叶轮式流体机械基于数值模拟仿真软件的应用分析
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摘要：为了研究数值模拟仿真软件在流体机械工程设计中的应用，本文选取9-26-8D型离心通风机为研究对象，首先通过建立叶轮部件的有限元模型对固体强度进行数值计算;然后对风机特性参数和内部流场进行数值模拟分析。数值模拟仿真计算分析结果不仅具有比较高的精度，还能够获得直观的应力分布云图以及内部流场云图。在传统理论公式计算基础之上，深入加强数值模拟仿真软件技术在葉轮式流体机械工程设计中的应用是实用有效的综合性方法，为进一步在优化设计方面展开研究提供了必要的计算基础。
关键词：叶轮式流体机械;强度计算;流场分析;数值模拟仿真软件
中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00
1 引言
叶轮式流体机械在流体工程中的应用非常广泛，主要包括叶轮式压缩机，叶轮式通风机，叶轮式水泵，叶轮式水轮机，叶轮式风力机等。其中离心通风机是一种依靠外部输入的机械能提高流体的压力并排送流体的叶轮式流体机械，广泛用于各相关行业的通风与换气等[1]。离心通风机的结构主要由叶轮、机壳、主轴、联轴器或皮带轮等组成。叶轮的叶片在实际工作过程中受力比较复杂，除了本身的离心力外，还受到气动力和前、后盘的牵引而引起的叶片附加应力[2]。叶轮是影响效率和性能的核心部件，利用软件对其进行几何建模和有限元分析是研究叶轮强度的一种有效手段。利用软件还可以对离心风机的内部流场进行数值模拟，得出性能特性参数表，并根据数值模拟云图对风机的内部流动做出对应分析。
2 叶轮的强度计算
2.1 叶轮的几何参数及建模
以9-26-8D型离心通风机为研究对象，得到叶轮的几何参数如表1所示。
为了便于建模，对叶轮作了适当简化：（1）轴盘的厚度大，实际使用中一般很少出现问题，因此在建立几何模型中没有画出轴盘;（2）螺栓孔也没有建立;（3）叶轮的各部分都是薄壁结构，因此使用面建模; （4）叶轮内的焊接圆角等没有建立，可以有效减小建模难度。通过上述几处的简化，叶轮结构的建模不再困难，减少了其他三维建模软件导入ANSYS中的出错问题，也让模型网格划分更加准确。图1为ANSYS软件中建立的叶轮几何模型。
叶轮结构所采用的材料是Q235钢，材料属性具体见表2。
2.2 叶轮的强度计算与分析
叶轮一般是以恒定速度绕轴旋转的，施加径向与轴向约束在后盘内圈处，用来模拟叶轮在实际操作期间运转的约束状态。当叶轮旋转的时候，它会受到离心力、重力和激振力等作用力的影响，但重力、激振力等作用力和离心力相比可以忽略不计[3]。因此，强度分析所施加的载荷主要为围绕Z轴的速度载荷，采用大小为1450rpm的风机转速。利用软件ANSYS求解后，可以在后处理模块得到求解结果。对于强度分析，主要是查看Von Mises等效应力云图[4]。由于叶轮是以恒定速度旋转，所以它的等效应力云图具有周向对称的特点，
通过上面得到的Von Mises 等效应力云图可知：叶片最大应力位置在叶片出口处，其大小为105.895MPa;前盘和后盘最大应力的位置在其与叶片进出口的交汇处，其大小都为48MPa左右，应力值都在安全范围内。采用数值模拟仿真软件比传统的手工计算更加准确，还可以得到等效应力云图，能够快速找到叶轮产生应力集中的位置，为优化叶轮提供参考。
3 离心风机性能特性的数值模拟分析
3.1特性参数的模拟计算
通过改变进口边界条件的流量值，模拟求解风机在不同工况下的特性参数[5]。如表3所示，为9-26-8D型离心风机在转速为1450rpm时七种工况下的数值模拟特性参数。
3.2 基于最佳工况的内部流场分析
风机的最佳工况点是指效率最高时的状态[6]。基于表中数值模拟特性参数，该风机在转速1450rpm时的最佳工况点是流量大小为10473的工况。在最佳工况条件下模拟计算分析离心风机的内部流场，图3至图6分别为X-子午面的静压、动压、全压和速度分布云图。
由上面得到的云图中可以看到：气体从进风管段进入集风器后转变方向再进入叶轮叶片通道，叶轮快速转动使气体速度提高，从而动压增加，随后气体被输送到蜗壳中，速度开始降低，动压开始减小，动能转化为势能，静压开始增加，并且在远离叶轮的蜗壳处达到最大。从整个云图来看，实际上9-26-8D型离心风机整个子午面的压力分布和速度非常不均匀，风机从集流器到叶轮再到蜗壳，几乎每一次转变方向都同时伴随着涡流或者二次流动。因此可以得出在离心风机叶轮内缘区域和后盘前后区域都存在着低压、低速区。
由上面的云图可知：风机的速度和压力在回转面上相对子午面来说是比较均匀的，进入叶轮后的气体速度随着叶轮呈梯度增加，此时全压、静压、动压全部受到叶轮的机械能而增加。气体在叶轮中旋转的时候，可以看到叶片压力面速度增值高于吸力面，全压也是压力面高于吸力面。这种压力的不均衡造成了逆压差，在叶片周围形成相对速度较小的尾迹区和相对速度较高的射流区。这种“射流-尾迹”结构是造成风机中能量损失的重要因素。
4 结论
数值模拟仿真软件对叶轮式流体机械的固体强度设计和内部流动数值模拟分析提供了有效的计算模拟手段，并且有准确性好、可靠性强和清晰直观的特点。在传统理论公式计算基础之上，深入加强数值模拟仿真软件技术在叶轮式流体机械工程设计中的应用是实用有效的综合性方法，为进一步在优化设计方面展开研究提供了必要的计算基础。
参考文献
[1] 刘建红.离心通风机叶轮的有限元分析[D].济南：山东大学，2012.
[2] 商景泰.通风机实用技术手册[M].北京：机械工业出版社，2005.4. [3] 丁铁华.基于有限元法的离心风机叶轮强度分析与结构优化[J].风机技术，2011（6）14-17.
[4] 李晓丽，楚武利，袁森.离心风机整机三维数值仿真方法及分析[J].计算机仿真，2010（27）：334-338
[5] 楊春鱼.离心通风机内部流场特性的数值模拟与优化设计[D].淮南：安徽理工大学，2012.
[6] PROF.DR.-ING.HANS-J？RGBAUER，etal.Aerodynamic Excitation Of Blade Vibrations in radial Turbines[J].MTZ worldwide，2013，74（6）：48-54.
收稿日期：2020-03-21
作者简介：石大立（1962—），男，湖北武汉人，学士，工程师，研究方向：工程测试分析。
通讯作者：黄忠文（1971—），男，湖北京山人，硕士，副教授，研究方向：工程结构分析、流体机械、新能源工程。
Optimization Design of Centrifugal fan Blade Based on Numerical Simulation
SHI Da-li，HUANG Zhao，CHEN Jia-rui，TANG Ming-zhe，HUANG Zhong-wen
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan Hubei 430205）
Abstract： In order to study the application of numerical simulation software in fluid mechanical engineering design， the 9-26-8D centrifugal ventilator was selected as the research object in this paper. Firstly， the solid strength was numerically calculated by establishing the finite element model of the impeller part. Then， numerical simulation was carried out for the fan characteristic parameters and internal flow field. The numerical simulation results not only have high accuracy， but also can obtain the stress distribution cloud map and the internal flow field cloud map. On the basis of traditional theoretical formula calculation， it is a practical and effective comprehensive method to strengthen the application of numerical simulation software technology in the design of impeller fluid mechanical engineering， which provides a necessary calculation basis for further research on optimal design.
Key words： Impeller fluid machinery; Strength calculation; Flow field analysis; Numerical simulation software
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