排風(fēng)機(jī)的物理模型

某600 MW 機(jī)組配套的兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)，流體計(jì)算域包括從集流器到擴(kuò)壓器的內(nèi)部通道，固體計(jì)算部分為葉輪葉片部分。因此借助流固耦合的方法對(duì)導(dǎo)葉數(shù)目變化后風(fēng)機(jī)葉片的靜力結(jié)構(gòu)及振動(dòng)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。原風(fēng)機(jī)每級(jí)導(dǎo)葉數(shù)目為23 片，改造方案圍繞導(dǎo)葉數(shù)目進(jìn)行。風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片和導(dǎo)葉片數(shù)目通常是互質(zhì)的，可以減少上游氣流對(duì)下游的沖擊，減少氣流脈動(dòng)及噪聲。改造方案成組減少或者增加導(dǎo)葉片，其中導(dǎo)葉數(shù)目減少為方案一至方案三，導(dǎo)葉數(shù)目增加為方案四至方案六。基于軸流風(fēng)機(jī)軸向可以分區(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，排風(fēng)機(jī)采用分區(qū)法將流體計(jì)算區(qū)域劃分為集流器區(qū)、第1級(jí)動(dòng)葉區(qū)、第1級(jí)導(dǎo)葉區(qū)、第二級(jí)動(dòng)葉區(qū)、第二級(jí)導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓器等6 個(gè)部分，因?yàn)閯?dòng)葉區(qū)內(nèi)流動(dòng)較復(fù)雜，故采用尺寸函數(shù)對(duì)動(dòng)葉區(qū)進(jìn)行加密，而其他區(qū)域采用較為稀疏的網(wǎng)格。在模擬中進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，排風(fēng)機(jī)分別采用260 萬(wàn)、380 萬(wàn)、560 萬(wàn)和820 萬(wàn)等網(wǎng)格數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算，在保證較好的計(jì)算精度和計(jì)算成本的前提下，確定網(wǎng)格數(shù)為560 萬(wàn)，在此網(wǎng)格數(shù)下時(shí)間成本和模擬精度好。運(yùn)動(dòng)方程為三維定常雷諾時(shí)均N-S 方程，采用可有效解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和二次流的Ｒealizable k － ε 湍流模型，排風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉區(qū)采用多重參考系模型。在數(shù)值模擬中，以集流器入口和擴(kuò)壓器的出口作為整個(gè)計(jì)算域進(jìn)出口，邊界條件為進(jìn)口速度和自由流出。進(jìn)出口流量殘差小于10 － 5，各方向的速度及k、ε 等參數(shù)的殘差小于10 － 4，認(rèn)為當(dāng)前計(jì)算達(dá)到收斂要求。

本文以方案中排風(fēng)機(jī)的定子葉片為例進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了S1流面葉型，排風(fēng)機(jī)采用三維葉片技術(shù)改善了定子葉柵內(nèi)的流動(dòng)。通過(guò)三維數(shù)值模擬，對(duì)S2流面設(shè)計(jì)中的損失和滯后角模型進(jìn)行了標(biāo)定，為葉片三維建模提供了依據(jù)。一級(jí)葉輪的振動(dòng)與電機(jī)的振動(dòng)相似，主要是由復(fù)雜流場(chǎng)的氣動(dòng)力和風(fēng)機(jī)基頻的四、五倍頻率振動(dòng)引起的。通過(guò)與初步三維設(shè)計(jì)結(jié)果的比較，兩種設(shè)計(jì)方案的氣動(dòng)參數(shù)徑向分布一致，證實(shí)了排風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中S2流面設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。由于葉尖泄漏流的存在，葉尖壓力比與氣流角（圖中灰色虛擬線圈所示的面積）之間存在一定的偏差，但通過(guò)三維CFD的修正，s2的設(shè)計(jì)趨勢(shì)預(yù)測(cè)了葉尖泄漏流對(duì)氣動(dòng)參數(shù)徑向分布的影響；bec在高負(fù)荷下，定子根部出現(xiàn)了氣流分離現(xiàn)象，導(dǎo)致了出口氣流角和S2設(shè)置的初步三維設(shè)計(jì)。預(yù)測(cè)結(jié)果略有不同（圖中橙色虛線圈所示的區(qū)域）。排風(fēng)機(jī)利用一條非均勻有理B-sline曲線來(lái)描述由四個(gè)控制點(diǎn)（紅點(diǎn)）控制的曲線，包括前緣點(diǎn)和后緣點(diǎn)。葉片體由四條非均勻曲面、兩個(gè)吸力面和兩個(gè)壓力面組成，同時(shí)與較大切圓（灰圓）和前緣后緣橢圓弧相切。利用MIT MISES程序?qū)1型拖纜葉片進(jìn)行了流場(chǎng)分析。采用B-L（Baldwin-Lomax）湍流模型和AGS（Abu-Ghamman-Shaw）旁路過(guò)渡模型描述了過(guò)渡過(guò)程。

GAMBIT軟件用于排風(fēng)機(jī)模型建立和網(wǎng)格生成?？紤]到排風(fēng)機(jī)葉片翼型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和頂部區(qū)域的三維流動(dòng)，首先選擇三角形網(wǎng)格劃分葉片頂部，并利用尺寸函數(shù)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以保證排風(fēng)機(jī)網(wǎng)格質(zhì)量。采用軸流風(fēng)機(jī)對(duì)儲(chǔ)糧進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，達(dá)到通風(fēng)降溫的目的，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)糧的節(jié)能、環(huán)保和安全儲(chǔ)糧。其它區(qū)域的網(wǎng)格劃分為動(dòng)葉區(qū)域網(wǎng)格作為參考，采用結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格。為了保證精度和網(wǎng)格獨(dú)立性，對(duì)原風(fēng)機(jī)在216萬(wàn)、245萬(wàn)、286萬(wàn)和337萬(wàn)網(wǎng)格條件下的性能進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，總壓和效率逐漸接近樣本值，337萬(wàn)和286萬(wàn)網(wǎng)格的總壓和效率偏差分別為0.085%和0.024%。綜合模擬精度和網(wǎng)格數(shù)確定了所用的總網(wǎng)格數(shù)。這個(gè)數(shù)字是286萬(wàn)。其中動(dòng)葉面積198萬(wàn)片，集熱器、導(dǎo)葉面積和擴(kuò)壓管網(wǎng)格數(shù)分別為30萬(wàn)片、26萬(wàn)片和32萬(wàn)片。在模擬葉尖間隙形狀的變化之前，將原始風(fēng)扇的模擬結(jié)果與參考文獻(xiàn)中的排風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在33.31-46.63m3_s-1流量范圍內(nèi)，總壓和效率的平均相對(duì)誤差分別為3.0%和1.5%，表明結(jié)果能夠反映風(fēng)機(jī)的實(shí)際性能。