离心风机设计及数值模拟研究.pdf

离心风机设计及数值模拟研究
(申请清华大学工学硕士学位论文)

培 养 单 位 ： 热能工程系
学 科 ： 动力工程及工程热物理
研 究 生 ： 屈万世
指 导 教 师 ： 曹树良: 教 授



二○一七年五月
Design and Numerical Investigation of a
Centrifugal Fan
Thesis Submitted to
Tsinghua University
in partial fulfillment of the requirement
for the degree of
Master of Science
in
Power Engineering and Engineering
Thermophysics
by
Qu Wanshi
Thesis Supervisor : Professor Cao Shuliang


May, 2017
摘 要
摘 要
离心风机作为一种通用机械设备，在国民经济的各领域中有着很广泛的应用，
每年也消耗着大量的能源。在设计过程中，提高风机的做功能力和效率，扩大其高
效运行的流量范围，对于节能降耗有着重要的意义。通常风机内部为复杂的三维非
定常湍流流动，其流场形态的好坏对于离心风机特性都有着重要的影响。借助 CFD
技术，深入分析离心风机内的流动状况，探究各设计参数对风机性能的影响，对于
认识流体机械内部流动机理、设计出更高性能的风机，是一条重要而有效的途径。
本文首先设计了一组三维叶片离心风机，并与传设计方法设计出的二维叶片
风机进行了性能对比，发现三维叶片的风机在全流量下全压和效率均有显著优势。
其中设计流量下，三维叶片风机全压高出 204Pa，效率高出 %，且整体高效区
更宽。三维叶片风机蜗壳出口处扩压效果更好，而二维叶片风机叶轮出口径向速度
较大，导致蜗壳扩散段内靠近隔舌的一侧壁面发生流动分离，影响了风机性能。
针对三个不同流量（Q0、、）下，三维叶片风机的内部流动进行
了非定常数值模拟，通过流场可视化和 FFT 方法，分析了叶轮和蜗壳流道内不同
位置的速度和压力分布情况，并重点讨论了蜗壳隔舌区的流动状况。研究发现，设
计流量下风机流道内等压线分布较均匀，压力和流速随时间变化很小，因而性能较
好；小流量下循环流增强，且部分叶片流道内入口处有涡出现，导致叶片入口处压
力脉动较大，并形成局部死区阻塞了流道；大流量下，叶轮出口处流速的径向分量
更大，导致在蜗壳扩散段内、隔舌下游位置出现了流动分离。
此外，分别探究了不同流量下，蜗壳宽度、流道形状以及叶轮与蜗壳间的径向
间隙对离心风机气动性能的影响。发现风机蜗壳宽度的最优设计，应保证流量和流
通面积的匹配。用挡板隔去蜗壳流道内容易造成旋涡和流动死区的部分流域，发现
风机全压变化不大，而设计流量和大流量下的效率有明显提高，高效区变宽。改变
叶轮出口与隔舌间的径向间隙，对比发现在偏离工况下，间隙较大的风机效率更高；
全压随时间变化曲线更平缓。不同间隙的风机全压峰值的相位差与各自隔舌角度
恰好对应，说明隔舌与叶轮间的相互作用，是引起全压周期性波动的主要原因。

关键词：离心风机；三维叶片设计；蜗壳优化；数值模拟

I
Abstrac