清掃車專用風機內流仿真分析與優化設計

     針對某型號清掃車能耗高、 噪聲大的問題， 以清掃車主要能耗源和噪聲源的風機作為研究對象， 對清掃車專用風機進行三維數值仿真分析。 使用 Fluent 軟件并采用 RNGk-ε 湍流模型和多重坐標系（MRF ） 法進行求解， 對比分析原始結構和改進結構在額定工況下流場特征。結果表明， 改進結構的葉輪內部流場 “射流—尾流” 結構明顯減弱， 渦耗散和渦量減小， 流場更均勻， 風機噪聲大幅度降低， 效率明顯提高， 實現了 “節能、 降噪” 目的。同時 Fluent 軟件的仿真模擬可以很好地指導工程實踐， 也可以替代某些試驗， 極大地縮短了研發周期。
關鍵詞： 清掃車； 專用離心風機； 分離流動； 渦耗散； 渦量

    隨著中國經濟的快速發展和城市對環境衛生質量要求的不斷提高， 各地環衛部門加快了提高城市道路清掃作業機械化程度的步伐， 清掃車作為新一代路面作業清潔工具， 其應用范圍越來越廣泛。清掃車專用風機是清掃車氣力系統的關鍵零部件、 動力源和主要噪聲源， 其氣動及噪聲特性對清掃車整車作業性能具有重要的影響。因此， 開展清掃車專用風機的氣動特性分析是清掃車技術領域中亟待探索的關鍵研究方向。
2 清掃車專用風機的改進開發
    目前， 清掃車專用風機大多為前向離心風機。前向離心風機由于其葉片出口角和葉片曲率較大的結構特點， 內流流動特征十分復雜。尤其是在葉輪流道末端， 前向離心風機常常易出現強烈的 “射流—尾流” 結構 [1-3] 、 分離流動以及漩渦流等。這些流動往往是能量損失、 振動和噪聲的重要來源 [4-5] 。 而后向離心風機中， 這些不利流動一般可以得到減弱甚至消除。因此， 探索用后向葉片代替前向葉片來減小流動損失和氣動噪聲， 是提高清掃車產品性能的可嘗試途徑。
3 數值計算方法
3.1 幾何結構及網格
    研究的某型號清掃車專用風機為前向離心風機（原始結構 ） ， 葉輪主要結構， 如圖 1 所示。優化改進后的風機為后向離心風機 （改進結構 ） ， 葉輪主要結構， 如圖 2 所示。

     在優化過程中， 葉輪前盤、 后盤形狀和葉輪出口寬度保持不變， 葉片型線由前向改為后向。
    采用三維建模軟件進行實體建模，運用 ICEM 軟件劃分網格。在劃分網格時， 考慮到專用風機結構的復雜性以及網格的生成質量， 將整個石家莊風機計算域分為進口延長段、 葉輪、 間隙區域、 蝸殼和出口延長段五個部分， 為適應專用風機內部結構的復雜性， 采用多塊網格生成方法生成高質量網格。 考慮到不同流動區域的不同重要性，對葉輪內部和蝸舌壁面附近的網格節點進行了加密控制。 為了避免網格數量對數值預估精度的影響， 劃分網格時， 對網格進行無關性處理。
    將在 ICEM 中建立的三維網格模型以.msh 的文件格式輸出， 然后導入到 Fluent 軟件中進行計算求解。
3.2 控制方程
    專用風機的內部流動是三維粘性不可壓縮流動，遵循物理守恒定律， 控制方程包括質量守恒方程、 動量守恒方程以及湍流輸運方程。

    采用 RNGk-ε 湍流模型， 該模型通過對湍流粘性進行修正，考慮了旋轉及曲率效應對流動的影響， 與標準 k-ε 模型相比可以較好的處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。
3.3 邊界條件與初始條件
    計算時采用 “多重坐標系” （MRF ） 模型耦合動靜部分區域，即葉輪區域為旋轉區域， 采用旋轉坐標系， 流體給定相應的旋轉速度； 其余區域為靜止區域， 采用靜止坐標系。 定義所有的葉片表面， 前、 后盤面為旋轉壁面， 給定相應的旋轉速度； 蝸殼內壁面為靜止壁面； 旋轉壁面和靜止壁面均滿足無滑移邊界條件。定義進口延長段的進口截面為整個計算域的進口， 出口延長段的出口截面為整個計算域的出口。風機進口處給定速度進口邊界條件， 出口處給定壓力出口邊界條件； 進、 出口處的湍流邊界給定水力直徑和湍流強度 I。湍流強度 I 計算公式為:式中： R eH —根據水力直徑計算出來的雷諾數。近壁面處理采用Launder 和 Spalding 提出的標準壁面函數 [6] 。