 Pa），4,000 m3/h风量下的风压为 780 Pa（设计要求为 750 Pa）。两种运行工况下都维持了较高且相近的风机效率（56.55%和57.76%）。

上述结果表明，采用本文所建立的 CFD数学模型和计算方法，为多翼离心风机的优化设计提供了有效工具。今后还需进一步完善离心风机非定常流场及噪声的仿真研究，研发出一整套模拟、优化风机结构的方法，缩短企业的研发周期并节约大量实验经费。

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Optimization Design of Multi-blade Centrifugal Fan for Two Working Conditions by CFD Simulation

SHAO Shuang-quan*1,ZOU Hui-ming1,XU Hong-bo1,TIAN Chang-qing1,SUN Peng2,SANG Yu-ning2
(1-Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;
(2-Beijing Tianlichengxin Mechanical and Electronic Equipment Co.,Ltd,Beijing 102100,China)

The optimization design of a multi-blade centrifugal fan for two working conditions is carried out with CFD simulation method.The unsteady flow field of the centrifugal fan is calculated with the non-uniform sliding mesh and RNGk-εmodel.Three centrifugal fans are simulation analyzed and optimization designed according to their air volume,pressure and efficiency.The results show that,the fans better match the design requirement to the air volume and pressure at two working conditions with high efficiency.The efficiency is 56.55% at air volume of 2,100 m3/h and the efficiency is 57.76% at the air volume of 4,000 m3/h.The proposed simulation method provides an effective tool for centrifugal fan design and optimization.

Centrifugal fan;Two working conditions;Simulation;Optimization;CFD

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.104

*邵双全（1975-），男，副研究员，博士。研究方向：制冷与空调系统仿真与优化控制、气动噪音仿真与降噪。联系地址：北京市海淀区中关村东路29号，邮编：100190。联系电话：010-82543433。E-mail：shaoshq@mail.ipc.ac.cn。

国家自然科学基金项目（51006113），北京市市委市政府重点工作及区县政府应急项目（Z141100006014028）本论文选自2014年第八届全国制冷空调新技术研讨会。