排風(fēng)機的物理模型

某600 MW 機組配套的兩級動葉可調(diào)軸流一次風(fēng)機，流體計算域包括從集流器到擴壓器的內(nèi)部通道，固體計算部分為葉輪葉片部分。因此借助流固耦合的方法對導(dǎo)葉數(shù)目變化后風(fēng)機葉片的靜力結(jié)構(gòu)及振動進行研究具有重要的現(xiàn)實意義和工程價值。原風(fēng)機每級導(dǎo)葉數(shù)目為23 片，改造方案圍繞導(dǎo)葉數(shù)目進行。風(fēng)機動葉片和導(dǎo)葉片數(shù)目通常是互質(zhì)的，可以減少上游氣流對下游的沖擊，減少氣流脈動及噪聲。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)機軸向可以分區(qū)的結(jié)構(gòu)特點，排風(fēng)機采用分區(qū)法將流體計算區(qū)域劃分為集流器區(qū)、第1級動葉區(qū)、第1級導(dǎo)葉區(qū)、第二級動葉區(qū)、第二級導(dǎo)葉區(qū)和擴壓器等6 個部分，因為動葉區(qū)內(nèi)流動較復(fù)雜，故采用尺寸函數(shù)對動葉區(qū)進行加密，而其他區(qū)域采用較為稀疏的網(wǎng)格。在模擬中進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，排風(fēng)機分別采用260 萬、380 萬、560 萬和820 萬等網(wǎng)格數(shù)對風(fēng)機氣動性能進行計算，在保證較好的計算精度和計算成本的前提下，確定網(wǎng)格數(shù)為560 萬，在此網(wǎng)格數(shù)下時間成本和模擬精度好。運動方程為三維定常雷諾時均N-S 方程，采用可有效解決旋轉(zhuǎn)運動和二次流的Ｒealizable k － ε 湍流模型，排風(fēng)機的動葉區(qū)采用多重參考系模型。在數(shù)值模擬中，以集流器入口和擴壓器的出口作為整個計算域進出口，邊界條件為進口速度和自由流出。進出口流量殘差小于10 － 5，各方向的速度及k、ε 等參數(shù)的殘差小于10 － 4，認為當前計算達到收斂要求。

本文以方案中排風(fēng)機的定子葉片為例進行了詳細設(shè)計，優(yōu)化了S1流面葉型，排風(fēng)機采用三維葉片技術(shù)改善了定子葉柵內(nèi)的流動。通過三維數(shù)值模擬，對S2流面設(shè)計中的損失和滯后角模型進行了標定，為葉片三維建模提供了依據(jù)。一級葉輪的振動與電機的振動相似，主要是由復(fù)雜流場的氣動力和風(fēng)機基頻的四、五倍頻率振動引起的。通過與初步三維設(shè)計結(jié)果的比較，兩種設(shè)計方案的氣動參數(shù)徑向分布一致，證實了排風(fēng)機設(shè)計過程中S2流面設(shè)計的準確性和可靠性。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，但通過三維CFD的修正，s2的設(shè)計趨勢預(yù)測了葉尖泄漏流對氣動參數(shù)徑向分布的影響；bec在高負荷下，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。預(yù)測結(jié)果略有不同（圖中橙色虛線圈所示的區(qū)域）。排風(fēng)機利用一條非均勻有理B-sline曲線來描述由四個控制點（紅點）控制的曲線，包括前緣點和后緣點。葉片體由四條非均勻曲面、兩個吸力面和兩個壓力面組成，同時與較大切圓（灰圓）和前緣后緣橢圓弧相切。利用MIT MISES程序?qū)1型拖纜葉片進行了流場分析。采用B-L（Baldwin-Lomax）湍流模型和AGS（Abu-Ghamman-Shaw）旁路過渡模型描述了過渡過程。

GAMBIT軟件用于排風(fēng)機模型建立和網(wǎng)格生成。考慮到排風(fēng)機葉片翼型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和頂部區(qū)域的三維流動，首先選擇三角形網(wǎng)格劃分葉片頂部，并利用尺寸函數(shù)對網(wǎng)格進行細化，以保證排風(fēng)機網(wǎng)格質(zhì)量。采用軸流風(fēng)機對儲糧進行降溫實驗，達到通風(fēng)降溫的目的，實現(xiàn)儲糧的節(jié)能、環(huán)保和安全儲糧。其它區(qū)域的網(wǎng)格劃分為動葉區(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)格獨立性，對原風(fēng)機在216萬、245萬、286萬和337萬網(wǎng)格條件下的性能進行了模擬。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，337萬和286萬網(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)。這個數(shù)字是286萬。其中動葉面積198萬片，集熱器、導(dǎo)葉面積和擴壓管網(wǎng)格數(shù)分別為30萬片、26萬片和32萬片。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)果與參考文獻中的排風(fēng)機性能進行了比較。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誤差分別為3.0%和1.5%，表明結(jié)果能夠反映風(fēng)機的實際性能。