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CFD研究地铁流通风机的安装角度与效率的关系

    引言
    地铁环控系统是整个地铁工程的重要组成部分。列车和各种设备的运行以及乘客将释放出大量的热量,这就需要环控系统将这些热量处理掉,目前解决的方法主要有两种:机械制冷和机械通风的方式来排除。机械制冷的方式是环控系统的必然方式,然而由于地铁处于地面以下,而土壤是一个巨大的蓄热体,在近15年的时间内,产生的热量基本上都能被消化掉,因此,在地铁运行前近15年内完全可以利用机械通风的方式,充分利用土壤的蓄热能力满足空调的要求。在新建的地铁项目中,通风系统在地铁环控系统中将占有很高的地位[1]。
    随着我国地铁建设项目不断增多,地铁专用风机作为通风系统的核心设备已经成为地铁环控系统研究的主要课题之一。地铁风机应该具有大流量、高压头、高效率、低噪声以及正反转风量和风压基本相同等特点,而且许多地铁工程空调和通风系统风机共用[2]。
    由于相似理论不适用,目前的风机设计都是依赖大量的试验数据,开模后进行试验,比较后再采用性能较好的模型进行生产。因为模具较贵,所以生产成本也较高。随着计算机和CFD(计算流体动力学)技术的不断发展,为三维数值模拟越来越广泛的应用提供了条件。目前,利用CFD进行模拟正逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手段。
1  物理模的型建立
    本课题选用的是某通风机厂制造的 TVF 可逆转地铁专用轴流通风机,叶轮直径为 2.0m,14个叶片,5个支架,标准转速990r/min。物理模型的建立是在FLUENT的前处理软件GAMBIT中进行的。计算模拟部分采用的是FLUENT6.1计算商用软件。
为了便于计算,将风机分成两部分:风机段和电机段。建模过程中先按整体建模,然后再用一个面将其分开,生成两个相连的体,中间面设为INTERIOR,依此类推划分其他的几个体。
由于在模拟过程中,风机出口中间有一个回流区,而FLUENT在计算过程中是将动能叠加,这样会造成结果的误差,因此本次模拟增加了一个加长段以便气流尽量的稳定,并且整个出口没有回流区。图1就是建完的风机模型。
本风机模型包含旋转的动边界和静止不动的静边界,因此将整个计算域划分成定子和转子两个子区域。定子区域就是支撑段,转子区域是风帽段和叶轮段的组合。本文中

 

    旋转叶轮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风道内流场简化为叶轮在某一位置的瞬时流场,用定常方法计算非定常问题。转子区域的网格在计算时保持静止,在惯性坐标系中以作用的哥氏力和离心力进行定常计算;而定子区域是在惯性坐标系里进行定常计算。在两个子区域的交界面处交换惯性坐标系下的流体参数,保证了交界面的连续性,达到了用定常计算来研究非定常问题的目的[4]。

 
图1  风机模型图

2  数学模型的选择
    由于本次模拟忽略了温度场对风机性能参数的影响,所以没有能量方程,只有动量和质量方程,本课题选用的是标准k-ε双方程模型。这种模型是一种最简单的完整的湍流模型,它需要解两个变量:速度和长度。它在工业流场和热交换模拟中有非常广泛的应用,具有适用范围广、经济、合理的精度等优点,它是个半经验的公式,是从试验现象中总结出来的。
标准 k-ε模型是个半经验公式,主要是基于湍流动能和扩散率。k方程是个精确方程,ε方程是个由经验公式导出的方程。
标准 k-ε 模型的方程
湍流动能方程k,和扩散方程ε:
 
    方程中Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gb是由浮力产生的湍流动能;YM是在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动; C1,C2,C3,是常量;σk和σε是k方程和 方程的湍流Prandtl数;Sk和Sε是用户定义的。
3  边界条件的选定
    在FLUENT软件中为模拟设定了许多边界条件,由于风机主要的边界为风机的进口、出口、风机叶片、支架和风筒几部分,因此应分别设定边界条件。在GAMBIT中已经对各部分做了初步设定,在FLUENT中可以根据需要进行修改。
   气流进口:一般要求给出叶轮进口的速度、压力、密度或相应的相容条件,采用质量入流(mass—flow—inlet)条件,流速随不同的工况而变化。
    气流出口:取压力出口边界条件(pressure outlet),定义出口压力相对大气压力为0,即没有附加的压力作用。
    风道内壁、龙骨、支撑及叶片均取壁面边界条件(wall)。
    过渡面(interior):由于在模拟过程中,将风机分成了三部分,并且增加了一个加长段,因此应该对过渡面进行处理。
    风机段、风帽段、电机段及加长段均设为流动(fluid)。
   轴流通风机的进、出口气流方向均为轴向,气流为稳定流,气体不可压缩。叶轮和机壳与流体相接触的所有界面上均采用了无滑移固壁条件,在近壁区采用标准壁面函数。计算中忽略了重力对流场的影响。
4  结果分析
风机叶片的安装角度是风机的主要性能参数,在风机的设计过程中,一般是根据经验来选取风机的效率,从而计算出安装角度,进而设计出叶片的形状。设计完成后,制作出样机,叶片和轮毂一般情况下是固定的,即焊接在一起的,通过试验来验证风机的风压、风量和效率,如果不合适往往需要重新变换安装角度再重新调安装角度,重新试验,这样的工作经常要重复很多次,会有很大的人力、财力和物力上的浪费。而计算机模拟技术是虚拟设计方法,他不需要太多
的人力和财力,只要计算机有足够的内存空间和懂得计算机模拟技术和风机设计的技术人员,风机的虚拟设计试验就可以在计算机上进行。当然,虚拟设计还是要依据理论上的设计。本次模拟主要是通过改变安装角度,找到最合适的安装角度,从而为最后的样机的制造提供理论的依据。图2和图3是改变叶片安装角后全压和全压效率的比较。


          
 
图2   全压比较(转速990r/min)
 
图3   全压效率比较(转速990r/min)


    图4~图6为不同的安装角度下标准风量下的矢量场。从图中看出,随着安装角度的增加,风机的全压和额定风量也相应的增加。从力学的角度考虑,安装角越大,气流在经过叶片时,接触到的叶片的面积就会相应增加,气流受到的提升力就会相应增加,主要是径向的提升力,由风机的矢量场可看出,随着安装角度的增加,气流向叶片顶端流动的趋势就越明显,在叶片顶端的气流的扰动也明显的增加。从风机的风帽处出现的涡流的大小也可以判断风机的径向力的大小。从图中看出,在风机的风帽处,安装角度小的风机出现的涡流明显小于安装角度大的涡流,这主要是由于气流在经过不同的安装角度的叶片时,由于受到的提升力不同,气流在沿着叶片上升到叶片顶端的时候遇到风筒壁时受到限制,气流就会沿壁面旋转,形成旋转的气流,进而形成一股很强的离心力,在离心力的作用下,中心位置压力就会相对较低,在离心力很大的情况下,甚至会出现负压的情况,因此,安装角度越大,这种情况就越明显。
   另外,可以看出安装角度越小风机的性能曲线越稳定,及在风量变化时,风机的全压及静压曲线变化很小,安装角度越小,曲线就会更接近一条直线,这主要也是受到提升力的影响。安装角度越小,气流经过叶片后受到的提升力越小,风机的全压也就越小。从矢量场可看出,安装角小的气流明显要比安装角度大的风机平稳,在叶片的顶端很少有气流的扰动,在风帽处的涡流区也明显较小,性能参数受到的影响也就越小,性能曲线就越平稳。噪声的产生主要也是由于气体受力大小和均匀程度的影响,过大的安装角度受到的提升力大,在叶片的顶端就会对风筒的内壁产生撞击力,并在顶端生成漩流区,这不但对风机的压力有影响,还会产生很大的噪声,严重时还会产生喘振。喘振装置主要是针对叶片顶端的气流进行处理的装置,它的工作原理就是在顶端增加导流叶片,避免漩流,达到消除喘振的目的。
5  结论
    在本次模拟及试验中,主要研究了风机的安装角度与风机的各项指标之间的关系。通过研究,得出结论:在风机的设计中,应尽量减小风机叶片的安装角度,不能过于保守,选择过于安全的叶片安装角度,这样就会无形地增加风机的轴功率,降低风机的效率,对于风机的使用来说是不经济的。

 
图4  风量52m3/s时的风机表面矢量场}
(安装角30.882°,转速990 r/min)

 

 
图5 风量56m3/s时的风机表面矢量场
(安装角33.882°,转速990 r/min)

 
图6 风量67m3/s时的风机表面压力场
(安装角36.882°,转速990 r/min)

 

参  考  文  献

[1] 杨东旭.地铁空调通风节能研究[D].硕士学位论文.天津:天津大学,2003.12.
[2] 天津市地下铁路总公司,天津大学,铁道第三勘察设计院.天津市地铁环控系统节能技术研究报告. 2002.3
[3] 田铖.地铁用轴流风机的CFD模拟及研究[D].硕士学位论文.天津:天津大学,2003.12.
[4] Chen C J. The Finite Analytic Method in Flows and Heat Transfer. University of Iowa, 1987.
[5] 朱自强,等.应用计算流体力学[M].北京航空航天大学出版社,1998.




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