平风栅圆倒角出风孔流场分析

李建森+朱与伦+王磊

摘 要 为了获得风栅出风孔处倒角和倒圆角对风栅性能的影响，采用数值模拟方法研究了两种结构下风栅内部的流动细节，对比分析流场及其性能参数，以揭示倒角对改善风栅性能的作用机理。研究表明，出风孔倒圆角的流动损失更小，气流更均匀。

关键词 风栅；倒角；流场分析

中图分类号 F4 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）06-0069-01

随着计算机技术的发展以及数值计算方法的不断完善，采用CFD技术对流动进行数值模拟、性能预测以及为改型提供依据已经广泛的被工程领域所认可，并且越来越广泛的应用在各种领域。国内外很多工业机构已经采用CFD技术成功地完成产品的改造以及新型产品预研，取得了显著的经济效益。采用数值模拟方法来分析流场的流动细节。并以此作为设计和改进依据，可大幅度提高设计效率并降低成本。而且由于不受诸多试验、测试、经费、周期、难以实现极端工作条件以及当时测试仪器发展等客观条件的限制，基于数值模拟试验的设计方法越来越体现出了其优越性。本文的主要研究对象是两种结构的风栅，根据全三维流场数值计算技术，对比研究内部的流动现象及其性能。

1 算例简介

实际模型尺寸进口高度510.83mm，孔深7mm，倒角1mm，外侧两排倒圆角R3.5mm，内侧两篇倒圆角R2mm，孔之间间隔38mm，共264个小孔，如图1所示。考虑到网格数量、网格质量和计算时间，主要是为了验证倒角的影响，因此将模型做简化处理，进口只留下底部50mm，每排各两个孔，共8个孔，小孔部位尺寸同实际模型一样。计算用模型只建气流流体域部分，如图2所示。分析對比倒角和倒圆角流场以及性能参数。

2 网格划分

利用NUMECA软件的HEXPRESS模块生成计算域网格。HEXPRESS全六面体非结构网格生成器是专业的CFD模拟前处理软件包，采用了先进的体到面的网格生成技术和八叉树网格拆分方法，在物面附近网格被适当细化并投影到物面上，从而形成贴体网格。在计算域中的绝大部分区域，网格单元都接近于长方体，网格质量非常高。对于粘性问题，其通过拆分第一层网格的方法在物面层附近生成各向异性的高质量的边界层网格；而鲁棒性强健的优化方法通过消除物面附近的负体积和凹体积网格单元，调整整体网格的正交性，从而保证了网格的品质。网格总数为355万，最小正交角26.07°，最大延展比3.229，最大长宽比87.77（见图3）。

3 边界条件及数值方法

数值计算采用了NUMECA FINE/Open软件包的Hexstream求解器。本求解器通过Jameson的有限体积差分格式，并与Spalart-Allmaras湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程相结合来进行求解，为了获得定常解采用显式四阶Runge-Kutta法时间推进的方式，还将二阶和四阶人工粘性项加入进来，以完成对数值计算中过程中的伪数值振荡的消除。另一方面，为了提高计算效率，通过采用局部时间步长、残差光顺、多重网格法等多种加速收敛措施。风机输送过来的风，通过集风箱等装置进入风栅，风栅进口面上的静压经过风栅完全转化为出口的动压。计算工况点如下：大气压101 325Pa，静压2 500Pa。给定进口总压103 825Pa（绝对压力），进口总温293K，进口轴向进气，出口静压101 325Pa。

4 收敛曲线和计算结果

收敛标准为：随着迭代次数的增加，进出口质量流量的误差在0.1%以内，总性能参数如压比、效率、扭矩等不随迭代步数的增加发生变化。在相同的条件下，进口静压2 500Pa时，倒圆角风栅出口动压为2 314Pa、质量流量为0.010 61kg/s，倒角风栅出口动压为2 032Pa，质量流量为0.009 8kg/s。对比性能参数，可以看出倒圆角的风栅的质量流量和出口动压都要高于倒角风栅，即倒圆角的损失要小于倒角风栅。

5 流场分析

对比两种结构风栅的静压等值线图，倒圆角结构的小孔处静压变化均匀有规律，速度分布较均匀；从马赫数云图来看，倒角风栅的小孔壁面处马赫数低，说明该处气流流速低，这点也在气流流线图上得到了验证；从气流流线图来看，倒角结构的气流在拐弯处不能很好地贴合壁面流动，存在气流冲击损失和分离损失。

6 结论

通过两种结构的计算结果以及流场的对比分析表明，在出风孔处倒圆角可以减少风栅中的能量损失，提高出口动压，但是考虑到加工工艺问题，采用倒圆角结构的工艺复杂性很高，制造成本也将比较高，因此在风栅设计时还要多方面进行权衡和考虑。

参考文献

[1]李钢，杨凌元，聂超群，等.等离子体激励频率对压气机扩稳效果的影响[J].高电压技术，2012，38（7）：1629-1635.

[2]杨华，孙丹丹，汤方平，等.叶轮进口挡板改善轴流泵非稳定工况性能研究[J].农业机械学报，2012，43（11）：138-141.

[3]刘传乐，楚武利，张皓光.周向槽机匣对压缩机稳定性的影响[J].风机技术，2011（2）：6-9.