进口流场畸变对离心风机性能影响机理研究∗

陈晓轩 杨名洋 邓康耀 陈中全

（1.上海交通大学机械与动力工程学院；2.福建环海环保装备有限公司）

进口流场畸变对离心风机性能影响机理研究∗

陈晓轩1杨名洋1邓康耀1陈中全2

（1.上海交通大学机械与动力工程学院；2.福建环海环保装备有限公司）

由于空间结构限制，离心风机进口导管通常呈现复杂的弯曲几何构型，导致风机进口流场为显著畸变状态。为研究进口流场畸变对于风机性能的影响，针对某环卫车辆清扫系统的离心风机开展不同进口导管构型的性能与流动机理研究。首先，建立了风机数值仿真模型并采用现有机型实测性能对该模型进行验证；其次，采用ANSYS-CFX三维流场仿真软件对该风机性能进行预测，并进行详细流场分析。结果表明，进口导管构型对于风机叶轮性能具有显著影响：弯管构型导致进口相对气流角增大，风机最高效率点向小流量偏移。同时，流场分析显示，弯管进口构型在叶轮进口形成显著的周向流场畸变，使得弯管内侧流道出现大范围回流现象，进而导致叶轮效率降低。该研究为非直进口构型的风机优化设计提供了理论基础。

离心风机；进口导管；流场畸变；数值仿真

0 引言

离心风机广泛用于工厂、隧道和建筑物的通风、排尘和冷却过程。提高离心风机气动性能对降低能耗意义重大。

风机设计或性能测试时通常采用直管进口构型。然而在离心风机实际应用中，由于空间限制往往需要采用复杂的弯曲构型的进口导管，使风机测试性能发生变化。目前针对离心风机的研究多侧重叶轮叶型优化算法及降噪等方面[1-7]，而对于风机进口构型影响机理的研究较少。张俊林研究了进口弯管几何参数对导管内流场分布的影响规律[8]。Ding等研究了进口为多支气流混合情况时对风机性能的影响[9]。在压比更高的离心压气机方面，Kim等采用实验与数值方法证实了进口导管弯曲导致的流场畸变会显著影响压气机性能，在弯曲导管内增加导流片可有效抑制进口畸变的影响[10]。李杜等数值研究了增压器离心压气机进口弯管构型对叶轮进口流场及性能的影响规律[11]。以上研究证实了叶轮进口流场畸变会对叶轮乃至整机性能造成明显影响。

本文将通过数值方法对比研究不同进口导管构型时的风机性能，并通过流场分析揭示构型对风机性能影响的流动机理，为离心风机进口导管设计提供理论基础。

1 数值仿真方法

本文研究对象是某型环卫车辆清扫系统的前弯叶轮离心通风机，该风机几何参数如表1所示。本文对比研究了该风机实际进口几何模型（90°弯管）和理想进口（直进口）两种构型的性能与流动机理。风机几何与两种进口构型如图1和图2所示。

图1 风机几何模型Fig.1 Model of fan structure

图2 进口导管模型对比图Fig.2 Model of inlet ducts

表1 叶轮主要参数Tab.1 Parameters of impeller

研究采用了计算流体力学仿真软件ANSYS CFX对风机性能及流场进行仿真分析。叶轮部分采用TurboGrid模块进行网格划分，生成高质量的结构化网格。风机其余部分划分为进口导管、蜗壳、出口导管、叶轮上、下间隙以及叶轮吸入腔等部件，采用非结构化网格进行划分。该离心风机的网格节点总数为309.5万，其中叶轮网格节点数261.2万，壁面网格尺寸为10-5m，以保证足够小的y+值。风机部分部件的网格及整体网格如图3和图4所示。

图3 风机部件网格Fig.3 Mesh of components

图4 风机计算域Fig.4 Calculation domain of fan

控制方程为稳态雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）以及切应力运输湍流模型(SST)，并采用了壁面函数。叶轮与进口导管、叶轮出口与蜗壳进口处的界面采用冻结转子法（Frozen-Rotor）。计算收敛条件为方均根相对余差小于10-4。进口边界条件为总温和总压，出口边界条件为质量流量，计算工质为理想气体。

采用直进口标准型风机试验所测性能对仿真方法进行验证，所预测的风机性能与试验值的误差均小于5%，详见表2。因此，仿真方法具有较好的可信度。

表2 数值方法验证Tab.2 Validation of numerical method

2 结果分析

2.1 性能对比

经过计算获得风机的全压-流量曲线、效率-流量曲线以及功率-流量曲线[12]。其中全压为风机进口与蜗壳出口之间的压力差，功率由叶轮扭矩计算取得，全压与效率的计算公式为：

流量系数φ、全压系数ψt和功率系数λ的计算公式分别为：

图5对比了两种进口构型的风机性能。由图可知，进口形状对风机最高效率及其对应的流量具有显著影响。直进口导管风机的最高效率约为78%，该工况的流量系数为0.1，全压系数为1.77。采用弯进口时，最高效率71%，其流量系数为0.06，全压系数为1.90。在大流量工况，弯进口构型的风机性能明显低于直进口，但该影响随流量降低逐渐变弱。

图5 风机性能曲线对比图Fig.5 Comparison of fan performance

为研究进口导管对于风机各流通部件性能的影响，将流通域分解成进口、叶轮、回流和蜗壳四部分[13]，如图6所示。其中，进口导管为0～1段，叶轮部分为1/2～3段（截面2为回流部分与叶轮的交界面），回流部分为3～2段，蜗壳为3～4段。各部分损失由部件进出口压差、流量等参数估算（式（1））。

图6 风机部件进出口示意图Fig.6 Sketch of fan components

图7显示了两种进口导管结构的离心风机内部各流通部件的损失占比随流量的变化规律。其中，流量采用直进口导管的设计流量（Q0）进行无量纲化。由图可知，随着流量的增加，蜗壳内部损失所占比例显著增加，而回流损失逐渐降低。这主要是由于蜗壳内部流速随流量增长，使得内部摩擦损失快速增加，以及回流量占总流量比例减小两个因素共同所致。由于叶轮存在最优攻角的原因，两种进口导管的叶轮损失占比均是先减小后增加的变化趋势。然而，两种导管构型的叶轮内部流动损失占比存在显著差异：弯管的叶轮损失占比显著高于直进口情况，并且弯管构型叶轮损失最小流量发生在0.56Q0，而直进口叶轮则发生在设计工况Q0。这个现象与图5中的效率曲线变化趋势一致。因此可以推断，两种进口管道构型对风机性能的影响最重要的流通部件是叶轮。下面将对最高效率降低与对应的流量减小的现象进行具体分析。

图7 风机损失分解对比图Fig.7 Flow loss of fan

2.2 速度三角形分析

风机效率曲线呈现驼峰形状（图5），最高效率点出现于最优气流攻角对应的流量工况。在无预旋情况下，叶轮进口速度三角形如图8所示。

图8 叶轮进口速度三角形Fig.8 Velocity triangle at impeller inlet

叶轮流量计算公式如下：

其中，B为叶轮进口堵塞系数;A为流通截面积。

由于叶轮进口畸变流场结构产生堵塞效果，导致有效的流通截面积降低，即堵塞系数B增大。叶轮的最高效率点通常发生在最优的相对气流角β工况。因此，由速度三角形可知，对于同一叶轮和转速，其最高效率点所对应的进口绝对速度径向分量c相同。由公式（5）可知，当进口流动堵塞增加时，最高效率点所对应的风机流量降低，即向小流量工况偏移，如图5所示。

2.3 离心风机流场分析

图9 进口导管出口截面总压与切向速度分布Fig.9 Total Pressure and tangential velocity distribution at inlet duct exit section

为揭示弯进口导致风机性能降低的机制，开展了两种进口构型风机的流动机理分析研究。图9显示了进口导管出口截面上的总压与速度在该面上的投影图。直进口导管出口截面的压力分布在周向上较为均匀，截面内径向速度较小，且均匀指向叶轮进口方向。而弯进口内侧存在明显的低压区，其总压比其他区域低4～5kPa，表明在这一区域存在较高的流动损失。这是由于导管方向沿径向，其出口气流速度存在较大的径向分量。同时，在弯管内侧（图中左上区域）形成大范围的二次流低压区，叶轮进口流场为显著的周向非对称结构。

图10进一步显示了管道中间截面的速度矢量和熵增分布图。气流主体从弯管外侧进入叶轮，在内侧区卷成一个显著的涡结构，该旋涡覆盖导管转内侧至叶轮吸进腔区域。该现象与图9（b）中的低压区一致，是由于气流在弯管内的剧烈转向形成的台阶涡。高熵增区与旋涡范围高度重合，证实了该旋涡是明显的流动损失源。

图10 弯进口中间截面速度矢量与熵增分布图Fig.10 Projected vector and entropy generation at meridional plane of Elbow inlet

图11 叶轮进口气流角分布Fig.11 Relative flow angle of blade passages

图11对比了叶轮进口相对气流角分布。在直进口情况下，叶轮的进口气流角分布比较均匀，只有在叶轮盖和吸力面附近出现回流情况。而在弯进口情况下，面对进口导管来流方向的叶片通道气流角分布比较均匀，而背对进口导管的12～16叶片通道在靠近叶轮盖的位置出现了大面积的回流情况。该流动特征与进口台阶涡的周向位置吻合，证实了进口流场畸变是导致叶轮流道内部分布畸变的直接原因。

图12对比了50%叶高截面上流线与熵增分布图。直进口导管时，风机各叶轮通道的流动比较均匀，流线主要集中在压力面附近，且呈典型的射流-尾迹形态。熵增分布图显示各流道内流动损失比较小而且分布均匀，而在蜗舌附近，由于蜗壳-叶轮耦合作用产生的熵增较大。弯进口导管时，进口导管外侧方向的2～9通道流动情况较好，而导管内侧的14～16通道内由于大范围气流回流现象而出现大尺度涡结构。这是由于进口导管产生的高强度周向畸变使得弯管内侧流道流量明显低于其他流道，过大的进口气流角使得这些流道内部流场急剧恶化。

图12 叶轮50%叶高流线与熵增分布图Fig.12 Streamlines and entropy distribution at 50%of blade height

3 结论

本文采用三维数值仿真方法对某型离心风机的直进口和弯进口导管构型进行了性能预测和流动机理分析，得到以下结论：

1）与理想情况直进口相比，弯进口导管的风机最高效率下降，且最高效率对应的流量减小。风机性能在大流量工况时对进口几何构型更为敏感；

2）通过对该风机各部件的流动损失分解分析，发现叶轮的流动损失由于最优气流攻角的缘故存在最小值，但在弯进口导管构型时，由于进口堵塞系数的增加导致该最小值向小流量工况移动。该效应是导致风机最高效率点向小流量偏移的主要原因；

3）弯进口导管构型在叶轮进口产生显著的周向流场畸变，该畸变进一步影响叶轮进口气流进口角分布，从而造成部分叶轮通道出现大范围回流与涡结构，叶轮流场显著恶化，性能降低。弯曲进口导管的流场畸变在叶轮内部造成显著的周向畸变，叶轮各流道流动的不均匀程度高。除造成风机性能恶化外，该畸变还将增强叶轮的气动噪声和形成激振源，从而降低了风机的总体性能，因此需有效抑制。同时，在设计弯管进口构型的风机时，需考虑进口畸变的影响才可掌握真实的风机性能。

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Investigation of Inlet Distortions on the Performance of a Centrifugal Fan

Xiao-xuan Chen1Ming-yang Yang1Kang-yao Deng1Zhong-quan Chen2
（1.School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University;2.Fujian Huanhai Environmental Equipment Co.Ltd）

The inlet ducts of centrifugal fans are usually arranged in complex configurations due to space constraints,which often causes strong inlet distortions.To study the influence of an inlet distortion on the performance of centrifugal fans,a comparative study is performed for a centrifugal fan in a sanitation vehicle with different inlet duct configurations.First,the numerical simulation model of the fan is developed and validated by actual performance measurements of existing fans.Then,the ANSYS-CFX software is used to predict the flow field and the performance of the fan.Subsequently,the flow field is analyzed in detail.The results show that the configuration of the inlet duct has a significant influence on the fan performance,the elbow configuration increases the relative flow angle and the maximum efficiency point shifts to smaller flow rates.The flow field analysis also shows that the elbow inlet duct causes a flow distortion in circumferential direction at the impeller inlet and that a reverse flow is generated in flow passages of the elbow duct that cause the impeller efficiency to be decreased.This study provides a theoretical basis for an optimized design of centrifugal fans under uniform inlet conditions.

centrifugal fan,inlet duct,flow distortion,numerical simulation

上海市自然科学基金（项目号:16ZR1416900）

2017-09-07 上海 200240

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0009-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0001