无蜗壳风机分析与优化设计摘要：对某型号无蜗壳风机的三维流场进行数值模拟，使用CFD软件获得叶轮、各种优化方案叶轮的气动性能参数和流动内部详细的气动参数，提高相同静压下叶轮的流量和效率。对原型叶轮进行变工况计算，分析内部的流场结构，基于数值模拟结果，以图表形式给出了气动性能参数和流场内部的细节，详细分析了叶轮内的主要流动特性以及流道内流场的损失，通过对比分析得出比较理想的叶片中弧线型线，有效的削弱的流动分离，减小流动损失，在设计点附件效率提高了约7个百分点。关键词：无蜗壳风机；流场分析；叶片型线：TB文献标识码：Adoi：10.19311/jki.1672-3198.2017.16.0900前言随着科学技术的不断发展与进步，在工程设备领域的研发中，数值的计算方法也更加科学化。在对旋转机械性能预测、内部流动数值模拟、研发改型等方面，CFD技术已被广泛采用。在国外，CFD技术也被广泛运用于工程产品的预研和设备改造，并取得了良好的经济效益。实验研究及数值模拟是探索叶轮机械内部流动规律的科学研究方法，通过运用CFD技术还可以发现在试验研究和理论分析中无法预见的新的流动现象，从而为优化设计提供理论依据。基于以上认识，可依据叶轮机械全三维流场数值计算技术，对无蜗壳风机进行优化，改进其叶轮中弧线，以提高其性能。1算例简介原型直径为3.9米的左旋叶轮，叶片数为9叶，叶片厚度为3mm，配有进风口。进口接测试管道，出口直通大气。在大气压力101325Pa，温度20℃，转速3495r/min时，指定静压下达不到所需流量，并且效率过低，因此对模型进行分析，观察流场中存在流动损失的部位，进行优化。2网格划分从子午面网格可以看出，计算区域可以分为进风口区、叶轮流道区以及前后延伸区三个区域。其中叶轮流道是通过NUMECA叶轮机械部分的网格生成模块AutoGrid来对网格进行整体划分的。在网格生成的过程中，根据选择的S-A湍流模型，叶轮近壁面第一层网格距离选取0.01mm，将Y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内，位于壁面附近的网格是沿壁面法向方向呈几何级数加密的，其数量是该方向网格总数的1/3左右，网络总数约为163万，而边界层外的网格分布均匀。在计算的过程中，需考虑进出口与离心叶轮的间隙以及出口等截面延伸，以防止计算域的出口截面回流，影响计算收敛性；根据离心风机的流动特点可知，一般而言后盘流动较为均匀，主要的流动问题集中在前盘，因此位于后盘的轮毂对整体流动的影响偏小，故对轮毂的型线做简化处理，仅保证其面积基本不变，以模拟其对流体通道的堵塞作用。3边界条件及数值方法通过将NUMECA/FINE软件包的Euranus求解器应用于数值计算，利用Jameson的有限体积差分格式与Spalart-Allmaras湍流模型相结合的方法，来求解相对坐标系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程。S-A湍流模型是连接代数零方程Baldwin-Lomax模型和两方程模型的桥梁，拥有能够处理复杂流动的能力，具有较好的鲁棒性，在旋转机械领域得到广泛运用。其一方面利用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，为了提高计算效率，将二阶和四阶人工粘性项加入进去，可以较好的消除伪数值振荡。另一方面，也采取了多种加速收敛措施，如局部时间步长、多重网格法、残差光顺等。在旋转坐标系下对叶轮网格求解时，假设风机叶轮在圆周方向上是周期的，可采用单流道叶轮网格进行计算，进、出口延伸段定义为无粘的欧拉壁面，计算轴向推力和扭矩时选择计算域中旋转的固体壁面。在定常三维流场计算中对每一个工况点分别进行计算，进口给定总温，总压和气流角，出口给定静压。通过改变进口总压来获得不同工况点的气动性能参数，变工况计算采用试验测量参数作为边界条件。工质为空气，并做低速流动预处理。4收敛曲线和计算结果计算网格的质量对于收敛曲线的计算的准确性有着直接影响。因此，为了降低因为网格计算所导致的误差，需要通过对网格无关性的分析和研究来达到科学计算网格的目的。同时计算网格数为163万和86万的情况。在相同条件下，静压为1930Pa，网格数163万时计算得到的质量流量为2.4785kg/s，网格数为86万时质量流量为2.47980kg/s，可以看出网格导致的误差很小。收敛标准...