能源研宄与信息发电机冷却离心风机的三维数值分析胡磊，叶增明（上海理工大学动力工程学院，上海200093）整机内部流场进行了数值模拟，揭示了其内部流场的基本特征，重点探讨了在数值模拟过程中各种网格的优缺点及构建整台离心风机的几何实体和划分网格中的一些技巧。通过对数值计算结果然后处理，可以比较直观地得到风扇内部流动的一些重要特点，为进一步对风扇进行优化设计提供指导。

　　当前，随着CFD（计算流体力学）技术的日臻完善和计算机硬件的飞速发展，CFD技术己经成为和试验研究、理论分析并存的流体力学三大研究手段之一。本文借助CFD商业软件Fluent对一离心风机在设计工况下进行了内部流场整机全三维黏性定常计算，捕捉到了离心风机内部一些重要的流动现象，证实了由于蜗壳的非对称性和叶轮与蜗壳的相互作用会引起整个流场非对称性的流动特性。

　　本文中的离心风机来源于上海汽轮发电机有限公司与上海理工大学的一个合作项目。由于该风机受到了许多结构因素的限制，导致其形状的独特性。根据一元流动理论计算得到的风机参数如表1所说。

　　表1元流动理论计算得到的风机参数转速w叶轮出口叶轮进口叶片叶片出叶片进口叶片出口滑差叶片厚直径认/m直径A/m数Z口角Aa角Aa宽度办i/m宽度h/m系数r度3/m 1数值计算计算旋转叶轮机械是Fluent的一个重要功能，并产生了很多经典的算例。目前主要有两种处理方法：①从Fluent的前处理软件Gambit开始，就利用其透平模块进行实体建模和网格划分，结束后导入Fluent进行计算；②根据分区分块的思想，将旋转机械分为若干个区域。例如对本文的离心风机而言，把风机分为进口区域、叶轮区域和蜗壳区域，对于各个区域分别利用三维建模软件（如Pro-e等）进行建模或者对其整体进行实体建模，然后再导入Gambit进行网格划分，*后再导入Fluent进行计算。本文采取的是第二种方法，划分结果如。

　　在用Pro-e进行实体建模然后导入Gambit进行网格划分时，会产生很多的碎点或碎线，在进行网格划分以前一定要将这些碎点和碎线进行合理的处理：对于碎点，可以将其删除，如果在线或面上则可以将其吸收掉；对于碎线，可以将其删除，如果在其他面上，可以用面合并的命令将其吸收掉。碎点和碎线如果不进行妥当的处理，会对以后的网格划分产生很大的影响，甚至导致网格划分无法进行。建议在进行实体建模过程中，可以将精度调低一些，同时，在将创建好的实体导入Gambit时，一定要选择不允许孤立的点，线，面产生的选项来*大限度的避免这些碎点和碎线的产生。

　　整机网格分布图计算网格质量的好坏是决定一个数值计算成功与否的关键因素之一。网格划分的时间大约要占到整个数值计算的60%80%，所以划分网格在数值计算中的重要地位勿庸置疑。在本文中采用的是分区分块的思想，对每一个区域生成的都是结构化/非结构化混和网格。三维结构化网格单元的形状一般为六面体单元，而非结构化网格单元一般为非六面体单元，如四面体、锲形体等等。一般来说非六面体单元相对于六面体单元来说计算的精度要差一些，但它对复杂外形的适应能力却比后者明显要强。

　　对于本文中的离心风机而言，其几何结构较为复杂。虽然己经把其分区分块构建实体然后进行网格划分，但是，强行用六面体结构化网格来进行网格划分，效果并不理想，得到的网格质量相对比较差；如果用纯粹的四面体网格进行划分，得到的网格质量更差；相比较而言，用六面体和锲形混和网格进行划分得到的网格质量*好。

　　各个区域分别划分完毕之后，需要将这些区域耦合起来，这个问题处理的好坏直接影响到后续计算能否顺利进行。Fluent对这一问题有两种处理方式：**，将这些连接面在Gambit中设定为interior面，采用这种解决方法的优点是到Fluent中进行边界设置时不需再进行更进一步的操作，缺点是它要求连接的区域必须共用这个连接面，而且连接的两个区域内的网格必须一致；第二，将这些连接面在Gambit中设定为interface面，米用这种方法需要在Fluent的边界设置时将连接区域进行数据交换的设置，优点是它不要求连接的区域一定要共用这个面，而且两边区域的网格可以不一致。

　　Fluent的前处理软件Gambit提供了功能强大的网格质量检查工具，其中包括等角度扭曲率检查，网格长比例检查等等。目前比较公认的衡量网格质量好坏的*重要和*直接的系数就是等角度扭曲率。其定义如下：的四面体以及六面体中各边的夹角。

　　显然，0EAS的范围在1之间，值越小，表明网格质量越好；反之，则表明越差。尤其值得指出的是，对于六面体网格而言，其值不宜超过0.9；对于四面体网格而言，其值不宜超过0.85，否则容易产生退化的网格，从而出现负的体积导致后来计算失真。

　　Gambit虽然是一个功能比较强大的网格划分软件包，但是，若想更进一步提高网格质量，则需要在Fluent里面进行网格自适应的操作，以此来弥补Gambit的一些不足。Fluent提供的自适应包括体积自适应、曲率自适应、边界自适应、等值自适应等等。网格自适应需要建立在对己有的网格划分己经比较完善的基础之上，然后根据初步计算的结果才可以进行合理的自适应操作，对这一问题在此不再赘述。

　　在本文计算中米用三维雷诺平均守恒形Navier-Stokes方程，揣流模型选取标准两方程模型，壁面附近采用标准壁面函数。计算方法采用分离隐式方法，湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用二阶迎风格式离散；压力一速度耦合采用SIMPLEC算法。

　　采用多重旋转坐标系的方法定义叶轮区域为旋转区域，其余区域为静止区域；坐标系原点位于蜗壳后盖板中心，Z轴指向进风口；叶片表面，后盘外表面为旋转壁面，旋转壁面和静止壁面均满足无滑移条件；进口边界条件根据风机的设计流量设定为速度进口边界条件，出口边界条件为压力出口边界条件。

　　2结果分析为Z=0.02m截面处的速度和全压云图，此图为*能完全反映整个离心风机流道内流动情况的截面之一；为Z=0.005m截面处的速度和全压云图，此截面为靠近蜗壳后盘的径向截面，可比较真实的反映蜗壳后盘附近的流动情况；为Z=0.05m截面处的速度和全压云图，此截面为靠近蜗壳前盘的径向截面，可比较真实的反映蜗壳前盘附近的流动情况。

　　对比中的速度云图可以看出：从整体上看，流场的速度分布呈现明显的非轴对称性，这种流动的非轴对称性是由于蜗壳结构的非轴对称性引起的；尽管叶轮结构具有轴对称性，但不同工作位置的叶片流道的流动情况却完全不同，这表明了风机中各元件之间是相互影（a）速度云图Z=0.02m截面处的速度和全压云图（a）速度云图（b）全压云图Z=0.005m截面处的速度和全压云图Z=0.05m截面处的速度和全压云图响的。靠近蜗壳前盘和后盘的区域，流动变化情况明显没有与叶轮直接相连接的区域（如的截面）剧烈，流动较为平稳。其中靠近蜗壳后盘部分，明显存在几个较大的漩涡区，从而造成比较严重的流动损失，这证明蜗壳的设计还有进一步优化的必要。

　　对比中的压力云图可以看出：压力的分布规律沿轴向变化剧烈，靠近蜗壳前后盘的区域流动较为平稳，而且压力较低；在中明显看出压力在蜗壳区域并不是沿流动方向严格递减的，呈现一定的脉动迹象并有很多漩涡产生，这表明蜗壳在将动压收集转化为静压的过程中，效率比较低，元件之间的干扰较为严重。蜗舌部分的流动情况*为恶劣，并存在回流、分离流等情况，从而造成较大的流动损失；蜗壳出口处的压力分布极为不均匀，这与此风机的结构有密切关系。

　　3结束语本文设计的风机为发电机冷却用离心风机，由于发电机集电环结构的要求需要此风机有较大的轮径比，叶片的宽度、风机整体的径向和轴向尺寸也有限制，其主要目的是要求其在设计工况下的流量和全压升能达到要求，在一元理论设计过程中有些条件要做出让步，从而导致了此风机的效率不是太高，但主要目的还是达到了。三维数值模拟的结果也证实了以上结论，同时也说明数值模拟的确也可以作为研究风机性能和流动情况的一种可靠和重要的手段。