基于CFD技術(shù)在離心式通風機內(nèi)部氣固兩相流數(shù)值模擬

1、基于CFD技術(shù)在離心式通風機內(nèi)部氣固兩相流數(shù)值模擬摘要 數(shù)值模擬方法是近些年來發(fā)展的比較迅速的一種新方法，而CFD技術(shù)是目前離心機械領(lǐng)域的研究熱點，在離心式通風機設計中也獲得越來越廣泛的應用。本文介紹了離心式通風機葉輪的CFD數(shù)值模擬方法，闡述了國內(nèi)外學者在這些方面的研究進展,總結(jié)了CFD 技術(shù)在離心式通風機內(nèi)部流動數(shù)值模擬中的應用，重點闡述了介紹了CFD軟件的概況和特點，以及fluent軟件的組成和應用流程，以離心式通風機為例說明了fluent軟件離心式通風機內(nèi)部氣固兩相流流場中的數(shù)值模擬中的應用包括所采用的模型、控制方程，邊界條件等，并對離心式通風機內(nèi)部流動數(shù)值模擬的發(fā)展進行了展望。關(guān)鍵詞

2、：CFD；Fluent;離心式通風機；氣固兩相流動；數(shù)值模擬1 引言氣-固兩相流通風機廣泛應用于氣力輸送、煤粉燃燒、航空航天、環(huán)保除塵等場合。當含有固體顆粒的流體作為工作介質(zhì)通過葉輪機械，被流體夾帶的固體顆粒將對所流經(jīng)的固體壁面產(chǎn)生磨損作用，嚴重的將使過流部件洞穿和變形，惡化風機內(nèi)的流動特性。尤其對于燒結(jié)、排塵、鍋爐引風機等，由于固體顆粒對葉片和機殼表面的經(jīng)常沖擊，使葉片和機殼磨損最為嚴重，甚至引發(fā)葉片斷裂及飛車等重大事故。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，含固體氣-固兩相流通風機約占年產(chǎn)量40，可見研究氣-固兩相流風機磨損具有重要的意義。離心式通風機的內(nèi)部流動非常復雜，一般是三維的湍流流動，由于葉輪旋轉(zhuǎn)和表面

3、曲率的影響，還伴有如分離流、回流及二次流等復雜流態(tài)，是流體工程中最難進行試驗和理論研究的流動問題之一。20世紀60年代后，由于計算機技術(shù)的發(fā)展，尋找問題的數(shù)值解已成為可能，所以應用先進的數(shù)值方法對三維葉輪的流動進行模擬，準確地模擬出不同工況下流場中的各種細節(jié)，獲得更多的流動特性，對流動機理的分析及離心式通風機的研發(fā)工作等有很大的實際意義。因此，基于以上所述，本文將主要從CFD 數(shù)值模擬在離心式通風機內(nèi)部氣固兩相流數(shù)值模擬中的應用現(xiàn)狀、遇到的困難及今后的發(fā)展前景等方面進行探討。2 離心式通風機內(nèi)部流場的數(shù)值模擬方法及目前CFD 在通風機內(nèi)部流場數(shù)值模擬中的應用對于離心式通風機內(nèi)部流場的計算，早于

4、上世紀40年代就開始了。我國在五十年代初期由著名的科學家吳仲華教授提出了葉輪機械內(nèi)部兩類相對流面理論1這一理論的研究成果對于提高葉輪機械的研究與設計水平有著劃時代的意義。上世紀80年代是是葉輪機械內(nèi)流無粘數(shù)值模擬時期，受計算機技術(shù)的制約，這個時期的內(nèi)流計算常簡化為二維不可壓勢流、準三維或全三維勢流，以流函數(shù)、勢函數(shù)或歐拉方程為控制方程進行求解。主要的求解方法有流線曲率法和準正交面法。在19801990年間，離心風機內(nèi)流的數(shù)值模擬有了新的發(fā)展，不再停留在勢流階段，而足開始綜合考慮內(nèi)流的粘性、回流及旋渦對內(nèi)流的影響，計算機技術(shù)的發(fā)展也使得更為復雜的數(shù)值計算方法開始出現(xiàn)，包括勢流一邊界層的迭代解法，

5、渦量一流函數(shù)法等。從20世紀90年代開始，大容量、高速度計算機的出現(xiàn)、矢量機的問世以及并行計算技術(shù)的發(fā)展，極大地推動了計算流體力學的發(fā)展，離心風機內(nèi)流數(shù)值模擬進入了一個三維粘性數(shù)值模擬時期，通過直接求解雷諾時均方程，結(jié)合以湍流模型來計算葉輪內(nèi)的三維粘性流動稱為離心式通風機內(nèi)部流場數(shù)值模擬的主流。這時期的數(shù)值模擬方法包括壓力修正法、時間相關(guān)法和擬可壓縮法等。離心式通風機內(nèi)部的氣固兩相流動的研究起步要晚一些，國內(nèi)外對葉輪機械中氣固兩相流的研究首先集中于軸流壓氣機和汽輪機。到80年代左右對離心風機中氣固兩相流的研究有所增加。1973年MFathy和Tabakof用數(shù)值方法求解了透平機械旋轉(zhuǎn)葉柵中固體

6、粒子的運動軌跡。1975年GGrant和WTabakoff用統(tǒng)計力學的方法對粒子反彈特性及固體壁面磨損進行了預測，首先推導了固體粒子在透平機械旋轉(zhuǎn)葉柵中運動的三維控制方程的一般形式，然后解決了在徑向或軸向透平中粒子軌跡和速度的測定問題。AHamed在1982年采用三維氣體流場計算了汽輪機定子中的粒子運動軌跡2。要確定粒子軌跡，就需要知道粒子與壁面之間的碰撞和反彈關(guān)系，MFathy和TabakoffE在1983年提出了反彈模型3。在國內(nèi)，劉洪勝對鼓風機進行了計算，并在彎管中進行了磨損試驗。葉雯在1987年計算了離心風機內(nèi)粒子運動的軌跡4。費瑞乾明考察了邊界層對粒子軌跡的影響5。鄧建玲計算了三元扭

7、曲葉片內(nèi)粒子的運動軌跡。馬林用連續(xù)介質(zhì)模型采用歐拉法分析了離心葉輪中氣固兩相流流動的規(guī)律。姚成范提出了氣固兩相流離心風機葉型的設計方法6。凌志光提出-f-相三元帶粒流動的基本方程和一種用于葉輪機械的雙重流面求解模型等7。樊建人等提出了氣固兩相流中顆粒一顆粒隨機碰撞新模型，該模型主要是針對濃度較高的兩相流提出的一種碰撞概率新概念8。此外，該模型提出的在所研究的控制體中選擇虛擬顆粒的方法，彌補了以往模型的缺陷a徐進等人分別采用雙流體模型和顆粒軌道模型對稀疏氣固兩相流進行了數(shù)值模擬9。蔡兆林等計算了離心風機葉輪內(nèi)的氣固兩相流動，對葉輪進口處氣固兩相在不同條件下的計算結(jié)果進行了比較10。史峰等用拉格朗

8、日方法對稀薄氣固兩相流進行了數(shù)值分析，著重討論了有顆粒存在時，顆粒對氣流速度分布的影響11。CFD軟件可以相對準確地給出流體流動的細節(jié)，如速度場、壓力場、溫度場等的時變特性。因而不僅可以準確預測通風機的整體性能，還可以很容易地從對流體的分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或工程設計中的問題，減少未預料到的負面影響。這樣產(chǎn)品設計或優(yōu)化對試驗的依賴性大為減少，能夠顯著縮短設計周期，降低費用。目前通風機內(nèi)部流動的數(shù)值研究已不再局限于流場分析、性能預測的正命題研究，通風機內(nèi)部流動的CFD數(shù)值模擬己成為當前較為活躍的研究領(lǐng)域之一。目前通風機內(nèi)部兩相流的研究主要集中在模擬顆粒在風機中的運動軌跡、固體顆粒的大小以及風機的流量都對

9、固體顆粒運動的影響、顆粒在風機中的分布及速度。CFD商業(yè)軟件主要有：Numeca、Fluent、和CFX等，F(xiàn)luent是流體軟件中通用性強的商業(yè)軟件，它具有計算方便、省時省力、模擬效果好可以和實驗相互驗證等優(yōu)點，在國內(nèi)使用比較普遍。下面以Fluent為例說明其在氣固兩相流通風機數(shù)值模擬中的實現(xiàn)過程及及研究結(jié)論、研究動向。 3 風機葉輪內(nèi)氣固兩相流的數(shù)值模擬理論基礎3.1氣固兩相流的研究方法拉格朗日法和歐拉法含有大量圓體或液體顆粒的氣體或液體流動，或者含有氣泡的液體流動，稱為“兩相流”或“多相流”。兩相或多相流廣泛存在于自然界及工程中，可以認為，絕大多數(shù)的流動都是多相流。在通風機、鼓風機、透平

10、壓縮機等用途廣泛的通用葉輪機械中，由于工作環(huán)境的影響，經(jīng)常有固體顆粒摻入，有些甚至是在高顆粒濃度環(huán)境下工作，我們所研究的離心風機葉輪內(nèi)部的流場是氣一固兩相流場。在研究氣固兩相流動時，通常有兩種方法：一種是將氣體相視為連續(xù)介質(zhì)，而將固體顆粒視為不連續(xù)的個體，通過對施加在單個固體顆粒上各種力的分析得到固體顆粒在氣流中的軌跡和其他參量，這就是所謂的拉格朗日方法，該方法應用的對象就是分散顆粒群軌道模型。另一種方法則除了將氣體視為連續(xù)體外，還認為固體顆粒足夠小，一小塊流體就能包含足夠多的固體顆粒，以至可用統(tǒng)計平均量來描述，所以可將固體顆粒視為連續(xù)的“偽流體”，通過求解氣體和固體顆粒的方程得到氣固兩相流的

11、運動學特性，這就是所謂的歐拉方法，該方法應用的對象就是單流體和雙流體模型。當固體顆粒尺寸足夠小，它們隨著氣流一起運動，該流動可以當作單相流處理，這種氣固兩相流模型稱為單相流體模型；當固體顆粒足夠大以至固體顆粒和氣體之間存在速度差時，這種氣固兩相流模型稱為雙流體模型。拉格朗日法一般又有兩種途徑，一種途徑是只考慮氣流對固體顆粒的作用，不考慮固體顆粒對氣流的影響。Hussein等12采用這種途徑計算出了固體顆粒在葉柵中的運動軌跡，然而，這種途徑只能在固體顆粒為稀相的情況下使用，否則會帶來較大誤差。另一種途徑是考慮氣流和固體顆粒之間的相互作用，通過在氣流方程中增加一個反映固體顆粒對氣流影響的源項，來得

12、到氣流場，該氣流場又對固體顆粒的運動產(chǎn)生作用，其中應用較廣的有PsIcELL方法13。在歐拉方法中，必須引入氣相和固相的體積濃度，并求解兩相的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。這時兩相的方程之間存在耦合，并且固體顆粒對氣流的影響正比于固體顆粒的空隙率。Tusji等采用歐拉法對葉輪機械氣固兩相流單流體模型進行了分析14，得出了流體作功表達式、氣固混合流中的壓頭損失以及兩相流損失之比的表達式，Balije15、林建忠16分析了氣固兩相流對葉輪中分層效應的影響。Tabakoff等較早地將歐拉方法應用于雙流體模型中，它以整個葉片通道可視為兩個流管，一個在壓力邊、一個在吸力邊為基本假設推導出了氣固混合流控

13、制方程17。3.1湍流兩相流的基本守恒方程 對于湍流多相流，有如下形式的時均方程組。流體相連續(xù)方程:流體相動量方程顆粒相動量方程流體相能量方程顆粒相能量方程 以上各式中，表示密度，t表示時間，v表示速度，T為溫度。下標k表示顆粒相的變量，帶上橫線的變量表示湍流時均值，帶上標“”的變量為湍流脈動值。在動量方程中，Pgi為考慮浮力影響的重力項.在能量方程中，CpTS及CpTSkp分別為單位體積中流體相與顆粒相的白于變質(zhì)量所造成的能量源，qr為流體輻射熱，Qrk為顆粒輻射熱，WsQs:為流體相單位體積中反應放熱，Qh為顆粒表面熱效應。nk為顆粒的數(shù)密度，mk為每個顆粒的質(zhì)量，F(xiàn)Mi，為Magnus力

14、，Sk為單位體積中體平均的物質(zhì)源，;rk馳豫時間，對于顆粒懸浮體多相流而言，可有: 以上方程是湍流多相流的最一般的描述方法，是不封閉的。根據(jù)不同的湍流多相流模型將對其進行不同的簡化，或者采用模擬封閉法，以使問題得到解決。3.2 氣固兩相流的計算模型 從力學角度出發(fā)，解決葉輪機械的磨損問題離不開支配粒子流運動的基本方程。由于葉輪機械的氣固兩相流整個介質(zhì)具有兩相，根據(jù)不同情況和不同的問題特征，這兩相可以看作是統(tǒng)一混合物的連續(xù)介質(zhì)，還可以看作一是連續(xù)介質(zhì)，一是離散介質(zhì)?；谶@種區(qū)別，葉輪機械的氣固兩相流，可表述為三種不同的基本模型。把氣固兩相流視為單一混合物的連續(xù)介質(zhì)處理，通常稱之為單流體模型;把氣

15、固兩相流視為相互作用著的、又相互獨立的兩種連續(xù)介質(zhì)處理，通常稱之為多流體模型;而對把流體相視作連續(xù)介質(zhì)，把固粒相視作離散介質(zhì)處理，通常稱之為顆粒軌道模型，該模型適用于顆粒濃度非常低的情形。有了各種計算模型對上述方程進行簡化或封閉，就可以計算顆粒相和流體相在葉輪中的流場，從而得到研究磨損所需要的各參數(shù)的值。另外，在最早期還有極端的簡化模型:單顆粒動力學模型和小滑移模型。3.3 顆粒軌道模型基本假設 顆粒軌道模型中設:顆粒為與流體有滑移的離散群，即vki vi; TkT;不考慮顆粒的湍流擴散，粘性及導熱;顆粒按初始尺寸分布分組，各組只有其自身的質(zhì)量變化，互不相干;各組顆粒由一定的初始位置出發(fā)沿各自

16、的軌道運動，互不相干;顆粒對流體的作用按等價地散布于流體單元內(nèi)來考慮。183.3.2基本守恒方程 按以上的基本假定，忽略顆粒相自身各變量的脈動，并且忽略流體相的密度脈動及變質(zhì)量源脈動，則可得到確定軌道模型的湍流兩相流基本方程組：連續(xù)流量方程:顆粒相連續(xù)方程：流體相動量方程：顆粒相動量方程：流體相能量方程：顆粒相能量方程：流體組分方程：式中，Vkn為顆粒流速垂直于流管斷面的分量，e為有效粘性系數(shù)，為常分數(shù)，Ys為s組分的質(zhì)量分數(shù)，Ws為流體相中:組分反應率。3.3 軌道模型求解方法 整個的顆粒與流體藕合的算法稱為PSIC法(Particle Source in Cell Method)，其求解具

17、體過程如下：3.31多流體模型(顆粒相擬流體模型)3.311基本假設 多流體模型的基本點在于把顆粒群作為與流體互相滲透的擬流體或擬連續(xù)介質(zhì)?；炯僭O包括:空間各處各顆粒相與流體相共存，各相具有各自不同的群體速度、溫度及體積分數(shù);各顆粒相在空間中有連續(xù)的速度、溫度及體積分數(shù)分布;顆粒相有自身的輸運性質(zhì)(湍流粘性、擴散和導熱等);各顆粒相按初始尺寸分組。193.312基本守恒方程由湍流兩相流時均從守恒方程組出發(fā)，按多相流模型概念直接封閉該方程組，是比較完整和嚴格的模擬兩相湍流的方法?？梢苑抡諏蜗嗔黧w湍流的模擬方法來模擬湍流兩相流的流體相及有湍流脈動的顆粒相。忽略非定常關(guān)聯(lián)項流體的密度脈動，顆粒質(zhì)

18、量損失率的脈動及阻力項的脈動，即取，。并且對流體相動量，能量及組分方程中關(guān)聯(lián)項取與單相流相同的模擬方法，可得如下湍流兩相流時均方程組。流體相連續(xù)方程：顆粒相連續(xù)方程：流體相動量方程：流體相能量方程：4.氣固兩相流的數(shù)值模擬41葉輪葉片的幾何建模在UG里進行幾何建模圖4.1所示： 圖4.1葉輪的幾何模型42網(wǎng)格劃分采取對葉輪整體劃分網(wǎng)格的方法劃分網(wǎng)格如圖4.2所示： 圖4.2葉輪流體計算域網(wǎng)格4.4計算條件的設置 采用拉格朗日方法對葉輪內(nèi)的氣固兩相流場進行數(shù)值模擬，來研究不同粒徑的顆粒的運動軌跡、顆粒所占的不同的體積分數(shù)對磨損量的影響，因此有部分邊界條件設置會隨之改變。這里先說明不變的計算條件:

19、進口流速:33m/s;轉(zhuǎn)速:2750 r/min;外界大氣壓力:100000Pa;壁面條件:光滑壁面，氣相無滑移，顆粒相自由滑移;氣相湍流模型:雷諾應力模型(Quasi-Isotropic模型);出口壓力:30000Pa;固相顆粒的物性參數(shù):密度:2702kg1m3，動力粘滯系數(shù)8.899 X 10-4kg/ Cm.s ) ;標準狀態(tài)下空氣的物性參數(shù):密度1.284kg1m3，動力粘滯系數(shù)1.725 kg/(m.s);計算收斂控制條件:當每一個節(jié)點上的物理量前后計算值殘差小于則視為計算收斂。在拉氏坐標系中，顆粒軌道模型可以完整的考慮顆粒與流體間的相互作用，能夠模擬有復雜經(jīng)歷的顆粒相，而且節(jié)省計

20、算存儲量，所以采用此模型模擬顆粒運動軌跡，研究不同粒徑的顆粒對葉輪磨損量的影響，從而進一步探討磨損機理。在葉輪機械的氣固兩相流中，顆粒的濃度通常很小，所以在顆粒的軌跡計算中，顆粒間的相互作用可以忽略，顆粒在氣流作用力下運動直至碰到壁面，顆粒碰壁后的速度依賴于碰壁時速度的大小、方向和葉輪的材料特性。需要確定的計算條件有:粒徑:選取0.01mm, 0.02mm, 0.03mm,0.05mm四種;流量:根據(jù)顆粒體積分數(shù)占總流量的0.001確定;相間相互作用系數(shù):通過對顆粒雷諾數(shù)Rek的計算， 1000，故采用Netwon公式Cd =0. 44;磨損模型:分別計算Finnie和Tabakoff and

21、 Grant的模型，以比較計算結(jié)果的異同。周期性邊界條件:由于葉輪每個葉片外型相同，流動規(guī)律成周期性分布，所以在合適的地方可以設置周期性邊界條件，以縮短計算時間，如圖4.3所示。 圖4.3計算模型邊界條件設置4.5數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析大顆粒模擬 如圖4.3，為顆粒在葉輪中運動形成的軌跡線，不同顏色代表不同的速度(指軸向、徑向、切向的合速度)值。對于密度大于水的顆粒，不論其粒徑大小如何，在從葉輪進口至出口的運動中，都有向葉片工作面靠近的趨勢，只不過其靠近的速度和位置不同。 對于葉片的工作面，在葉片的前半部分，粒子以較高的速度撞向其表面，在葉片的后半部分，顆粒運動的方向幾乎與葉片平行，在葉片出口

22、處，顆粒以接近葉片安裝角的出射角沿壓力面飛出流道，且其速度在葉片出口處增大。為了看清楚不同粒徑的顆粒與壓力面的碰撞情況，圖4.4、圖4.5為不同粒徑的單個顆粒與某個壓力面的碰撞的軌跡線和速度值。圖4.3 顆粒在葉輪中運動形成的軌跡線 圖4.4粒徑為0.01mm、0.02mm、0.05mm的顆粒軌跡的俯視圖 圖4.5粒徑為0.01mm、0.02mm、0.05mm的顆粒軌跡的俯視圖比較圖4.4 ,圖4.5，可以發(fā)現(xiàn)對于粒徑小的顆粒，其向工作面靠近的速度較慢，一般集中于葉片出口區(qū)域和葉片相撞。隨著顆粒粒徑的增大，其向工作面靠近的速度加快，與葉片相撞的位置向葉片進口移動。對于粒徑大的顆粒，大都與葉片進

23、口部位相撞，這些計算結(jié)果與文獻20的實驗現(xiàn)象相吻合。粒徑大的顆粒每碰撞一次后速度就降低，而粒徑小的顆粒碰撞一次后，很快就由氣流的作用使速度變得與氣流相當，與工作面發(fā)生多次碰撞，因此接踵而來的碰撞所造成的磨損并沒有減少。比較圖4.4、圖4.5可以發(fā)現(xiàn)，隨著粒徑的增大，顆粒與后蓋的碰撞角al越來越大，而后又反彈，以反彈角度a:與前盤碰撞。顆粒進入葉輪之后，受氣體切向阻力的影響，速度由軸向到徑向變化，隨著粒徑的增大，顆粒質(zhì)量增大，隨氣流運動的趨勢減弱，即切向加速度減弱，因此在相同時間內(nèi)，大粒徑顆粒獲得的切向速度小粒徑顆粒小。因此，根據(jù)顆粒運動軌跡，合理設計葉片型線，減少顆粒偏離氣流的程度，減少碰壁次

24、數(shù)是耐磨風機設計重要思路之一?？梢酝ㄟ^在葉輪后蓋板上加導流錐來改變?nèi)~輪流道的型線，減小流動損失，增加顆粒的徑向速度，減小顆粒碰撞角，改善氣固兩相流流場，從而減少葉輪的磨損，提高葉輪的使用壽命，該一點由羅光潔21的實驗所證實。小顆粒模擬 當顆粒直徑小于0.01lmrn，且濃度較高時，顆粒更多表現(xiàn)出“流體”特性，適合在歐拉坐標系下采用雙流體模型計算，著重考察葉輪內(nèi)的流場特性，以研究不同的粒徑和不同的顆粒入口濃度對葉輪中顆粒濃度分布的影響。這對于分析討論顆粒的運動和提出改進流場情況達到減小磨損率、提高運行可靠性都具有指導意義。基于以上所說的目的，本部分分兩組進行計算:1)顆粒入口濃度一定，取0.1,

25、粒徑分別取0.01mm0.03rnm, 0.05rnm, 0.08rnm; (2顆粒粒徑一定，取0.05mm，入口濃度分別為0.010.1，0.2。根據(jù)模擬分析的結(jié)果得出如下結(jié)果：a、粒子在后蓋的濃度分布 沿著葉片方向，顆粒濃度逐漸減少，而在吸力面的后半段，顆粒濃度很低，存在“粒子空區(qū)”，當粒徑為0.03mm時吸力面幾乎沒有顆粒分布。隨著粒徑的增大，靠近后蓋出口區(qū)域的“粒子空區(qū)”越來越大，顆險越來越集中于后蓋進口區(qū)域，這與前面的顆粒軌跡分析的結(jié)論吻合。顆粒濃度大的后蓋進口區(qū)域，磨損也相對嚴重。隨著顆粒的粒徑增大，農(nóng)度數(shù)值范圍也在變大，由粒徑0.001 mm的0.011-0.232增大到粒徑0.

26、03mm的01，也就是說顆粒越來越集中。在二次流的作用下，粒子積聚在非工作面的出口處，可能對此區(qū)域造成擦傷式磨損。b、粒子在后蓋的濃度分布在壓力面沿著葉片方向，顆粒濃度逐漸增大，在出口端接近100，而在吸力面顆粒濃度很低，接近于0;隨著粒徑的增大，顆粒濃度梯度增大，即顆粒集中程度增大，也就是說顆粒大量集中于壓力面與前盤的出口端，這里磨損也最嚴重。在葉片出口靠近非工作面存在一個粒子相對高濃度區(qū)。前盤濃度分布與后蓋規(guī)律相同的是，隨著顆粒的粒徑增大，濃度數(shù)值范圍也在變大，由粒徑。0.001mm的0.004-0.214增大到粒徑0.005mm的01，也就是說顆粒越來越集中，在靠近吸力面存在面積不同的“

27、粒子空區(qū)”。所不同的是，在壓力面后蓋濃度沿葉片方向減少，而前盤濃度沿葉片方向增大。顆粒濃度大的區(qū)域是后蓋進口區(qū)域和前盤出口區(qū)域，這里磨損也最嚴重，與前面軌跡和磨損量的分析吻合。所以，小粒徑的顆粒雖然對葉片的沖蝕磨損小，但擦傷式磨損起主要作用，濃度因素對磨損的位置和磨損量的大小有重要影響。c、粒子在葉輪中部的濃度分布 濃度在葉輪中部分布將其與前盤、后蓋的濃度分布相比壓力面沿葉片切向濃度分布均勻，無變化。與前盤、后蓋濃度分布規(guī)律相同的是沿葉片法相濃度減少，顆粒向工作面積聚，粒徑很小時，在二次流的作用下，粒子積聚，粒徑很小時，在二次流的作用下，粒子積聚在靠近非工作面的出口處。在葉片根部顆粒濃度分布較

28、高，可以證實，此區(qū)域正是磨損較嚴重的區(qū)域。研究表明，磨損量并不隨粒徑減小而明顯減少，正是由于小粒徑顆粒對葉片的擦傷式磨損起了主要作用。從顆粒軌跡可以看到，粒徑為0.02mm的顆粒并沒有明顯的以大碰撞角撞擊壓力面，卻是沿著壓力面滾動摩擦，這樣的軌跡造成的磨損范圍和局部磨損量都很大。 由顆粒的運動特性及其和壁面相互作用的方式可知，在離心流道的進口區(qū)域和整個軸向流道內(nèi)，顆粒基本上是在氣流的夾帶及自身慣性的綜合作用下，以非零攻角碰撞壁面，然后又反彈進入流道內(nèi)，這樣引起的壁面材科的磨損是典型的沖蝕磨損。而在離心流道的出口區(qū)域內(nèi)，顆粒在流道內(nèi)運動了較長一段距離，大部分和壁面發(fā)生過多次碰撞，基本上沿著壓力面

29、表面滑動或滾動，并對壁面有著一定的壓力作用，這樣造成的壁面材料的磨損已不再用于沖蝕磨損形式，而是擦傷式磨粒磨損，顆粒在壓力面附近區(qū)域的集中更加劇了磨粒磨損的危害程度。 綜合以上的分析，關(guān)于葉片壓力面的磨損可以得到如下結(jié)論:C1)壓力面是葉輪中磨損最嚴重的位置，而且壓力面靠近出口端又是磨損的重中之重。C2)顆粒對壓力面的磨損量并不隨粒徑減小而明顯減少，正是由于小粒徑顆粒對葉片的擦傷式磨損起了主要作用。 C3)葉片進口附近的磨損主要由大顆粒的沖擊造成，是典型的沖擊磨損，而出口區(qū)域磨損則由小顆粒的沖擊和顆粒在壁面上的滑動或滾動時的擦傷式磨損造成。以上CFD分析過程代表了離心式通風機內(nèi)部氣固兩相流動中

30、的數(shù)值模擬當前的研究動向。從國內(nèi)外的研究來看，離心式通風機內(nèi)部氣固兩相流動中的數(shù)值模擬主要集中在風機內(nèi)部流場的數(shù)值模擬、磨損機理的探索及其在離心式通風機設計中的應用。以葉輪整體性能的多個評價指標為目標函數(shù)的多目標、多變量非線性優(yōu)化設計是風機反問題研究的重要方向，其目標函數(shù)除了流量、壓頭、效率、噪聲指標外，還應包含磨損指標。Wallis&Aust對大型軸流通風機進行了氣動和磨損研究，特別討論了引起葉片磨損過程的氣動設計特性，提出將氣動設計與防磨設計統(tǒng)一起來。Ris對含塵環(huán)境中工作的離心式壓縮機，從磨損最小的角度出發(fā)進行優(yōu)化設計。Abramov給出壓縮機葉片兒何形狀和運行條件對磨損的影響，推薦了在

31、不同運行條件下葉片防磨的優(yōu)化設計方案。80年代以來國內(nèi)也開展了一些研究，林建忠等首次將理論研究、產(chǎn)品設計和制造工藝結(jié)合起來，建立了高效和耐磨風機設計計算系統(tǒng)，用其設計出的風機耐磨性和效率在原來基礎上有了很大改善。潘應康等對鍋爐引風機內(nèi)的氣固兩相流場進行數(shù)值分析，得到不同顆粒粒徑、進日位置對葉輪碰撞和磨損的影響，從氣體動力學角度進行了防磨設計。 隨著計算流體力學、計算機技術(shù)和數(shù)學方法的逐步發(fā)展，隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，對高性能流體機械的需求越來越迫切，要求我們用新的方法進行研究。氣固兩相流離心式通風機今后的研究重點和發(fā)展方向應該是：1、在磨損數(shù)值模擬方面，主要是葉輪機械內(nèi)部過流部件在一定磨損

32、模型下的磨損預測。2、建立驗證和完善適合葉輪機械實際運行情況的磨損機理和模型，實驗手段從宏觀轉(zhuǎn)向微觀。3、研究葉輪機械過流部件材料的磨損規(guī)律，積累經(jīng)驗數(shù)據(jù)，建立一套全面、完備的資料數(shù)據(jù)庫，為葉輪機械的抗磨設計研究提供依據(jù)。4、目前國外CFD商業(yè)軟件的發(fā)展以非常成熟，筆者希望國內(nèi)也能開發(fā)出通用的離心通風機氣固兩相流數(shù)值模擬CFD國產(chǎn)化軟件，將現(xiàn)代CFD設計技術(shù)充分應用于新產(chǎn)品的開發(fā)，研究人員可以在此基礎上利用標準程序的基礎上增加自己的新思想、新方法，而不是從頭開始22。參考文獻1 丘歸成鍋爐引風機故障分析及處理流體機械，1997，1l(11)：5052。2 Hamed，TPKuhnEffects

33、 of variational particle restitution characteristics on turbomachinery erosionJournal of Engineering for Gas lurbines and Power，1995，7：1011023 wTabakoff，CBalanh study of the surface deterioration due to erosionTransactions of the ASME Journal of Fuids Engineering，198310：122-1 304 葉雯離心風機氣固兩相流動的理論分析和實驗研究碩士學位論文西安交通大學，19875 費瑞乾，王宜義，程乃晉含塵離心風機中邊界層對葉輪侵蝕的影響應用力學學報，1991，8(1)：45536 姚承范，費瑞乾，朱營康氣固兩相流離心風機葉型的設計方法西安交通大學學報，1991，25(5)：35407 姜曉敏，凌志光，鄧興勇含塵流透平葉片沖蝕的數(shù)值分析工程熱物理學報。200122(1)：26318 樊建