Fluent仿真实例｜稳态MRF方法在模拟离心风机中的有效性

上海安世亚太公司

通过一个后倾离心风机的流动实例，Fluent得到了验证。该实例对其流动范围进行了研究。与现有的试验数据相比，稳态多重参考系(MRF)模型和realizable k-e湍流模型可以适当地捕捉风机的几个性能特征。

因此，入口-转子域采用运动参考系模型（恒转速）建模，而假定外壳域为静止状态。采用了realizable k-e湍流模型模拟湍流效应。假设工作流体（空气）是不可压缩的，具有固定属性（密度=0.075 lbm/ft3，黏度=1.2×10-5 lb/ft-s)。

通过使用二阶离散化方程和标准的SIMPLE压力-速度耦合方案以进行求解。风机几何如图1所示。它由前盘和后盘、15个叶片和蜗壳板组成。转子安装在一个蜗壳中，该蜗壳收集来自转子的流量并通过一个矩形出口排出。入口的集流器也被用来帮助引导气流进入转子，使流动损失最小化。

图1：风机几何

基于GAMBIT建立了离心风机的计算 格。以IGES几何文件的形式获得了风机转子和外壳的几何。这种几何被用作在GAMBIT中构建流域体积的基础。创建的表面 格如图2所示。这被用来生成包含543,028个单元的最终的混合非结构 格，入口-转子域为四面体 格，外壳区域为六面体 格。

图2：使用的表面几何

获得了一系列流量的解，以便生成风机性能数据，并与现有的试验数据进行比较。以下无量纲参数用于表征风机性能：

* 流量系数: Φ = Q/(ND³) 

* 升压系数: Ψ = ?p/(ρN²D²)

* 功率系数: Λ = P/(ρN³D⁵) 

* 效率: η = ΦΨ/Λ

其中Q为通过风机的体积流量，N为风机转速（转/秒），D为转子直径，?p为风机上的升压，P为风机产生的功率，以及ρ为空气密度。通过将风机叶片上的扭矩乘以风机转子的角速度，根据CFD结果计算功率。在图3中，升压系数被绘制为流量系数的函数，且Fluent的预测结果与数据非常吻合。

图3：升压系数 vs. 流量系数

功率系数结果如图4所示。尽管趋势预测正确，但与整个流量范围内的试验数据相比，这些系数预测值过高，最大误差约为12%。

图4：功率系数 vs. 流量系数

效率比较如图5所示，反映了功率系数结果的差异；但对峰值效率点进行了正确预测，且大部分效率值误差均在10%以内。

图5：效率 vs. 流量系数

中等流速下转子和风机外壳上的压力分布如图6所示。在这个图中，可以清楚地看到通过风机的升压情况，以及外壳中的径向压力梯度。

图6：中等流速下的静压等值线

图7显示了在图6所示的中等流速下，从相对速度矢量图上看出，在这种流速以及更高的流速下，流动是相当稳定和均匀的。然而，在较低的流速下（未示出），局部回流区会导致一些叶片通道流动堵塞。在这些条件下，不太适合选用MRF公式对流动进行模拟，而需要使用滑移 格模型进行模拟。