軸流通風(fēng)機擴散筒損失的計算對比研究

1、軸流通風(fēng)機擴散筒損失的計算對比研究*馮 進/湘潭平安電氣集團有限公司 劉桂艷 于德梅/沈陽鼓風(fēng)機（集團）有限公司摘要：對30個不同的軸流通風(fēng)機擴散筒模型進行了數(shù)值計算，其擴散角覆蓋了2.9º17º較廣泛的范圍，在相應(yīng)的進口條件下，按數(shù)值模擬、當(dāng)量直徑和水力直徑3種方法計算損失。對比結(jié)果表明：按水力直徑和當(dāng)量直徑計算的結(jié)果都與數(shù)值結(jié)果不同，擴散筒損失的計算方法以數(shù)值計算為好。關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機；擴散筒；總壓損失中圖分類號：TH432.1 文獻標識碼：B文章編號：1006-8155（2008）02-0036-06Research on the Calculation of A

2、nnular Diffuser Losses in Axial-flow FanAbstract: In this paper, 30 different annular diffusers models whose diffusive angles cover from 2.9 to 17 degree are numerically calculated. The three methods of numerical simulation, formulas with hydraulic diameter and equivalent diameter for calculating lo

3、sses are introduced under the relevant inlet condition. The comparison indicates that the calculation result with hydraulic diameter and equivalent diameter is different from numerical result. It is recommended to calculate diffuser losses with numerical calculation method. Key words: axial-flow fan

4、; annular diffuser; total pressure losses 0 引言軸流通風(fēng)機的出口速度大，一般其出口動能占風(fēng)機全壓的30%以上1，對于有些流量大而壓力較低的軸流通風(fēng)機，其出口動能占到風(fēng)機全壓的50左右，因此準確計算出擴散筒的損失大小，對設(shè)計滿足壓力要求的軸流通風(fēng)機至關(guān)重要。但是，目前計算擴散筒內(nèi)流動損失的常用方法是要求擴散筒的當(dāng)量擴散角度為8º12º，通過假定擴散筒效率而進行的計算1-3，這顯然是個經(jīng)驗性很強的方法，既不準確也不通用。文獻4提出將擴散筒等效成錐形擴散筒，按照水力直徑的變化，計算錐形擴散筒內(nèi)的摩擦流動損失和擴散損失，并以此思想為基礎(chǔ)，

5、進行了風(fēng)機擴散筒最佳擴散角的計算，這也是筆者查閱國內(nèi)資料所發(fā)現(xiàn)的唯一依據(jù)定量計算擴散筒內(nèi)流動損失從而優(yōu)化擴散筒尺寸的文獻。但是，對于同樣一個風(fēng)機擴散筒，其水力直徑和當(dāng)量直徑很不相同，按同樣的錐形擴散筒模型和公式計算的結(jié)果差別當(dāng)然也很大，那么到底該按水力直徑還是按當(dāng)量直徑計算，就是一個很大的問題。因此，很有必要深入研究軸流通風(fēng)機擴散筒的損失計算方法。1 環(huán)形擴散筒的幾何形狀和錐形擴散筒的損失計算1.1 環(huán)形擴散筒的幾何形狀*基金項目：863計劃資助項目（2006AA05Z250）本文其他作者：李景銀/西安交通大學(xué)能動學(xué)院；譚磊/清華大學(xué)熱能工程系收稿日期：2007-09-05 湘潭市 41110

6、0為了簡化工藝和加工，軸流通風(fēng)機擴散筒一般都做成錐形，包括外筒和芯筒（整流體），尺寸如圖1所示。圖1 軸流通風(fēng)機環(huán)形擴散筒幾何尺寸示意圖由于擴散筒的通流面積是逐漸擴大的，可以將其比擬為錐形擴散筒，其尺寸見圖2。圖2 環(huán)形擴散筒轉(zhuǎn)換為錐形擴散筒的示意圖1.2 錐形擴散筒的損失計算錐形擴散筒的流動損失包括摩擦損失和擴散損失兩部分，對于同樣一個擴散筒，摩擦損失和擴散損失在什么條件下合成最小，是一個可以優(yōu)化的問題，從而在一定的面積比下，有一個最優(yōu)的擴散角度和相應(yīng)的擴散筒長度。根據(jù)筆者推導(dǎo)和文獻4，兩種損失的表達式為 （1）式中 為錐形擴散筒管道沿程阻力系數(shù)的平均值；為氣體密度，常溫常壓下空氣，=1.2

7、kg/m3；為錐形擴散筒管道進口的氣流速度；n為擴大面積比。擴散損失包括漸擴損失和突擴損失，突擴損失不予考慮，所以有： （2）式中 為漸擴損失的局部阻力系數(shù)，是擴散角的函數(shù)。所以擴散筒總壓力損失的理論計算公式可表示為 （3）1.3 環(huán)形擴散筒的水力直徑和當(dāng)量直徑計算公式如圖1所示的軸流通風(fēng)機擴散筒是環(huán)形的，內(nèi)有芯筒，與錐形漸擴圓筒(圖2)不同，欲利用式（1）式（3）計算損失，需定義出相應(yīng)的直徑。從水力直徑的定義出發(fā)，可獲得圓環(huán)形截面的水力直徑為 （4） （5）據(jù)當(dāng)量直徑定義，可獲得圓環(huán)形截面的當(dāng)量直徑為 (6) (7)由公式可見，對于同樣的軸流通風(fēng)機環(huán)形擴散筒，水力和當(dāng)量這兩種直徑的計算結(jié)果將

8、截然不同。2 數(shù)值模擬方法 采用流場計算軟件Fluent來進行環(huán)形擴散筒內(nèi)的流場計算。由于擴散筒為空間軸對稱，所以，只取擴散筒的1/12進行計算，也即30°的環(huán)形擴散筒，30°兩邊的邊界條件取周期性邊界；擴散筒進口取速度進口條件，出口取outflow邊界條件，外筒和芯筒表面取為壁面。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最終生成的計算網(wǎng)格見圖3。圖3 擴散筒模型網(wǎng)格示意圖3 計算結(jié)果及對比分析針對軸流通風(fēng)機常用的3種擴散筒形式：等外徑、等內(nèi)徑和一般形式，分別進行了對比研究。3.1 等外徑環(huán)形擴散筒對比計算針對等外徑環(huán)形擴散筒，構(gòu)造了固定進出口幾何數(shù)據(jù)只改變擴散筒長度的5個擴散筒，以及固定進口和筒

9、的長度，只改變芯筒直徑的5個擴散筒，進行了對比計算。固定進出口幾何數(shù)據(jù)只改變擴散筒長度的5個擴散筒數(shù)值結(jié)果見表1。表1 改變等外徑擴散筒長度的損失計算對比物理量單位第一個第二個第三個第四個第五個進口外徑Dt1/m（m）11111進口內(nèi)徑D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m（m）11111出口內(nèi)徑D2/m（m）0.30.30.30.30.3擴散筒長度L/m（m）2.12.22.32.42.5水力直徑d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力直徑d2/m（m）0.70.70.70.70.7水力擴散角度/（ ）（）8.1712347.8009877.4627947.1

10、526696.867261水力計算損失/Pa(pa)104.84105.8107.03108.49110.13當(dāng)量直徑d1/m（m）0.80.80.80.80.8當(dāng)量直徑d2/m（m）0.9539390.9539390.9539390.9539390.953939當(dāng)量擴散角度/（ ）（）4.1981524.0074873.8333813.6737693.526913當(dāng)量計算損失/Pa (pa)55.7958.0360.2762.5164.75數(shù)值模擬損失/Pa(pa)99.9893.5298.85102.25105.413種方法計算的損失對比見圖4。圖4 改變等外徑擴散筒長度的損失對比圖從表1

11、明顯看出，對同樣的擴散筒而言，其水力和當(dāng)量直徑明顯不同，按水力和當(dāng)量直徑計算的擴散角也不相同。從圖4中看出，數(shù)值計算結(jié)果與水力直徑的計算結(jié)果比較接近。固定進口和擴散筒的長度，只改變出口芯筒直徑的5個擴散筒數(shù)值結(jié)果見表2。表2 改變出口芯筒直徑的等外徑擴散筒損失計算對比物理量第一個第二個第三個第四個第五個進口外徑Dt1/m11111進口內(nèi)徑D1/m0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m11111出口內(nèi)徑D2/m0.20.250.30.350.4長度L/m2.32.32.32.32.3水力進口直徑d1/m0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m0.80.750.70.650.6

12、水力擴散角度/（ ）9.9394818.7021567.4627946.2216814.979106水力計算損失/Pa122.45112.83107.03104.98106.61當(dāng)量進口直徑d1/m0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m0.9797960.9682460.9539390.936750.916515當(dāng)量擴散角度/（ ）4.4766544.189343.8333813.4055972.901912當(dāng)量計算損失/Pa59.7159.9160.2760.8761.83數(shù)值模擬損失/Pa92.5594.6298.86102.661093種方法計算的損失對比見圖5。圖5 改變出

13、口芯筒出口直徑的等外徑擴散筒損失對比圖從表1和表2，以及圖4和圖5看出，對同樣的擴散筒而言，按水力直徑和當(dāng)量直徑計算的擴散角不同，計算的損失也不同，且損失的大小與數(shù)值計算結(jié)果也不同。3.2 等內(nèi)徑環(huán)形擴散筒對比計算固定進出口尺寸，僅改變擴散筒長度的數(shù)值結(jié)果見表3。表3 改變等內(nèi)徑擴散筒長度的損失計算對比物理量單位第一個第二個第三個第四個第五個進口外徑Dt1/m（m）11111進口內(nèi)徑D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m（m）1.31.31.31.31.3出口內(nèi)徑D2/m（m）0.60.60.60.60.6長度L/m（m）2.12.22.32.42.5水力進口直徑d1/

14、m（m）0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m（m）0.70.70.70.70.7水力擴散角度/（ ）（）8.1712347.8009877.4627947.1526696.867261水力計算損失/Pa(pa)104.84105.8107.03108.49110.13當(dāng)量進口直徑d1/m（m）0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m（m）1.1532561.1532561.1532561.1532561.153256當(dāng)量擴散角度/（ ）（）9.6155089.1803518.7828028.4181968.082607當(dāng)量擴散損失/Pa(pa)67.7967.8168.

15、0868.5669.2數(shù)值模擬損失/Pa(pa)85.2485.9987.8690.1492.143種方法計算的損失對比見圖6。圖6 改變等內(nèi)徑擴散筒長度的損失計算對比圖固定進口尺寸和擴散筒長度，僅改變出口外徑的數(shù)值結(jié)果見表4。表4 改變出口外徑的等內(nèi)徑擴散筒損失計算對比 物理量第一個第二個第三個第四個第五個進口外徑Dt1/m11111進口內(nèi)徑D1/m0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m1.21.251.31.351.4出口內(nèi)徑D2/m0.60.60.60.60.6長度L/m2.32.32.32.32.3水力進口直徑d1/m0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m0.60

16、.650.70.750.8水力擴散角度/(°)4.9796.2217.4628.7029.939水力計算損失/Pa106.61104.98107.03112.83122.45當(dāng)量進口直徑d1/m0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m1.0391.0961.1531.2091.264當(dāng)量擴散角度/(°)5.9547.3788.78210.1711.54當(dāng)量擴散損失/Pa60.0262.6968.0876.5188.21數(shù)值模擬損失/Pa93.5789.0387.8787.8692.893種方法計算的損失對比見圖7。圖7 改變出口外徑的等內(nèi)徑擴散筒損失計算對比圖從表

17、3、表4和圖6、圖7看出，數(shù)值計算的擴散筒損失基本處于按水力直徑和當(dāng)量直徑計算的擴散筒損失中間。其中擴散角度較小時，按水力直徑計算的結(jié)果接近數(shù)值計算結(jié)果；擴散角度較大時，按當(dāng)量直徑計算的結(jié)果接近數(shù)值結(jié)果。但是，沒有一定規(guī)律可以總結(jié)。3.3 任意形狀環(huán)形擴散筒對比計算對進口尺寸固定，但出口的內(nèi)外徑與進口尺寸都不相同的環(huán)形擴散筒的損失進行計算。首先對進口尺寸固定，僅改變擴散筒出口內(nèi)徑的5個擴散筒模型進行計算，數(shù)值結(jié)果見表5。表5 改變出口內(nèi)徑的任意擴散筒損失計算對比物理量單位第一個第二個第三個第四個第五個進口外徑Dt1/m（m）11111進口內(nèi)徑D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外徑

18、Dt2/m（m）1.21.21.21.21.2出口內(nèi)徑D2/m（m）0.20.250.30.350.4長度L/m（m）2.32.32.32.32.3水力進口直徑d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m（m）10.950.90.850.8水力擴散角度/（）（）14.8613.6312.411.179.93水力計算損失/Pa(pa)197.7173.7153.0135.8122.4當(dāng)量進口直徑d1/m（m）0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m（m）1.1831.1731.1611.1471.131當(dāng)量擴散角度/（）（）9.5249.2888.9968.6488

19、.240當(dāng)量擴散損失/Pa(pa)72.1870.7769.1767.4365.65數(shù)值模擬損失/Pa(pa)91.6183.9684.9685.5586.233種方法計算的損失的對比見圖8。圖8 改變出口內(nèi)徑的任意擴散筒損失計算對比圖從表5和圖8看出，當(dāng)量擴散角度較大時，按當(dāng)量直徑計算的損失比較接近數(shù)值計算結(jié)果。 固定進口尺寸，僅改變擴散筒出口外徑的5個擴散筒模型進行計算，數(shù)值結(jié)果見表6。 表6 改變出口外徑的任意擴散筒損失計算對比物理量單位第一個第二個第三個第四個第五個進口外徑Dt1/m（m）11111進口內(nèi)徑D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m（m）1.21.2

20、51.31.351.4出口內(nèi)徑D2/m（m）0.30.30.30.30.3長度L/m（m）2.32.32.32.32.3水力進口直徑d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m（m）0.90.9511.051.1水力擴散角度/（ ）（）12.40689513.6364214.8628116.085717.305水力計算損失/Pa(pa)153.00147173.7093197.7854224.987255.04當(dāng)量進口直徑d1/m（m）0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m（m）1.1618951.213461.2649111.31621.3674當(dāng)量擴散角度/ （）（）8.99671010.2723311.542312.80614.065當(dāng)量擴散損失/Pa(pa)69.17070277.2659588.2146102.137119.073數(shù)值模擬損失/Pa(pa)84.9674688.4262791.663296.2