速凍設(shè)備用離心風(fēng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與分析

楊長(zhǎng)春，樓曉華，楊曉燕

（四方科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇南通 226371）

前言

流態(tài)化速凍技術(shù)是食品單體快速凍結(jié)的理想方法[1]。無(wú)蝸殼離心風(fēng)機(jī)具有風(fēng)量大、噪聲低、壓力高及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用在流態(tài)化速凍設(shè)備中輸送冷氣并迫使凍品與冷氣發(fā)生熱量交換[2-3]。其風(fēng)機(jī)指標(biāo)影響風(fēng)能分布與換熱效果，進(jìn)而影響凍品的凍結(jié)速率[4-5]。為了滿(mǎn)足速凍設(shè)備工作需求，很多風(fēng)機(jī)企業(yè)需要在常規(guī)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行大量的性能測(cè)試和改進(jìn)，但隨之面臨的問(wèn)題是對(duì)如何有效獲得新風(fēng)機(jī)在速凍設(shè)備中的實(shí)際性能。考慮到速凍裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)階段僅對(duì)風(fēng)機(jī)單體的模擬研究難以全面掌握其對(duì)速凍裝置風(fēng)場(chǎng)的影響。因此，從測(cè)試角度出發(fā)，結(jié)合流態(tài)化速凍設(shè)備特征，搭建離心風(fēng)機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，將對(duì)速凍設(shè)備用風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)具有重要意義。

本文根據(jù)速凍設(shè)備的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)并搭建了離心風(fēng)機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，用于測(cè)試七號(hào)離心風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)指標(biāo)。此外，基于Gambit 和Fluent 軟件建立了測(cè)試裝置平臺(tái)內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算模型，用于模擬被測(cè)試風(fēng)機(jī)。

1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與風(fēng)機(jī)性能測(cè)試

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 是測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 離心風(fēng)機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)按照GB/T 1236-2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》要求，結(jié)合流態(tài)化速凍設(shè)備的特點(diǎn)，將測(cè)試裝置的吸風(fēng)口與大氣相連，與被測(cè)風(fēng)機(jī)入口相通。風(fēng)機(jī)出口通往錐形管區(qū)域，錐形管區(qū)域與風(fēng)筒區(qū)域之間有一塊集流柵板，作用是整流氣體。風(fēng)道和錐形管的截面均為圓形，其尺寸為：吸風(fēng)口直徑0.595 m，出風(fēng)口直徑1.4 m，測(cè)試平臺(tái)總長(zhǎng)5.1 m。

1.2 技術(shù)參數(shù)

風(fēng)機(jī)參數(shù)為：葉片數(shù)14 個(gè)，直徑0.7 m，設(shè)計(jì)流量18 000 m3/h，額定轉(zhuǎn)速1 460 rpm。測(cè)試設(shè)備包括：壓力計(jì)用于測(cè)量相對(duì)于大氣壓的氣壓；熱線(xiàn)風(fēng)速儀用于測(cè)量風(fēng)速；溫濕度傳感器采集氣體的溫度和相對(duì)濕度。風(fēng)機(jī)測(cè)試按照GB 1236-85 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3 測(cè)試方法

本研究中的測(cè)試平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)壓、風(fēng)速和風(fēng)量三個(gè)參數(shù)的測(cè)量任務(wù)。

測(cè)量位置包括：吸風(fēng)口截面、出風(fēng)口截面和錐形管附近截面，見(jiàn)圖2。

圖2 離心風(fēng)機(jī)性能測(cè)試臺(tái)的測(cè)試位置

吸風(fēng)口和出風(fēng)口劃分后的區(qū)域面積見(jiàn)表1 和表2。圖2 (b)是錐形管截面附近截面的風(fēng)壓測(cè)試位置。吸風(fēng)口風(fēng)量Q吸風(fēng)口和出風(fēng)口風(fēng)量Q出風(fēng)口通過(guò)式(2)和式(3)進(jìn)行計(jì)算：

表1 進(jìn)風(fēng)口不同直徑位置的區(qū)域面積

表2 出風(fēng)口不同直徑位置的區(qū)域面積

2 測(cè)試平臺(tái)與離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型主要包括三部分：風(fēng)道流體域、葉輪流體域和葉輪殼體，見(jiàn)圖3(a)。

圖3 流場(chǎng)計(jì)算模型

采用Gambit 軟件劃分計(jì)算模型網(wǎng)格，應(yīng)用六面體單元網(wǎng)格劃分葉輪靜域，網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)6 mm；應(yīng)用四面體和六面體混合體單元?jiǎng)澐洲D(zhuǎn)子區(qū)域和定子區(qū)域網(wǎng)格，網(wǎng)格單元間距40 mm，網(wǎng)格增長(zhǎng)率1.2 mm，最大增長(zhǎng)率6 mm。劃分后的計(jì)算模型網(wǎng)格單元數(shù)量為524 萬(wàn)，見(jiàn)圖3(b)。

2.2 湍流模型和邊界條件

流場(chǎng)模擬采用Fluent 軟件，對(duì)轉(zhuǎn)子區(qū)域施加旋轉(zhuǎn)離心力，已知風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速n=1 460 rpm，其旋轉(zhuǎn)角速度ω 根據(jù)ω=2πn/60 換算后約為152.89 rad/s。實(shí)驗(yàn)風(fēng)道內(nèi)的流體的運(yùn)動(dòng)形式為常溫下的湍流運(yùn)動(dòng)，定義氣體為基于理想氣體模型的可壓縮流體。

求解器類(lèi)型選擇基于壓力求解器，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型模擬氣體流動(dòng)，開(kāi)啟能量方程，速度與壓力的耦合方法基于SIMPLE 算法。

最后，經(jīng)過(guò)對(duì)網(wǎng)格密度、湍流模型、邊界條件等無(wú)關(guān)性檢測(cè)后，完成流場(chǎng)計(jì)算。

3 結(jié)果和對(duì)比

3.1 測(cè)試平臺(tái)的流場(chǎng)分布情況

圖4 為測(cè)試平臺(tái)內(nèi)流場(chǎng)的三維速度流線(xiàn)圖。

圖4 風(fēng)速流線(xiàn)分布

基于后處理軟件CFD-post 提取了圖3 (a)中測(cè)試位置截面的模擬結(jié)果，并將其與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。表3 和表4 分別是吸風(fēng)口和出風(fēng)口截面的風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)于表3 和表4 的結(jié)果，吸風(fēng)口和出風(fēng)口截面中心位置的模擬風(fēng)速遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)風(fēng)速，原因可能是計(jì)算模型未充分考慮風(fēng)機(jī)中心位置的流場(chǎng)。

表3 吸風(fēng)口測(cè)點(diǎn)X-Y坐標(biāo)與風(fēng)速結(jié)果(m/s)

表4 出風(fēng)口測(cè)點(diǎn)X-Y 坐標(biāo)與風(fēng)速結(jié)果(m/s)

3.2 被測(cè)試風(fēng)機(jī)的性能結(jié)果對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算被測(cè)試風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表5 和表6。

表5 七號(hào)被測(cè)試風(fēng)機(jī)參數(shù)的仿真值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

表6 錐形管附近截面的風(fēng)壓結(jié)果對(duì)比

風(fēng)速、風(fēng)壓和風(fēng)量的對(duì)比表明，仿真值均比實(shí)測(cè)值偏大。在錐形管附近測(cè)試面，邊緣風(fēng)壓值的明顯大于中心位置，整體高出200 Pa。出風(fēng)口風(fēng)速相差為9%，吸風(fēng)口風(fēng)速相差46.4%，這是因?yàn)閿?shù)值模擬中對(duì)計(jì)算模型簡(jiǎn)化時(shí)去掉了風(fēng)機(jī)性能測(cè)試臺(tái)的進(jìn)口導(dǎo)風(fēng)板，而直接將葉輪入口作為吸風(fēng)口面，實(shí)際上葉輪入口直徑遠(yuǎn)小于導(dǎo)風(fēng)板直徑。

4 結(jié)論

測(cè)試與仿真對(duì)比結(jié)果表明：盡管出風(fēng)口的實(shí)驗(yàn)值和仿真值吻合較好，但是仿真結(jié)果在數(shù)值上高于測(cè)量結(jié)果，特別是入口處負(fù)壓區(qū)數(shù)值近似為實(shí)驗(yàn)值的一倍。這說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的離心風(fēng)機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試能力能夠彌補(bǔ)仿真上的不足，因此可以結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，更好地進(jìn)行速凍設(shè)備用新型風(fēng)機(jī)的研制。