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  第38卷第7期 上海交通大学学报 V01．38No．7 0FSHANGHAI UNIVERSITY Jul．2004 2004年7月 JOURNAL JIAOTONG 文章编号：1006—2467(2004)07—1156一05 贯流风机结构参数及工作特性的关联 胡俊伟， 丁国良， 赵 力， 张春路 (上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200030) 摘 要：利用计算流体力学方法对贯流风机内部气体流动进行了数值模拟，研究了贯流风机的流 动状态和结构参数变化对其产生的影响．分析了蜗舌间隙、进口角、蜗壳间隙、蜗舌位置角、出口角 变化与贯流风机进、出口流速间的关系，从中寻找出结构参数变化对贯流风机流场影响的规律．通 过计算分析，确定了不同工况下贯流风机进、出口角的最佳范围以及最佳蜗舌间隙的选取方法．将 模拟计算结果与实验结果进行了比较．根据结果得出，数值模拟的结果与实验结果基本吻合． 关键词：贯流风机；结构参数；数值模拟 81 中图分类号：TK 文献标识码：A OftheStructureParametersand ReIatiOnship Of PerfOrmancesCrOss—FIOwFan HUJ髓n一Ⅵ反，DING ZHAoLi， ZHANGch钍n—lH Gu0一班nng， (Inst．of and 200030，China) RefrigerationCryogenics，ShanghaiJiaotongUniv．，Shanghai internalflowofacross—flowfanwassimulatedwith fluid Abstract：The computational andthe ofthestructure the the fanwas influence parameterson performanceof cross—flow analyzed．The structure includevolutethroat case throat parameters gap，inletangle，volutegap，voluteangle，outletangle andso onthe the ofthe onthe inlet on．Based analysisof influencesstructureparametersvelocityof and outlet，the betweenthestructure andtheflowf订edofthecross—flowfancanbede— relationship parameters termined．Indifferentconditionsthe ofinlet andoutlet wasidentifiedthe optimalrange angle angle and op— timalv01utethroatwasalsoknown calculatedresultswereverifiedthe gap byanalyzing．Some by experi— mentaldatawhichshowsarereasonable． they words：cr。ss—flowfan；structure simulation Key parameters；numerical 贯流风机因其特殊的结构和性能特点逐渐为人 化工机械等各种能量利用系统中．但由于这种风机 们所重视．其内部流动的最大特点是，流体沿径向流 内部流动复杂，目前国内外对它进行的大部分还是 入最后再沿径向流出，两次流经风机叶轮．贯流风机 实验研究． 尺寸小、结构紧密相连，整个风机只有3部分，即蜗舌、隔 Shuji等n1利用激光多普勒测速技术对具有不 板、转子．产生的气流具有流量大、横向均匀的特点， 同转子尺寸的贯流风机流场进行了测试，分析了转 不管叶轮的直径大小如何，均能够准确的通过对风量的要 子尺寸和雷诺数对风机工作性能的影响．Hiromu 求自由选择叶轮长度，因而被大范围的应用于制冷空调、 等[2’33用粒子轨迹追踪测速技术对贯流风机流场进 收稿日期：2003—05～25 基金项目：国家重点基础规划(973)资助项目(G2000026309) 作者简介：胡俊伟(1975一)，男，江西波阳人，博士生，主要是做制冷空调气动与声学性能的研究．丁国良(联系人)，男，教授，博士生导师， 电线E—mail：．cn． 万方数据 第7期 胡俊伟，等：贯流风机结构参数及工作特性的关联 行了测试，分析了流动系数声对风机内部速度场以 及偏心旋涡的影响． 刘师多等[4]以贯流风机的壳体为研究对象，在 试验基础上建立了风机吸气能力数学模型，优化确 定了壳体最佳结构参数，分析了蜗舌参数对风机吸 气能力的影响规律．杨波等口1也采用实验方法，测量 并分析在不同叶轮直径时，贯流风机内部流场的变 化，并通过对几组实验数据的比较，对贯流风机特有 的偏心涡成因进行了理论分析． 出 以上研究都是基于实验基础上的，并且有的也 只是分析了个别参数对风机性能的影响，没有对风 lUUmm 机结构参数的影响进行比较全面的研究．另外，国内 图1贯流风机的几何结构图 of 外利用数值模拟的方法对贯流风机流场做多元化的分析计 Fig．1Structureacross—flowfan 算的研究很少，陈次昌[61提出一种直接边界元和离 次流．因此，针对贯流风机的特点，采用基于雷诺平 散旋涡法相结合的数值解析方法，并对贯流风机的 均的NS方程和标准的志一￡紊流模型，对贯流风机叶 内部流动进行了分析计算．但是，他并没有分析结构 轮内部的三维紊流流动进行CFD分析． 参数变化对贯流风机内部流场的影响．因此，为了更 将NS方程进行雷诺平均，再将其中的雷诺应 全面地掌握和了解贯流风机的工作特性，寻求接近 力项计人紊流模型，从而建立一组紊流平均量的封 实际的流动模型和设计方法，有必要利用计算流体 闭方程组，作为叶轮内部流场CFD分析的基本方程 动力学(CFD)方法对贯流风机流动状态和结构参数 组，用笛卡儿张量形式表示为 影响进行研究． 。” 关+导(厩，)一，。 本文利用计算流体力学方法对贯流风机内部流 af’az．。一’7 场进行了数值模拟，研究了贯流风机的流动状态和 结构参数变化对风机性能的影响，分析了蜗舌间隙、 式中：￡为时间；z。为笛卡儿坐标(i一1，2，3)；云，为z。 进口角、蜗壳间隙、出口角变化与贯流风机进、出口 方向流体的速度时均值；万为表压力的时均值；』D为 流速的关系，从中寻找出结构参数变化对贯流风机 密度；s。为质量源项；曲为动量源项；T。为应力张量 内部气体流动影响的规律． 项， 1贯流风机结构特点 ～一2脚一号户赣懿一赢瓦j (3) 贯流风机设计中，关键是确定流道边界的最优 形状(包括蜗舌、蜗壳形状等)，以使风机内部气体流 p为分子动力粘度，％一丢(舞+爰)，懿一1(i一 动合理，达到高效、低噪的要求．因此风机内部流场 -『)；否则为零． 的计算具有很大意义．用于数值模拟的贯流风机结 五一￡湍流模型： mm， 构参数：风扇外径D。一240mm、内径D。一200 叶片数24；其余参数(蜗舌间隙e。、进口角曰。、蜗壳 麦c棚+基(厩志一等鑫)= 间隙￡z、出口角口。、蜗舌位置角艿)均为可调量，叶轮 ooO 转速1 r／min．图1为贯流风机的几何结构． (4) 式中： 2流动控制方程和紊流模型 触一g笔竺，触一—_’ ∥。。：∥+雎∥e“=∥十雎 贯流风机叶轮内部的流动其实就是三维粘性紊 流流动，叶轮的旋转和表面的曲率效应所产生的 户铂i，豢，户s一景古老 Coriolis力和离心力使叶轮内部的流动极其复杂． 此外，贯流风机叶轮有限叶片数的影响及叶片的空 加一乒西器一[户一号(瑟+篙)豢] 间扭曲、流道的扩散等都易产生流动的分离及二 万方数据 上 海 交通 大 学 学 报 第38卷 mm时对风扇流场产 曼cPe)+昙(酵一等差)一 图3为蜗舌间隙￡，一5、25 生影响的模拟结果．由图可见，叶轮内侧始终存在一 c。，}陋一号∽瑟+融)爰]+ 个能控制整个气流流动的偏心涡流，该涡流的旋向 与叶轮的转向一致．由于这种内涡流的存在，使已经 排出的空气又倒流回叶轮内部，这种回流造成了很 c。。}肚户n—c。。lD詈+c。。雕纂+c。。}∥。户N。 大的能量损失．横流风机的效率就取决于这种回流 (5) 流量在总流量中所占的比例．所以控制这种偏心涡 式中，C。吼、靠。C。c。。、C。c。。均为经验系数，它们 的大小和位置对改善贯流风机的流场有非常大作用． 分别为：以=1．o，巩．，一o．9，c，一o．09，c。1—1．44，C。2 同时，从图中可发现，￡。较大时，偏心涡的中心位置 —1．92，C。3一O．O或1．44(户B0)，C。4一一O．33． 靠近叶轮的中部，而e，减小时，涡心的位置外移，并 3流场计算及结果分析 向蜗舌和出风口靠近．由于涡心向边部偏移，气流的 回流减少；反之，则回流增加．这说明蜗舌间隙的大 数值分析采用雷诺平均的NS方程作为控制方 小能控制气流的流动，减小该间隙可使回流减小， 程，湍流模型为愚一￡模型，近壁处流动采用壁面函数 提高风机的效率． 法处理．压力与速度耦合方程采用SIMPLE算法求 解．由于贯流风机转速较低，因此计算按不可压流动 处理．为了模拟叶片的运动，采用STARCD中多重 000 旋转坐标办法来进行处理，给定转速为1 r／min． 计算时进口和出口适当延长，且均设为压力边界，并 给定大气条件为压力边界值，采用无旋假设，湍流动 能按平均来流动能的1％计算，耗散率： ￡一C：“K“2／L (6) 式中，L为混合特征长度．叶片和壳体处采用壁面边 (a)占l。5mm 界条件及速度无滑移条件．网格为六面体网格，网格 图3速度矢量图 数为12万个，图2为计算网格图(不包括进、出口延 contours Fig．3Velocity 长部分)． 图4表明了不同￡。对风机出口流速副产生影 响的模拟结果，横坐标为出口处y方向坐标．由图4 可见，随着￡。的减小出口流速曲线整体是上升的， 即出口处各点流速均有所提高，由此可知￡。减小， 出口流速增加． 图2计算网格图 Meshesofthe domain Fig．2 computational 3．1 CFD模型的验证与分析 为了验证所使用的CFD模型的正确性与合理 图4￡-对风扇出口流速的影响分布 性，先就蜗舌间隙对贯流风机流场产生的影响进行 Influenceonvelocitiesinexit Fig．4 of￡l 了模拟．赵京华等[71曾用实验方法对相同条件下贯 流风机内蜗舌间隙的影响进行了测量，流场参数是 图5为风机出口平均流速的模拟结果与实验结 通过三孔探针引出压力信号，由微压计显示读数来 果‘73的比较曲线．从图中能够准确的看出，计算结果与实验 得到的． 结果基本一致，均反映出口平均流速弓随e。减小而 万方数据 第7期 胡俊伟，等：贯流风机结构参数及工作特性的关联 增大这一特点．这还在于￡，减小，偏心涡外移， 流速增加．图7(b)横坐标为出口处y方向坐标值， 从而使气流的回流减少，提高了出口流量． 由该图可见，随着￡：的增加，出口流速曲线整体轻 微下降，即出口处各点流速均有所降低．由此可知， ￡。减小，出口流速也有所增加．另外，将图7(b)与图 4、图6(b)比较可看出，图7(b)中曲线变化较小，即 ￡。对贯流风机出口流速的影响比口，、￡，的影响要小． 图5￡。对风扇出口平均流速的影响分布 Influenceon velocitiesinexit Fig．5 of￡1 averaged 3．2进口角疗。对风机流场的影响 对不同进口角的风机流场进行了模拟．图6为 进口和出口流速随进口角口，变化的模拟结果，图6 (a)横坐标为进口处z方向坐标，图6(b)横坐标为 出口处y方向坐标．由图可见，伊，减小，口增加，速度 分布较均匀．但随着口，减小，进风面积也随之减小， 因此导致出口速度降低． 图7￡z对风扇进出口流速的影响 Influenceonvelocitiesinexitandentrance Fig．7 of￡2 3．4 出口角日：对风机流场的影响 口：值不宜过小，因为口。减小，蜗舌增大，导致蜗 舌处噪声增大；同样口。也不宜过大，因为口。增大，出 口面积增大，导致出口流速降低．文献[8]中曾对D。 =240 mm、D。=200mm，叶片数26的贯流风机进 行了测试，提出口：取110～130。风机性能较好，在此 基础上本文对大于130。的口。进行了数值模拟．在口。 变化的同时，对蜗舌位置角占也作了相应变化． 图8为口：、占同时变化对风机进、出口流速影响 的模拟曲线(a)横坐标为进口处z方向坐标 图6口-对风扇进出口流速的影响 值，由图8(a)可以见，随着护：、艿的增大，曲线整体有 Influenceonvelocitiesinexitandentrance Fig．6 of目l 所上升，即随着护。和艿的增大，风机进口流速增大． 3．3蜗壳间隙E：对风扇流场的影响 图8(b)横坐标为出口处y方向坐标值，由该图可 ￡。对贯流风机的流场也会产生一定的影响．图 见，风机出口流速是随着口：、艿的增加而增大的． 7为不同e。对风机进口和出口流速影响的模拟曲 以上结果分析表明，当口。取130～140。时，贯流 线(a)横坐标为进口处z方向坐标，由图7(a) 风机的进、出口流速都有所增加，即贯流风机的性能 可见，随着e。的增加，进口流速曲线整体下降，即进 是比较好的．因此作者觉得：在适当增加d后，适 口处各点流速均有所降低．由此可知，￡。减小，进口 宜的口。范围可拓宽至110～140。． 万方数据 1160 上 海 交 通 大 学 学 报 第38卷 角大于140。的情况还有待于进一步研究． 参考文献： Murata．Scaleeffectsincross ShujiTanaka，Susumu [1] flowfans(e“ectsoffandimentionsonflowdetails andtheuniversal of representation International [J]．JsME 397． HiromuTsurusaki，Yoshinobu [2] 州mm tionmeasureandmumericalanalvsisofinternalflow (a)进口 incross—flow ofFluids fan[J]．JournalEngineering， 1997，119(3)：633—638． 拳 HiromuTsurusaki，Yoshinobuof [3] Tsuiimoto．Study k internalflow cross—flow—fan byflowvisualization g ≤ (discussionofmeasuredresults by International velocimetry)[J]．JSMEJournal，1996， 39(3)：540一545． v／mm (b)出口 [4]刘师多，周 炜，师清翔，等．横流风机吸气能力与壳 图8口。、d对风扇进出口流速的影响 —30． Influenceonvelocitiesinexit Fig．8 of口2、d LIUShi—duo，ZH()U Wei，SHI Qing—xiang，以口Z．The andentrance between attributeandcase relationshipinhaling pa— rametersofthecrossflow ofLuo— fan[J]．Journal 4 结 论 Instituteof yang TechnoIogy，1998，19(3)：26—30． 本文利用CFD方法对贯流风机内部气体流动 [5]杨 波，钟芳源．横流风机内部流动实验研究口]．机 进行计算模拟，从而对贯流风机的性能进行了分析． 械工程学报，2000，36(6)：68—70． YANBo，ZHONG of 通过一系列分析比较蜗舌间隙变化对流场产生影响的模拟 Fang—yuan．Experimentalstudy theinternalflowofthecross—flow 结果与实验结果，得到了蜗舌间隙影响流场的规律， ofMechanjcaI Journal 即随着￡。的减小，出口流速增加，是因为蜗舌间 —70． 隙减小，偏心涡外移，从而使气流的回流减少，提高 [6]陈次昌．横流式风机内部流动的研空[J]．农业机械学 了出口流量．同时，通过模拟其它壳体参数(进口角、 报，1995，26(4)：90一94． 蜗壳间隙、出口角和蜗舌位置角)变化对贯流风机 CHEN ofinternal Ci—chang．Study flowofcross—flow of 进、出口流速的影响，预测了进口角、蜗壳间隙、出口 fan[J]．chinesesocietyAgriculturalMachinery， 角和蜗舌位置角的变化对贯流风机的工作性能产生 1995，26(4)：90一94． 影响的规律： [7]赵京华，万淑敏．横流风机工作性能的实验研究[J]． (1)随着进口角臼，减小，进口流速增加，速度分 天津商学院学报，1995，15(4)：1—6． ZHAO WAN Jing小ua， Shu—ming． 布较均匀，但同时随着进口角减小，进风面积也随之 oncross—flow of study fans[J]．chineseJournal 减小，因此导致出口速度降低； of TianjinUnjVersity (2)随着蜗壳间隙￡。的减小，进口流速和出口 [8]游斌，区颖达．影响横流风机性能的各几何因素 流速均有所增加，但分析表明，蜗壳间隙的影响与进 [J]．风机技术，1997，(6)：22—25． 口角、蜗舌间隙产生的影响相比要弱一些． YoUBin，QU element Ying—da．Geometry affecting the ofthecrossflow (3)通过对出口角为130～140。的贯流风机进 performance Tech— fan[J]．Fan 行的模拟和分析可知，在适当增加蜗舌位置角后，适 nique，1997，(6)：22—25． 宜的出口角范围可拓宽至110～140。，而对于出口 万方数据 贯流风机结构参数及工作特性的关联 作者： 胡俊伟， 丁国良， 赵力， 张春路 作者单位： 上海交通大学,制冷与低温工程研究所,上海,200030 刊名： 上海交通大学学报 英文刊名： JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY 年，卷(期)： 2004，38(7) 引用次数： 0次 参考文献(8条) 1.Shuji Tanaka.Susumu Murata Scale effects in cross flow fans (effects of fan dimentions on flow details and the universal representation of performances) 1995(03) 2.Hiromu Tsurusaki.Yoshinobu Tsujimoto Visualization measure and mumerical analysis of internal flow in cross-flow fan 1997(03) 3.Hiromu Tsurusaki.Yoshinobu Tsujimoto Study of cross-flow-fan internal flow by flow visualization (discussion of measured results by particle-tracking velocimetry) 1996(03) 4.刘师多.周炜.师清翔 横流风机吸气能力与壳体参数的关系[期刊论文]-洛阳工学院学报(自然科学版) 1998(03) 5.杨波.钟芳源 横流风机内部流动实验研究[期刊论文]-机械工程学报 2000(06) 6.陈次昌 横流式风机内部流动的研空 1995(04) 7.赵京华.万淑敏 横流风机工作性能的实验研究 1995(04) 8.游斌.区颖达 影响横流风机性能的各几何因素 1997(06) 相似文献(5条) 1.期刊论文 胡俊伟.丁国良.赵力.张春路 贯流风机流场模拟与性能分析 -机械工程学报2004,40(4) 利用计算流体力学(CFD)软件STAR-CD对贯流风机内部气体流动进行了数值模拟,研究了贯流风机的流动状态和结构参数变化对其产生的影响,分析了 蜗舌间隙、进口角、蜗壳间隙、蜗舌位置角、出口角变化与贯流风机进、出口流速间的关系,从中寻找出结构参数变化对贯流风机流场影响的规律.同时 ,还将模拟计算结果与试验结果进行了比较,比较根据结果得出数值模拟的结果与试验结果基本吻合. 2.期刊论文 张师帅.罗亮.李伟华.ZHANG Shi-shuai.LUO Liang.LI Wei-hua 基于CFD分析的空调用贯流风机的性能 预测 -流体机械2008,36(5) 利用CFD软件FLUENT6.2和自行研发的空调用贯流风机参数化建模软件,对不同结构参数情况下的贯流风机进行了实体建模和网格划分,并对内流场 和气动声场进行了数值模拟,研究结构参数调整对贯流风机性能产生的影响,以便优化结构参数,提高风机性能. 3.期刊论文 邱先钧 贯流风机在联合收割机中的应用及其设计 -农业工程学报2003,19(1) 虽然贯流风机有出风口气流沿轴向分布较均匀等许多优点,但由于其工作原理较复杂,使它在工程中的应用较晚,在农业机械中则应用更少.为了加深 对贯流风机性能的理解,探讨其结构参数与运动参数,设计符合联合收割机清选要求的贯流风机,建立了模型风机做试验,对模型风机进行性能测试与分 析,获得了一些实用的数据,如叶片外切角β2取15.33°,据此并利用相似原理,设计了D2=220 mm,D1=154 mm,Z=20,β1=90°,β2=15.33°,θj=170°,θc=165°,θs=25°,h=130 mm,B=1100 mm的贯流风机.该风机用在联合收割机上,转速n=855 r/min,田间作 业能满足1.5 kg/s的清选负荷,经测定总损失率1.09%,籽粒破碎率0.05%,籽粒清洁率达98.15%. 4.期刊论文 陈启明.黄宸武.杨昕.CHEN Qi-ming.HUANG Chen-wu.YANG Xin 空调器贯流风机的性能测试与优化 -流 体机械2008,36(7) 对影响空调器贯流风机性能的叶轮尺寸参数、蜗舌间隙和蜗壳间隙分别做试验比较,得出了该空调器贯流风机较佳的结构参数值,从而改善了其气 动和噪声性能. 5.学位论文 陈小兰 温室用空气内循环式封闭空间除湿系统研究 2005 近年来，我国的温室种植业迅猛发展，但温室的环境调控仍很原始。特别是对湿度的调节，一般均采用自然换气与强制通风换气法降湿，这往往以 大幅度的降低室内温度为代价，能量损失太大。所以，设计一种适合温室应用的使用成本和制造成本均较低的除湿装置乃当务之急。 本文通过比较国外和国内的除湿技术，针对我国种植温室的使用现状设计出一种制造成本及使用成本低的温室用空气内循环式封闭空间除湿系统。 该系统创新地采用贯流风机强制送风、三层串联吸附层、膨胀珍珠岩吸附剂、太阳能烘干再循环装置。经全自动控制气候箱除湿试验证明该系统具有良 好的除湿效果。在相同的除湿要求下，与采用冷冻除湿法相比能节省20.2％的能量；与外循环强制通风除湿相比，节约了95.3％的能量。该系统可望在 我国的温室种植业得到普遍地推广应用。 理论上本文根据流体流动和传热的理论，由湍流模型中的K-ε两方程模型和壁面函数法作为对固定床吸附设备内气流进行数值分析的理论基础，建 立了恒温条件下固定床内气体流动的基本方程。采用传热传质基本方程建立了空气绕流吸湿的数学模型，并求解结果提出了空气绕流层间的基本信息参数设 计原则。本文的试验装置依据这一些原则进行了设计，实验证明确有节约能源的效果。 试验研究方面，通过正交试验确定系统单位能耗的除湿量与系统参数的关系，运用正交表做综合分析得出一组最优的结构参数及工作参数。在这 些结构参数及非参数的运行下的系统比冷凝除湿节能20.2％比外循环除湿节能95.3％。 本文的研究对于封闭空间的除湿有一定的实用价值；对于经济型除湿系统在我国的研究和推广，有一定的社会和经济价值。 本文链接：/Periodical_shjtdxxb200407028.aspx 下载时间：2010年6月13日

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