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叶片形状优化对除尘风机型号金属叶轮稳定运行的影响

叶片的结构优化对离心风机金属叶轮平稳运行有着重要的影响。目前很多学者研究了叶片出口安装角的结构优化以及叶片高度的结构优化，但是对于叶片形状的结构优化研究得较少。气流在叶片的不同区域的流动有很大的不同。在叶轮前盘，气流的流动方式主要是轴向流动。在叶轮的中后盘，气流的流动方式主要是径向流动。通过这种方式，达到叶轮前盘向中后盘送风，使叶轮中后盘出风的目的。由此可见，通过对叶片形状进行优化设计，可以在一定程度上增加叶片的送风量以及有效通道的宽度，使得离心风机的效率得到提高，从而保证金属叶轮的平稳运行。对内藏电动机的形状设计不当会增加金属叶轮内部的流动损失，从而导致噪声增大，离心风机性能降低。

除尘风机型号具有体积小、压力系数高等一系列优点，在工业、农业等各个领域都得到广泛应用，是人们生产生活中必不可少的一种机器设备。离心风机主要由集流器、蜗壳、电机以及叶片四个部件组成。各部件的结构优化对离心风机金属叶轮稳定运行起着重要的作用。随着科学技术的发展以及生活水平的提高，对除尘风机型号进行结构优化越来越受到人们的关注。因此本文通过对集流器优化、蜗壳优化、电机优化以及叶片形状进行优化，来观察结构优化之后的离心风机对金属叶轮稳定运行的影响，以促进离心风机的生产工作朝着更完善、更健康的方向发展。Sheard通过研究加进气箱的通风机，在除尘风机型号叶轮进口加导流板控制叶轮进口的非均匀气流，结果表明在叶轮进口加导流板能够提高风机的全压，并得出了叶片根部断裂的原因。

以除尘风机型号蜗壳与叶轮出口在半径方向上的间距随方位角线性递增来优化蜗壳型线，并用试验证明了良好的蜗壳型线不仅能提高风机效率及全压，还能改变流量-压力曲线的变化趋势；15m3/s，主要尺寸参数为：除尘风机型号蜗壳宽度b1152mm，叶轮内径1D210mm,叶轮外径2D246mm，叶片进口安装角178A，叶片出口安装角2160A，叶片圆弧半径r14mm，叶片数z60。BEENA等[11]通过应用层次分析法（AHP），对蜗壳的重要几何参数进行了优先排序，阐明了各参数对离心风机性能的影响;除尘风机型号采用3种不同流量的五孔探头，测量了风机蜗壳内流体的三维流动，得出传统一维蜗壳型线设计方法忽略了风机内部严重的泄漏情况，应根据流体实际流动进行修正的结论。本文在传统蜗壳型线设计理论基础上，以某抽油烟机用多翼离心风机为研究对象，

除尘风机型号采用动量矩修正方法对其进行性能优化。并考虑粘性应力的作用对原有k-ε计算模型进行修正，以期提高数值计算结果的准确度，为CFD数值模拟预测风机性能的可靠性提供参考。多翼离心风机由进口集流器、叶轮及蜗壳组成，具体结构如图1所示。其设计转速n=1200r/min，设计流量Qv=0.15m3/s，主要尺寸参数为：除尘风机型号蜗壳宽度b1152mm，叶轮内径1D210mm,叶轮外径2D246mm，叶片进口安装角178A，叶片出口安装角2160A，叶片圆弧半径r14mm，叶片数z60。为了提供更好的来流条件，给定较为准确的边界条件，本研究在利用Solidworks软件对风机进行三维建模时，分别将进风区域和出风区域进行延长处理，以保证进出口气体的流动充分发展。本试验风机的结构简图，在风机蜗板和前后盖板上可分别固定穿孔钢板，穿孔板与蜗壳本体之间形成10mm的空腔，空腔内填充超细玻璃棉，形成消声蜗壳。另外，为了方便模型的建立，在尽量减小数值模拟误差的前提下对电动机结构进行一定程度的简化，

将建立好的除尘风机型号三维模型导入ICEM 软件进行混合网格的划分。其中进出口和叶轮区域采用结构化网格，而蜗壳部分由于其内部结构复杂，尤其是电动机周围结构并非规则模型，故采用适应性较强的非结构化四面体网格，具体网格如图3 所示。综合考虑动静耦合区域对数值模拟预测结果的影响，在进行网格划分时，对边界层进行加密处理，其较低网格质量雅克比[14]在0.3 以上。为了保证数值计算结果的准确性，避免网格误差对其模拟结果造成影响，对除尘风机型号进行网格无关性验证，如表1 所示。综合考虑计算精度和计算效率可知，当网格数为25 万左右时预测结果较为合理，***终确定整个计算域的网格数为2513558。k-ε 模型作为***为普遍有效的湍流模型，能够计算大量的各种回流和薄剪切层流动，被广泛应用于各类风机的数值求解计算中。加进气箱后，离心风机的全开流量降低，与无进气箱相比，流量降低了16。

由于有梯度扩散项，模型k-ε 方程为椭圆形方程，故其特性同其他椭圆形方程，需要边界条件：除尘风机型号出口或对称轴处k / n0和/ n0。但上述边界条件只针对高雷诺数而言，在固体壁面附近，流体粘性应力将取代湍流雷诺应力，并在临近固体壁面的粘性底层占主要作用。而多翼离心风机由于结构尺寸小、相对马赫数低，气体黏性力在流体流动过程中起重要作用，因此，在实际运用过程中，标准k-ε 模型由于未充分考虑粘性力的影响，导致计算模型出现偏差。运用Visual C 将上述修正函数编写为UDF代码，并导入Fluent 内置Calculation module。为符合实际运行状态，除尘风机型号进出口边界条件设置为压力入口和压力出口，出口压降与动能成正比，从而避免在进口和出口定义一致的速度分布[15]。***后以CFD 计算的定常结果作为初始条件，进行非定常数值计算。目前国内外学者对离心风机蜗壳型线的研究，主要集中在寻找能真实反映蜗壳内流体流动状态的设计方法。