抛雪离心风机蜗壳内部流场分析

琚立颖，冯泽，张桓，龙海洋

(1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210；2.河北工程大学 机电工程学院，河北 邯郸 056038)

抛雪离心风机蜗壳内部流场分析

琚立颖1，冯泽2，张桓1，龙海洋1

(1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210；2.河北工程大学 机电工程学院，河北 邯郸 056038)

离心风机；蜗壳；流场；倒流；数值模拟

在标准化离心风机的基础上设计了抛雪专用的型号为P4-35-01No.03的离心风机，为了保证风机蜗壳内流场结构更加合理，利用计算流体动力学软件分别对3种不同截面的蜗壳内部流场进行数值模拟，确定了流动比较平稳的梯形截面蜗壳。分析梯形截面蜗壳内部流场动力学特征，得到由于梯形截面和蜗壳本身共同的扩压作用，而使蜗壳内圆周方向上180°～315°范围内发生倒流现象以及流动的不通畅。在轴向上，由于靠近后盘处流体速度大于前盖和叶轮中心处，观察到将蜗壳进口处的雪颗粒速度提高到13.74～17.18 m/s范围内，能够明显抑制蜗壳内倒流现象，减小倒流对蜗壳内部流动的影响。因此提出增大蜗壳进口雪颗粒速度优化蜗壳内部流场的方案，这一方案与结论为今后的产品开发和流场数值模拟研究积累了有益的资料。

离心风机是当今使用最广泛的旋转式机械设备，它能在很多不同的工作环境下提供足够的压力与速度，并且具有结构简单、便于操作、高效率、噪音小以及易于维护、适应性很强等特点。经过不断发展变化，形成了许多种不同类型的标准化风机。根据华北理工大学提出的研发环保节能电动扫雪器的规划，并结合上述离心风机诸多的优质特点，决定将离心风机作为电动扫雪器的主要部件，执行将积雪抛出的功能。作为以抛雪功能为主的设备，直接使用标准化的离心风机是不合理的，其结构和性能无法与扫雪器相匹配，就会在使用中产生损坏设备的风险，因此设计了专门用于抛雪的离心风机，根据国家标准将其型号定为P4-35-01No.03。

离心风机内部的流动是非常复杂的，其流场内往往存在二次流和射流-尾迹结构，破坏流场内部结构；严重时可能发生旋转失速，从而导致额外的气动载荷诱发叶片高应力点处的疲劳断裂问题[1-5]。对于离心风机内部流场的研究和模拟，已经是必不可少的，许多学者对各式各样的离心风机内部流场做了大量的探索。Sheam Chyun Lin 用 Star-CD 全三维不可压模型对前向离心风机进行了整机数值模拟[6-12]。张磊等通过数值模拟的方法对G4-73型离心风机内部流场进行了研究，得到了旋转失速先兆发生前后的流场动力学特征，确定了失速团传播规律对内部流场全压的影响[13]。王松涛等研究三维叶片对离心风机内部流场的影响，发现后倾、前掠、正弯、前掠正弯和后倾正弯叶片能有效改善内部流场结构[14-18]。曹淑珍等对矩形截面蜗壳内部流场进行了试验探索，分析了小流量工况下风机内部流场特征，发现二次流损失和内泄漏损失相对较为严重[19-21]。

以上研究主要集中在对离心风机内部叶轮区域流场的探索研究，而对蜗壳对内部流场影响的数值研究还并不是很充分，况且前人对离心风机内部流场的探索大多数是使用试验的方法，由于试验自身的局限性，只能获得有限的数据进行参考，难以获得接近真实的内部三维流场特征。该项研究基于上述提出的问题与不足，探索研究不同类型蜗壳对离心风机内部三维流场的影响，找到最适合的蜗壳类型与结构参数，具体分析其三维流场动力学特征，找出不足为将来的优化做铺垫。

1 工作原理与数值计算模型

1.1 抛雪离心风机工作原理

扫雪器主要由螺旋集雪器、抛雪离心风机和抛雪筒三部分组成，并将其安装于承载车架前端。如图1所示为其实物图。螺旋集雪器主要用于收集积雪并将积雪从两端输送至离心风机进口前。当车辆不断向前行驶，大量积雪进入集雪器并汇聚于离心风机入口前方，随着离心风机内部叶轮高速旋转，使其内部压强小于外部，积雪顺利地进入离心风机，在叶片高速旋转的带动下，积雪在离心力的作用下积雪获得了很大的切向速度，并离开叶片被甩向蜗壳区域，积雪沿着蜗壳运动直到最终离开。由于风机入口呈负压状态，积雪在车辆和外部大气压的双重作用下源源不断进入其中[22-23]。由于叶轮不停地旋转，积雪不断地被抛出和进入，从而达到了风机连续抛雪的目的。

图1 扫雪器模型

1.2 流道的几何模型

该项目研究的是型号为P4-35-01No.03的抛雪专用离心风机。它由集流器、叶轮、蜗壳和电机转轴组成，如图2所示为其结构示意图。

图2 离心风机结构示意图

叶轮由锥形前盖、后弯式叶片、后盘组成。主要结构参数为：流量Q=1.06 m3/s，全压P=90 kPa，转速n=1 470 r/min，叶轮外径D2=300 mm，叶轮进口直径D0=120 mm，叶轮的进口宽度b1=37 mm，叶轮出口宽度b2=78.5 mm，叶片数z=12，蜗壳最大外径R=300 mm，叶片出口角β2=40°。在不改变上述参数的条件下，使用软件Creo建立3种不同截面类型的蜗壳(矩形、梯形和圆形)，如图3所示，及其它各组成部件的三维实体模型，并装配成一体。为了减小进出口边界上不能真实反映内部流场的不良影响，现在风机进出口处分别向外延伸20 mm。现将模型导入商用软件ANSYS Workbench中，在模块Design Modeler使用填充、拉伸、布尔运算等功能，生成其流体域模型。

图3 3种不同截面类型蜗壳

由于梯形、圆形截面蜗壳是以矩形截面蜗壳为基础，做了些细微的改动所产生；而矩形截面蜗壳的参数与1.2小节中所给参数完全相同。梯形、圆形截面蜗壳和矩形截面蜗壳的基圆直径、蜗舌起始角完全相同，仅是在蜗壳宽度上存在一定差别，这个细微差别对后面的流场分析影响不大，因此不再给出梯形、圆形截面蜗壳的具体参数。

1.3 网格划分与数值方法

在软件ANSYS Workbench中，采用mesh模块进行网格划分。由于风机内部的流动相对复杂，为了保证数值模拟的精确度，应使所有网格的扭曲度控制在0.9以下，因此将风机流体域模型划分为3个部分，如图4所示，对每个部分采用不同方法进行划分。在风机入口区和蜗壳区采用六面体网格，并对其进行膨胀处理，细化2个区域靠近边界层的网格；而在叶轮旋转区则采用适应性更好的四面体非结构化网格。对入口与叶轮接触区域及叶轮与蜗壳接触区域设置动静交界面，并设置为滑动网格，最终划分后得到193 079个节点，624 712个网格单元。

考虑到风机的实际工作条件，通常风机内的流体为雪与空气的混合物，在分析中忽略两者的密度变化，同时不考虑雪和空气之间的能量交换。采用Eulerian模型作为两相流模型，采用分离隐式求解器，Realizablek-ε两方程湍流模型，以及增强的壁面函数进行数值模拟。选用有限体积法离散控制方程，离散格式设置为二阶迎风格式，压力-速度耦合计算应用PC-SIMPLE模型，收敛残差为0.001。

图4 风机内部流域与观察截面划分

1.4 边界条件

对于抛雪离心风机，采用动参考坐标系(moving reference frame)模型描述其内部旋转区域及其附近的流动，将旋转区域内与叶轮接触的表面设为旋转壁面，蜗壳与入口区域的表面设为静止壁面。设置工作环境为一个标准大气压，进口边界条件采用速度进口边界条件，入口速度为8.17 m/s，方向为垂直与入口表面；出口边界条件采用压力出口，给定出口静压。为了使数值模拟后能够清晰有效地观察蜗壳内的流场，现从蜗壳上不同圆周方向(60°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°)假定8个观察截面用于观测，其具体方位如图4所示，图中A到H对应于60°到360°8个不同截面。

2 不同截面类型蜗壳内流场状态的比较

目前使用较为广泛的蜗壳有3种截面类型，矩形截面、梯形截面和圆形截面[24,25]。矩形截面是最早出现的，使用中也是最常见的，它的结构参数已经标准化与规范化。在矩形截面的基础上，为了进一步体现出蜗壳对流场内的扩压作用，将矩形修改为中心宽度小而外缘处宽度大的梯形截面。随着现代三维建模技术的发展，开始出现了内部流动性能更为优越的圆形截面，受到了广泛使用。为了提高抛雪离心风机的工作状态、适应性与稳定性，分别对3种不同截面类型蜗壳内部的流场进行数值模拟。图5为3种截面类型蜗壳内流场的迹线图。

图5 3种蜗壳内部流场迹线图

由于蜗壳本身的扩压作用，从图中可以看出，流体流出叶轮后沿着蜗壳面积逐渐增大的方向作旋转运动，并按此规律推进直至流出蜗壳。在使用矩形截面蜗壳时，其内部流体的运动速度是相对较高的，但是在出口区靠近蜗舌处，存在相当大部分的流体又重新流入叶轮中进行加速旋转，流出风机的流体只占蜗壳区容积的一半，这样的回流不断循环下去，使风机一直在做无用功，造成极大的能量损失。

从图5(b)、图5(c)中可看出，梯形截面蜗壳和圆形截面蜗壳内均不存在类似于矩形截面蜗壳内部回流的现象。梯形截面蜗壳内部的流场中，在轴向上接近蜗壳两侧壁处，有流动迹线分布不均匀以及微小旋涡的存在，但对蜗壳内部的流动影响不大。圆形截面蜗壳内部的流场中，流动迹线分布更加均匀，接近蜗壳两侧壁的微小旋涡也并不存在，流体速度也相对较高，总的来说圆形截面蜗壳是较为理想的蜗壳。考虑成本问题，圆形蜗壳建模时对已定参数有些变动以及建模本身的复杂性，因此选用内部流动状态相对平稳的梯形截面蜗壳。下面将对梯形截面蜗壳内部流场进行深入分析。

3 梯形截面蜗壳内部流场特征分析

经过对不同截面类型蜗壳内部流场的讨论，确定了比较适合的梯形截面蜗壳，但仅仅通过比较直观的迹线图，对于蜗壳内部流体动力学特征，还没有清晰明确的认识，因此对其进行了进一步的讨论。

3.1 圆周方向上不同截面的分析

图6为蜗壳内部圆周方向上8个不同截面的速度矢量图。图中速度为雪颗粒在离心风机中的径向速度，周向(切向)速度和轴向速度的合速度。

图6 圆周方向上8个截面速度矢量图

从图6中看出，截面A内，蜗壳进口处雪颗粒主要集中在叶轮中后侧靠近后盘处，而在靠近叶轮前盘和蜗壳侧壁处雪颗粒的速度明显较低。截面B内雪颗粒的速度有所增加，在蜗壳进口处分布明显扩大，占据更大的面积，但在靠近蜗壳侧壁和叶轮前盘处依旧略显不足。截面C中雪颗粒已经完全覆盖了蜗壳区域，在此区域内速度分布较为均匀，但在蜗壳两侧壁处部分雪颗粒不在向着蜗壳外壁运动，而是离开外壁向着蜗壳进口处运动。在截面D内，由于两侧壁处出现倒流，造成此处蜗壳进口速度有所减小而在蜗壳外壁处的速度相对增加，这与蜗壳的扩压作用和等环量理论相违背。随着蜗壳面积的不断增大，蜗壳的扩压作用再次占据主导地位，在截面E、F内倒流现象渐渐减弱，蜗壳进口处速度分布于截面A、B相似，倒流现象几乎消失。在截面G、H内，倒流现象完全消失，进口处速度呈靠近后盘处大靠近前盖处小的特点，截面内速度相对于前几个截面有所下降，但在此区域内分布更为均匀，使出流也更为顺畅。

图7为蜗壳内部圆周方向上8个不同截面的压力分布图。由于蜗壳具有扩压作用，它能使内部流体的动能向压力能转化，因此结合图6的速度矢量图，可以更加清晰地发现蜗壳内部流场的运动规律。

图7 圆周方向上8个截面压力分布图

从图7(a)、7(b)、7(c)、7(d)可看到，前几个截面中压力等值线分布比较均匀，随着半径的增加，压力也随之增大，清晰地体现出梯形截面与蜗壳本身共同的扩压作用。与速度矢量图也是相互对应，在速度较大处压力较小，随着速度的减小压力增大，说明了蜗壳将雪颗粒的动能转化为压力能。在截面E内，由于产生倒流现象，整个区域内速度急剧减小，同样也造成了此区域内压力大幅增加，所以该截面内压力等值线分布不均匀且不浓密。随着蜗壳容积的增大，在截面F内，压力分布与截面E保持相似，由于倒流的减弱，压力值有一定程度的增加。截面G 、H处，倒流现象完全消失，压力分布趋于正常，等值线的变化梯度比较接近，与速度矢量图相互对应。

3.2 轴向上不同截面的分析

蜗壳内部流场的流动状态沿着圆周方向的变化规律已经基本了解，但对于蜗壳内部流场特征在轴向上的变化还没有明确的认识，取轴向上(z=30 mm, 0 mm, -30 mm)3个不同位置的截面，它们分别为靠近前盖，叶轮中心，靠近后盘，进行观察。图8为蜗壳内部3个轴向截面上的速度矢量图。

图8 轴向上不同截面速度矢量图

图8中靠近蜗舌处的蜗壳流道内速度较大，而在圆周方向上225°～315°的范围内蜗壳流道内速度很小，主要由于倒流的现象的产生，使得这部分流道内流体的运动并不通畅，而随着倒流的消失，蜗壳流道内逐渐恢复通流速度增加。这与从不同圆周方向上分析的结果相互一致。对比3个截面可以发现，在轴向上从叶轮前盖到叶轮后盘，蜗壳流道内通流面积不断扩大，这也再一次验证与从不同圆周方向上观察到结果的一致性，而在恢复通流区域处，蜗壳流道进口处速度也相对提高。图9为蜗壳内部3个轴向截面上压力分布图。

图9 轴向上不同截面压力分布图

由图9可再次看出，蜗壳的扩压作用以及动能转化为压力能的过程。在靠近前盖处蜗壳流道内整体速度较小，此时蜗壳内静压相对较高。随着向叶轮后盘处靠近，蜗壳流道内整体流速提高，相对而言静压则随之减小。在靠近前盖与叶轮中心处的截面上，可以明显看出，发生倒流的区域内静压急剧增大，并且占整个流道很大的面积；但是在靠近后盘处截面内，倒流现象发生时，并没有出现类似于之前截面内静压急剧增大的现象，观察到将蜗壳进口处的速度提高到13.74 ～17.18 m/s范围内，可以有效地抑制倒流的发生以及减小倒流现象对蜗壳内部流道的影响。

4 结论

(1)对3种不同截面类型蜗壳内部流场进行数值模拟，矩形截面蜗壳内部有接近一半的流体发生回流无法顺利流出蜗壳；梯形和圆形截面蜗壳内部流动迹线分布均匀，流体均可顺利流出。

(2)梯形截面蜗壳内部雪颗粒主要集中在靠近叶轮后盘处；随着蜗壳内部容积增大方向，在180°～315°出现倒流，在此范围内蜗壳内部静压急剧增大，体现出梯形截面与蜗壳本身共同扩压作用；直至接近蜗壳出口处，蜗壳内部流场才逐渐恢复正常。

(3)对轴向不同截面上蜗壳内部流场特征进行观察，发现将蜗壳进口处的速度提高到13.74 ～17.18 m/s范围内，明显抑制倒流的发生，减小了因倒流而造成蜗壳内部流动不通畅的影响。

(4)依据上述分析，提出通过提高蜗壳进口速度的方案，进一步优化蜗壳内部流场的流动状态，避免倒流、回流和二次流的发生。

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Internal Flow Field Analysis of Spiral Case of Centrifugal Fan Used for Throwing Snow

JU Li-ying1, FENG Ze2, ZHANG Huan1, LONG Hai-yang1

(1.College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei University of Engineering, Handan Hebei 056038, China)

centrifugal fan; volute; flow field; back flow; numerical simulation

According to the standardized centrifugal fan, a new centrifugal fan used to throw snow with a model of p4-35-01No.03 was designed. To ensure the internal flow field more reasonable, the three different sections were simulated by using computational fluid dynamics software. So confirm a kind of volute with the trapezoidal section which has stable internal flow. Analyzing dynamic characteristics of flow field in centrifugal fan volute on trapezoidal section, we observe that static pressure in volute increase sharply and back flow occur in the range of 180 degree to 315 degree on the circumferential direction of volute. All of this was result from the combined diffusing action between trapezoidal sections with centrifugal fan volute itself. In axial direction of volute, we can see that the velocity of snow in the disk is bigger than in centre of impeller and head of impeller, if increase the velocity of snow in the inlet of volute to the range of 13.74 m/s to 17.18 m/s, the phenomenon of back flow is remarkably suppressed, and reduce the influence to flow in the volute from back flow and expand the flow area. Putting forward the project of increasing velocity of snow in inlet of volute, which provide theoretical basis to further optimize the internal flow field of centrifugal fan. This project also accumulates useful data for new product development numerical simulation of flow filed in the future.

2095-2716(2017)02-0082-10

2016-10-27

2017-03-28

河北省科技支撑计划项目(10215616D)，唐山市电动汽车重点实验室建设项目(13130219A)。

TH432；U418.3+26

A