利用CFD研究地鐵用軸流通風(fēng)機(jī)的安裝角度與效率的關(guān)系

1、利用CFD研究地鐵用軸流通風(fēng)機(jī)的安裝角度與效率的關(guān)系楊 櫻/中建(北京)國際設(shè)計(jì)顧問有限公司由世俊 張歡 高立江/天津大學(xué) 摘要：利用商用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件FLUENT，對(duì)地鐵用軸流通風(fēng)機(jī)不同安裝角下的內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，并將各種情況下的全壓效率和矢量場進(jìn)行了比較，提供了風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機(jī) 數(shù)值模擬 效率 安裝角中圖分類號(hào)：TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1006-8155（2007）04-0000-00Investigation on the Connection between Angles of Setting and Efficiency within

2、Axial-flow Fan for Subway by CFDAbstract: The inner flow fields in different angles of setting of axial-flow fan for subway are simulated by FLUENT software of CFD. The total efficiency and field of vector in different situations are compared. It provides the evidence for design of fan. Key words: a

3、xial-flow fan; numerical simulation; efficiency; angles of setting 0 引言地鐵環(huán)控系統(tǒng)是整個(gè)地鐵工程的重要組成部分。列車和各種設(shè)備的運(yùn)行以及乘客將釋放出大量的熱量，這就需要環(huán)控系統(tǒng)將這些熱量處理掉，目前解決的方法主要有兩種：機(jī)械制冷和機(jī)械通風(fēng)的方式來排除。機(jī)械制冷的方式是環(huán)控系統(tǒng)的必然方式，然而由于地鐵處于地面以下，而土壤是一個(gè)巨大的蓄熱體，在近15年的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的熱量基本上都能被消化掉，因此，在地鐵運(yùn)行前近15年內(nèi)完全可以利用機(jī)械通風(fēng)的方式，充分利用土壤的蓄熱能力滿足空調(diào)的要求。在新建的地鐵項(xiàng)目中，通風(fēng)系統(tǒng)在地鐵環(huán)控系統(tǒng)中

4、將占有很高的地位1。隨著我國地鐵建設(shè)項(xiàng)目不斷增多，地鐵專用風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)系統(tǒng)的核心設(shè)備已經(jīng)成為地鐵環(huán)控系統(tǒng)研究的主要課題之一。地鐵風(fēng)機(jī)應(yīng)該具有大流量、高壓頭、高效率、低噪聲以及正反轉(zhuǎn)風(fēng)量和風(fēng)壓基本相同等特點(diǎn)，而且許多地鐵工程空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)共用2。由于相似理論不適用，目前的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)都是依賴大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，開模后進(jìn)行試驗(yàn)，比較后再采用性能較好的模型進(jìn)行生產(chǎn)。因?yàn)槟＞咻^貴，所以生產(chǎn)成本也較高。隨著計(jì)算機(jī)和CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）技術(shù)的不斷發(fā)展，為三維數(shù)值模擬越來越廣泛的應(yīng)用提供了條件。目前，利用CFD進(jìn)行模擬正逐步成為了解流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)狀況的重要手段。1 物理模的型建立本課題選用的是某通風(fēng)機(jī)廠制

5、造的 TVF 可逆轉(zhuǎn)地鐵專用軸流通風(fēng)機(jī)，葉輪直徑為 2.0m，14個(gè)葉片，5個(gè)支架，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速990r/min。物理模型的建立是在FLUENT的前處理軟件GAMBIT中進(jìn)行的。計(jì)算模擬部分采用的是FLUENT6.1計(jì)算商用軟件。為了便于計(jì)算，將風(fēng)機(jī)分成兩部分：風(fēng)機(jī)段和電機(jī)段。建模過程中先按整體建模，然后再用一個(gè)面將其分開，生成兩個(gè)相連的體，中間面設(shè)為INTERIOR，依此類推劃分其他的幾個(gè)體。由于在模擬過程中，風(fēng)機(jī)出口中間有一個(gè)回流區(qū)，而FLUENT在計(jì)算過程中是將動(dòng)能疊加，這樣會(huì)造成結(jié)果的誤差，因此本次模擬增加了一個(gè)加長段以便氣流盡量的穩(wěn)定，并且整個(gè)出口沒有回流區(qū)。圖1就是建完的風(fēng)機(jī)模型。本風(fēng)

6、機(jī)模型包含旋轉(zhuǎn)的動(dòng)邊界和靜止不動(dòng)的靜邊界，因此將整個(gè)計(jì)算域劃分成定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)子區(qū)域。定子區(qū)域就是支撐段，轉(zhuǎn)子區(qū)域是風(fēng)帽段和葉輪段的組合。本文中旋轉(zhuǎn)葉輪和其他固定面的耦合采用了MRF系模型3。MRF模型的基本思想是把風(fēng)道內(nèi)流場簡化為葉輪在某一位置的瞬時(shí)流場，用定常方法計(jì)算非定常問題。轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格在計(jì)算時(shí)保持靜止，在慣性坐標(biāo)系中以作用的哥氏力和離心力進(jìn)行定常計(jì)算；而定子區(qū)域是在慣性坐標(biāo)系里進(jìn)行定常計(jì)算。在兩個(gè)子區(qū)域的交界面處交換慣性坐標(biāo)系下的流體參數(shù)，保證了交界面的連續(xù)性，達(dá)到了用定常計(jì)算來研究非定常問題的目的4。圖1 風(fēng)機(jī)模型圖2 數(shù)學(xué)模型的選擇由于本次模擬忽略了溫度場對(duì)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響，

7、所以沒有能量方程，只有動(dòng)量和質(zhì)量方程，本課題選用的是標(biāo)準(zhǔn)k-雙方程模型。這種模型是一種最簡單的完整的湍流模型，它需要解兩個(gè)變量：速度和長度。它在工業(yè)流場和熱交換模擬中有非常廣泛的應(yīng)用，具有適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、合理的精度等優(yōu)點(diǎn)，它是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的公式，是從試驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出來的。標(biāo)準(zhǔn) k-模型是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率。k方程是個(gè)精確方程，方程是個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。標(biāo)準(zhǔn) k- 模型的方程湍流動(dòng)能方程k，和擴(kuò)散方程：方程中Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM是在可壓縮湍流中，過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)； C1，C2，C3，是常量；k和是k方程和方程的湍流P

8、randtl數(shù)；Sk和S是用戶定義的。3 邊界條件的選定在FLUENT軟件中為模擬設(shè)定了許多邊界條件，由于風(fēng)機(jī)主要的邊界為風(fēng)機(jī)的進(jìn)口、出口、風(fēng)機(jī)葉片、支架和風(fēng)筒幾部分，因此應(yīng)分別設(shè)定邊界條件。在GAMBIT中已經(jīng)對(duì)各部分做了初步設(shè)定，在FLUENT中可以根據(jù)需要進(jìn)行修改。氣流進(jìn)口：一般要求給出葉輪進(jìn)口的速度、壓力、密度或相應(yīng)的相容條件，采用質(zhì)量入流(massflowinlet)條件，流速隨不同的工況而變化。氣流出口：取壓力出口邊界條件（pressure outlet），定義出口壓力相對(duì)大氣壓力為0，即沒有附加的壓力作用。風(fēng)道內(nèi)壁、龍骨、支撐及葉片均取壁面邊界條件（wall）。過渡面（inter

9、ior）：由于在模擬過程中，將風(fēng)機(jī)分成了三部分，并且增加了一個(gè)加長段，因此應(yīng)該對(duì)過渡面進(jìn)行處理。風(fēng)機(jī)段、風(fēng)帽段、電機(jī)段及加長段均設(shè)為流動(dòng)(fluid)。軸流通風(fēng)機(jī)的進(jìn)、出口氣流方向均為軸向，氣流為穩(wěn)定流，氣體不可壓縮。葉輪和機(jī)殼與流體相接觸的所有界面上均采用了無滑移固壁條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。計(jì)算中忽略了重力對(duì)流場的影響。4 結(jié)果分析風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度是風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)，在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選取風(fēng)機(jī)的效率，從而計(jì)算出安裝角度，進(jìn)而設(shè)計(jì)出葉片的形狀。設(shè)計(jì)完成后，制作出樣機(jī)，葉片和輪轂一般情況下是固定的，即焊接在一起的，通過試驗(yàn)來驗(yàn)證風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量和效率，如果不合適往往

10、需要重新變換安裝角度再重新調(diào)安裝角度，重新試驗(yàn)，這樣的工作經(jīng)常要重復(fù)很多次，會(huì)有很大的人力、財(cái)力和物力上的浪費(fèi)。而計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是虛擬設(shè)計(jì)方法，他不需要太多的人力和財(cái)力，只要計(jì)算機(jī)有足夠的內(nèi)存空間和懂得計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，風(fēng)機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)試驗(yàn)就可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。當(dāng)然，虛擬設(shè)計(jì)還是要依據(jù)理論上的設(shè)計(jì)。本次模擬主要是通過改變安裝角度，找到最合適的安裝角度，從而為最后的樣機(jī)的制造提供理論的依據(jù)。圖2和圖3是改變?nèi)~片安裝角后全壓和全壓效率的比較。 圖2 全壓比較（轉(zhuǎn)速990r/min）圖3 全壓效率比較（轉(zhuǎn)速990r/min）圖4圖6為不同的安裝角度下標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量下的矢量場。從圖中看出，隨

11、著安裝角度的增加，風(fēng)機(jī)的全壓和額定風(fēng)量也相應(yīng)的增加。從力學(xué)的角度考慮，安裝角越大，氣流在經(jīng)過葉片時(shí)，接觸到的葉片的面積就會(huì)相應(yīng)增加，氣流受到的提升力就會(huì)相應(yīng)增加，主要是徑向的提升力，由風(fēng)機(jī)的矢量場可看出，隨著安裝角度的增加，氣流向葉片頂端流動(dòng)的趨勢就越明顯，在葉片頂端的氣流的擾動(dòng)也明顯的增加。從風(fēng)機(jī)的風(fēng)帽處出現(xiàn)的渦流的大小也可以判斷風(fēng)機(jī)的徑向力的大小。從圖中看出，在風(fēng)機(jī)的風(fēng)帽處，安裝角度小的風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的渦流明顯小于安裝角度大的渦流，這主要是由于氣流在經(jīng)過不同的安裝角度的葉片時(shí)，由于受到的提升力不同，氣流在沿著葉片上升到葉片頂端的時(shí)候遇到風(fēng)筒壁時(shí)受到限制，氣流就會(huì)沿壁面旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)的氣流，進(jìn)而形

12、成一股很強(qiáng)的離心力，在離心力的作用下，中心位置壓力就會(huì)相對(duì)較低，在離心力很大的情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)壓的情況，因此，安裝角度越大，這種情況就越明顯。另外，可以看出安裝角度越小風(fēng)機(jī)的性能曲線越穩(wěn)定，及在風(fēng)量變化時(shí)，風(fēng)機(jī)的全壓及靜壓曲線變化很小，安裝角度越小，曲線就會(huì)更接近一條直線，這主要也是受到提升力的影響。安裝角度越小，氣流經(jīng)過葉片后受到的提升力越小，風(fēng)機(jī)的全壓也就越小。從矢量場可看出，安裝角小的氣流明顯要比安裝角度大的風(fēng)機(jī)平穩(wěn)，在葉片的頂端很少有氣流的擾動(dòng)，在風(fēng)帽處的渦流區(qū)也明顯較小，性能參數(shù)受到的影響也就越小，性能曲線就越平穩(wěn)。噪聲的產(chǎn)生主要也是由于氣體受力大小和均勻程度的影響，過大的安裝角

13、度受到的提升力大，在葉片的頂端就會(huì)對(duì)風(fēng)筒的內(nèi)壁產(chǎn)生撞擊力，并在頂端生成漩流區(qū)，這不但對(duì)風(fēng)機(jī)的壓力有影響，還會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生喘振。喘振裝置主要是針對(duì)葉片頂端的氣流進(jìn)行處理的裝置，它的工作原理就是在頂端增加導(dǎo)流葉片，避免漩流，達(dá)到消除喘振的目的。5 結(jié)論在本次模擬及試驗(yàn)中，主要研究了風(fēng)機(jī)的安裝角度與風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。通過研究，得出結(jié)論：在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減小風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度，不能過于保守，選擇過于安全的葉片安裝角度，這樣就會(huì)無形地增加風(fēng)機(jī)的軸功率，降低風(fēng)機(jī)的效率，對(duì)于風(fēng)機(jī)的使用來說是不經(jīng)濟(jì)的。圖4 風(fēng)量52m3/s時(shí)的風(fēng)機(jī)表面矢量場（安裝角30.882°，轉(zhuǎn)速990 r/min） 圖5 風(fēng)量56m3/s時(shí)的風(fēng)機(jī)表面矢量場（安裝角33.882°，轉(zhuǎn)速990 r/min）圖6 風(fēng)量67m3/s時(shí)的風(fēng)機(jī)表面壓力場（安裝角36.882°，轉(zhuǎn)速990 r/min）參 考 文 獻(xiàn)1 楊東旭.地鐵空調(diào)通風(fēng)節(jié)能研究D.碩士學(xué)位論文.天津：天津大學(xué)，2003.12.2 天津市地下鐵路總公司,