葉輪氣動(dòng)裝置進(jìn)氣口位置優(yōu)化研究

劉曉峰，張敏良，董慧婷，陳佳鑫，李瑩

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

0 引言

葉輪氣動(dòng)裝置是利用生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)做功來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的裝置。葉輪氣動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)形式直接影響著裝置的工作效率[1]，進(jìn)而影響了發(fā)電機(jī)的輸出功率。目前，我國(guó)很多高校和研究單位對(duì)利用風(fēng)能發(fā)電[2-4]和水利發(fā)電[5-7]進(jìn)行了研究，在利用廢氣發(fā)電方面還未進(jìn)行過(guò)多探索。

課題組以解決某化工企業(yè)的葉輪氣動(dòng)裝置在生產(chǎn)中對(duì)廢氣利用效率低的問(wèn)題為目標(biāo)，通過(guò)ANSYS Fluent 軟件，模擬葉輪氣動(dòng)裝置內(nèi)流場(chǎng)的速度和壓力分布情況，研究進(jìn)氣口位置對(duì)裝置內(nèi)流場(chǎng)的影響，基于數(shù)值模擬的方法來(lái)對(duì)不同進(jìn)氣口位置的葉輪氣動(dòng)裝置進(jìn)行研究。

1 基本結(jié)構(gòu)

圖1 為葉輪氣動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖2 所示為葉輪氣動(dòng)裝置內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算模型圖。葉輪氣動(dòng)裝置按功能主要分為3 個(gè)部分。第1 部分為氣動(dòng)殼體，由兩端是直徑為 35 mm 的圓形管道以及中間是直徑為 95 mm 的圓形腔體組成，兩側(cè)端面距離殼體 30 mm，進(jìn)口處為方形進(jìn)口，方形進(jìn)口的底母線與圓形腔體底母線距離為 2 mm，出口處內(nèi)徑為27.5 mm；第2 部分為葉輪，如圖 3 所示。葉輪作為裝置做功的主要部件，設(shè)計(jì)葉輪轉(zhuǎn)速為n=3 000 r/min，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。第3 部分為電機(jī)座，電機(jī)置于其中，氣體由進(jìn)口處進(jìn)入，沖擊葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

表1 葉輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of impeller

圖1 葉輪氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of impeller pneumatic device

圖2 計(jì)算模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation model

圖3 葉輪實(shí)體模型Fig.3 Impeller solid model

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 數(shù)值模型

流體計(jì)算理論中，包含三大守恒方程：分別是流體的質(zhì)量方程、流體的動(dòng)量方程和流體的能量守恒方程[8]。本文所涉及的流體流動(dòng)特性不考慮流體與葉輪氣動(dòng)裝置之間的傳熱問(wèn)題，所以求解過(guò)程中忽略能量守恒方程[9]。

連續(xù)性方程

動(dòng)量守恒方程：

湍流動(dòng)能方程和耗散方程

式中：u，v，w——速度分別沿x，y，z 方向的速度分量；ρ——流體密度；p——流體微元所受壓力；τxx，τxy，τxz，τyz，τyy，τzz——粘性τ應(yīng)力的分量；χ——湍流動(dòng)能；U——速度；σt——普良特?cái)?shù)；Eij——流體變形率時(shí)均分量；C1ε，C2ε——常量；Cμ——無(wú)量綱常數(shù)；ε——湍流動(dòng)能耗散率；μt——湍流粘性系數(shù)。

2.2 計(jì)算模型

由前文所述，葉輪氣動(dòng)裝置主要分為3 部分，氣動(dòng)外殼和葉輪為主要部件，計(jì)算模型以氣動(dòng)外殼和葉輪為主，忽略電機(jī)座和左側(cè)端蓋。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，采用 MRF 多參考系坐標(biāo)模型[10]，將計(jì)算模型分為2 個(gè)區(qū)域：葉輪為rotate 區(qū)域、殼體為state 區(qū)域。rotate 區(qū)域設(shè)置參考系運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，rotate 壁面設(shè)置相對(duì)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速為0。

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

使用 ANSYS Fluent MESHING 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分方法采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格類(lèi)型采用多面體網(wǎng)格，外表面網(wǎng)格最大尺寸設(shè)為5 mm，最小尺寸設(shè)為 0.5 mm，在計(jì)算模型表面的近壁區(qū)域添加邊界層網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終網(wǎng)格數(shù)為 280 萬(wàn)，網(wǎng)格的正交質(zhì)量為 1.0，符合數(shù)值模擬要求。將生成的網(wǎng)格導(dǎo)入 Fluent 軟件，具體邊界條件和求解參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 邊界條件及設(shè)置Tab.2 Boundary conditions and settings

（續(xù)表）

3 結(jié)果與討論

本文先對(duì)葉輪氣動(dòng)裝置原結(jié)構(gòu)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，然后再對(duì)不同進(jìn)氣口位置的模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。后處理處理軟件使用的是Fluent 軟件下的CFD POST 模塊。

3.1 原葉輪氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

3.1.1 壓力場(chǎng)分析

如圖4（a）葉輪氣動(dòng)裝置壓力云圖所示，壓降變化較大的地方位于葉輪進(jìn)口處。葉輪在標(biāo)定工況下旋轉(zhuǎn)，流場(chǎng)的壓降變化相對(duì)較小。葉輪葉片之間的間隙以及葉輪與殼體之間的間隙的壓降較穩(wěn)定。葉輪進(jìn)口處的壓力較大是由氣體沖擊葉輪造成，一部分壓力轉(zhuǎn)化成葉輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力。

圖4 原結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of original structure

3.1.2 速度場(chǎng)分析

如圖4（b）、（c）所示，氣體在經(jīng)過(guò)葉輪進(jìn)口處時(shí)，通道變窄，速度增加。一部分加速氣體從葉輪流場(chǎng)直接流向出口，未流向出口的氣體隨葉輪旋轉(zhuǎn)，并主要位于葉輪內(nèi)徑處。氣體主要從葉輪出口處與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的前3 個(gè)葉片間隙和最后1 個(gè)葉片間隙出氣。各個(gè)葉片間隙間、葉輪與圓形腔體間隙間的氣體速度穩(wěn)定。與壓力云圖結(jié)果一致。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

由上述分析可知，氣體在通過(guò)裝置進(jìn)口流經(jīng)葉輪流向內(nèi)流場(chǎng)時(shí)，葉輪受氣體沖擊，葉輪進(jìn)口處葉片受力集中在葉片后緣背壓面處，一部分氣體受進(jìn)口位置影響，直接穿過(guò)流場(chǎng)流向出口，造成了一部分的浪費(fèi)。為探究進(jìn)口位置對(duì)葉輪氣動(dòng)裝置整體效率的影響，原結(jié)構(gòu)中，進(jìn)口處的底母線與圓形腔體的底母線的距離是2 mm，分別調(diào)整兩者間的距離為 1.5，1.0，0.5，0 mm 來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究進(jìn)氣口位置對(duì)裝置內(nèi)流場(chǎng)的影響。

3.3 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

改進(jìn)后的模型網(wǎng)格劃分方法和參數(shù)設(shè)置如前文所述，保持一致。圖5—圖8 是進(jìn)氣口底母線與圓形腔體的底母線的距離分別為1.5，1.0，0.5，0 mm 時(shí)的模型壓力云圖、速度云圖和速度矢量分布圖。由壓力云圖可知，在距離為0 mm 時(shí)的葉輪進(jìn)口處的葉片所受壓力最小，進(jìn)氣口與圓形腔體底母線相切時(shí)，葉輪進(jìn)口處受氣體沖擊的葉片數(shù)量由原先的3 片增加到4 片，但是所受沖擊力均有減少。由速度云圖和速度矢量分布圖所知，通過(guò)調(diào)整進(jìn)口的位置，在進(jìn)氣口底母線與圓形腔體底母線相切時(shí)，流場(chǎng)內(nèi)氣體隨葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，直接從進(jìn)口流經(jīng)腔體流向出口的氣體減少，氣體充分參與了葉輪旋轉(zhuǎn)做功。葉輪氣動(dòng)裝置在標(biāo)定工況下，可得理論發(fā)電功率[11]如式（8）所示

圖5 間距為 1.5 mm 的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical Simulation results with a spacing of 1.5 mm

圖6 間距為 1.0 mm 的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Numerical Simulation results with a spacing of 1.0 mm

圖7 間距為 0.5 mm 的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Numerical Simulation results with a spacing of 0.5 mm

圖8 間距為 0 mm 的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Numerical Simulation results with a spacing of 0 mm

式中：Q——用氣量；ex，P——溫度一定時(shí)，隨壓力變化氣體所產(chǎn)生的壓力?。

不同進(jìn)氣口位置的功率變化曲線見(jiàn)圖9，數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)前后數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of numerical calculation results before and after improvement

圖9 進(jìn)氣口不同位置功率變化曲線Fig.9 Power change curve of air inlet position

4 結(jié)論

（1）課題組通過(guò) Fluent 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的葉輪氣動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)分析流場(chǎng)中的壓力云圖、速度云圖和速度矢量分布圖可知，部分氣體從進(jìn)口流經(jīng)腔體直接流向出口，氣體未能充分參與葉輪旋轉(zhuǎn)做功，葉輪進(jìn)口處相鄰葉輪所承受的氣體沖擊較大。

（2）改變?nèi)~輪氣動(dòng)裝置進(jìn)氣口位置，進(jìn)氣口底母線與圓形腔體的底母線距離分別為1.5，1.0，0.5，0 mm，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果分析：距離為0 mm時(shí)，氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入沖擊葉輪，葉輪后緣所受氣體沖擊力最小，氣體充分參與葉輪旋轉(zhuǎn)做功，內(nèi)流場(chǎng)的分布最均勻。

（3）對(duì)比不同進(jìn)氣口位置下的模型，在進(jìn)氣口底母線與圓形腔體的底母線距離為 0 mm時(shí)，在標(biāo)定工況下葉輪氣動(dòng)裝置的發(fā)電功率和發(fā)電效率最高。

（4）通過(guò)研究不同進(jìn)氣口位置對(duì)葉輪氣動(dòng)裝置效率的影響，對(duì)葉輪氣動(dòng)裝置進(jìn)氣口位置的加工工藝參數(shù)提供了參考。