1物理模型与计算方法
1)物理模型。以4－72离心通风机为研究对象，风机模型由5个基本部件组成:进气风筒、集流器、叶轮、蜗壳和扩散器。叶轮由10个后倾翼型叶片、曲线形前盘和平板式后盘组成。蜗壳采用等边基元。计算模型风机叶轮直径=500mm。在三维建模软件SolidWorks中完成风机通流部件空间流场的实体几何模型。把建好的几何模型保存为parasolid的格式文件，再导入到前处理模块gambit中进行网格划分。由于集流器、叶轮、蜗壳的几何模型比较复杂，采用三维非结构化网格;进气风筒和扩散器的几何模型比较简单，采用三维结构化网格。由于叶轮和蜗壳的几何模型比较复杂，并且是风机最重要的通流部件，因此画的网格比较密。对于叶轮复杂的表面(例如叶片表面、叶轮的前盖等)，先对其边画网格，然后对面画网格，最后对体进行网格划分。在数值模拟计算过程中进行了多次验算，发现计算模型的网格数超过150万时，每次计算的结果都基本一致，全压的误差都在0．4%以内，网格数量对计算结果的影响已经很小。最终划分的计算模型整体网格总数为2039309。2)计算方法与边界条件。数值分析采用的是计算流体动力学软件Fluent。流动控制方程是三维不可压雷偌平均N－S方程。由于风机内部流场的压力较低，计算时认为气流在风机内为不可压缩定常流动，选取空气密度为1．225kg/m3，并忽略气体的重力的影响。离散方程选用分离隐式求解，选择标准k－ε二阶方程湍流模型，同时使用标准壁面函数。用SIMPLEC算法求解控制方程，采用二阶迎风离散格式，设置残差收敛因子为1×10－5。采用MovingＲeferenceFrame简称MＲF(多重坐标系)进行计算分析［7］。把叶轮区域定义为一个角速度为常数的旋转参照系，叶轮作旋转，转速设定为2900r/min。其它流动区域定义为静止参照系。各流体区域的交界面设置为interface类型，流体可以自由通过此边界传递信息。进风管道的入口断面设置为速度进口边界，在该断面上通过给定均匀的气流速度来确定风机的风量;风机扩散器出口断面设定为压力边界条件，该处的大气压力为标准大气压101325Pa。
2计算结果与分析
选取风机流量Q=8855、9928、11902、13255、14328m3/h，进行模拟计算，其中流量Q=11902m3/h为该风机的设计工况点。通过在不同工况点下的数值模拟计算，可以得到风机入口截面的静压、入口截面的动压以及出口截面的静压、出口截面的动压，由此可以计算出风机所产生的全压。
2．1风机蜗壳出口气流分布
图2为设计工况条件下，风机蜗壳内部气流流动的流线图。可以看出，由于叶轮出口宽度大大小于蜗壳流道的宽度，气流流出叶轮后向蜗壳一侧偏转，呈螺旋状在蜗壳流道内流动。这使得蜗壳出口断面上气流速度的幅值和方向都非常不均匀。图3为从2个不同方向上绘出的蜗壳出口断面气流速度分布矢量图。可以看出，在设计工况条件下，蜗壳出口断面上一大部分气流的速度方向是偏向叶轮旋转方向的，这正是平面扩散器要设计成朝叶轮旋转方向扩散的理由。
2．2非均匀入口条件下扩散器性能比较
对于抽出式通风系统，大部分扩散器是直接安装在风机蜗壳出口处。此时，扩散器入口的气流分布式不均匀的。由上述数值计算得到的蜗壳出口气流速度和扩散器进、出口断面上的平均静压，可由式(3)计算得到扩散器的压力恢复系数。重点计算了扩散比n=3时，不同扩散角度条件下2种扩散器的压力系数变化情况。图4为扩散比n=3时，2种锥形扩散器的压力恢复系数随扩散角变化的情况。图4中的横坐标数值对平面扩散器是α，对锥形扩散器则是2θ。这是因为锥形扩散器内部流动是沿4个壁面扩散的，而平面扩散器只沿1个方向扩散。由图1可知，在扩散比相同的条件下，平面扩散器的扩散角度α应是锥形扩散器的扩散角度θ的2倍。由式(5)知，扩散比n=3时，扩散器的理论压力恢复系数Cpi=1－(1/3)2=0．8889。数值计算结果表明，当扩散角度α(2θ)=10°～25°时，平面扩散器的压力恢复系数Cp=0．77～0．69;而锥形扩散器Cp=0．74～0．64。总体上看，2种扩散器均有较好的扩散性能，平面扩散器略优于锥形扩散器。当扩散角度α(2θ)＞25°时，2种扩散器的性能都开始明显下降，平面扩散器性能的下降尤为突出。这是由于平面扩散器的扩散方向只有1个，扩散角度过大时，扩散壁面上气流很容易发生边界层分离脱流，形成漩涡，使得扩散性能急剧下降。在这里应当指出的是，在扩散比相同、扩散器角度角度α=2θ条件下，锥形扩散器的体积均比平面扩散器约小30%。显然，在扩散性能基本相同条件下，平面扩散器的基建投资明显要大于锥形扩散器。
2．3非均匀入口条件下扩散器性能比较
实际应用中，有些抽出式通风系统的扩散器并不直接安装在蜗壳出口处，而是经过一些辅助管道后再安装扩散器，例如矿井通风系统的反风装置。图5为扩散比n=3时，均匀气流入口条件下，2种扩散器的压力恢复系数随扩散角度变化情况。很明显，平面扩散器的扩散性能大大低于锥形扩散器。这表明，平面扩散器只适用于直接安装于风机蜗壳出口断面的场合。
3结语
合理选择扩散器设计参数，能够有效地回收风机出口能量损失，提高通风系统运行效率。平面扩散器直接安装在风机蜗壳出口处，在扩散角度α=20～25°条件下，具有较好的扩散性能。锥形扩散器的特点是其内部气流的流动是沿四周均匀扩散的，如果其扩散角度θ=10°～12．5°，也具有很好的扩散性能。在扩散效果相当的情况下，锥形扩散器的基建投资明显小于平面扩散器。由于平面扩散器结构是针对离心式通风机出口速度场分布特点设计的，故其仅适用于直接安装在风机蜗壳出口的场合。在一般风道上使用平面扩散器，其扩散性能可能会急剧恶化。
作者：潘地林 程凯 杨春鱼 单位：安徽理工大学
