軸流通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒損失的計(jì)算對(duì)比研究

1、軸流通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒損失的計(jì)算對(duì)比研究*馮 進(jìn)/湘潭平安電氣集團(tuán)有限公司 劉桂艷 于德梅/沈陽鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司摘要：對(duì)30個(gè)不同的軸流通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，其擴(kuò)散角覆蓋了2.9º17º較廣泛的范圍，在相應(yīng)的進(jìn)口條件下，按數(shù)值模擬、當(dāng)量直徑和水力直徑3種方法計(jì)算損失。對(duì)比結(jié)果表明：按水力直徑和當(dāng)量直徑計(jì)算的結(jié)果都與數(shù)值結(jié)果不同，擴(kuò)散筒損失的計(jì)算方法以數(shù)值計(jì)算為好。關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機(jī)；擴(kuò)散筒；總壓損失中圖分類號(hào)：TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1006-8155（2008）02-0036-06Research on the Calculation of A

2、nnular Diffuser Losses in Axial-flow FanAbstract: In this paper, 30 different annular diffusers models whose diffusive angles cover from 2.9 to 17 degree are numerically calculated. The three methods of numerical simulation, formulas with hydraulic diameter and equivalent diameter for calculating lo

3、sses are introduced under the relevant inlet condition. The comparison indicates that the calculation result with hydraulic diameter and equivalent diameter is different from numerical result. It is recommended to calculate diffuser losses with numerical calculation method. Key words: axial-flow fan

4、; annular diffuser; total pressure losses 0 引言軸流通風(fēng)機(jī)的出口速度大，一般其出口動(dòng)能占風(fēng)機(jī)全壓的30%以上1，對(duì)于有些流量大而壓力較低的軸流通風(fēng)機(jī)，其出口動(dòng)能占到風(fēng)機(jī)全壓的50左右，因此準(zhǔn)確計(jì)算出擴(kuò)散筒的損失大小，對(duì)設(shè)計(jì)滿足壓力要求的軸流通風(fēng)機(jī)至關(guān)重要。但是，目前計(jì)算擴(kuò)散筒內(nèi)流動(dòng)損失的常用方法是要求擴(kuò)散筒的當(dāng)量擴(kuò)散角度為8º12º，通過假定擴(kuò)散筒效率而進(jìn)行的計(jì)算1-3，這顯然是個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的方法，既不準(zhǔn)確也不通用。文獻(xiàn)4提出將擴(kuò)散筒等效成錐形擴(kuò)散筒，按照水力直徑的變化，計(jì)算錐形擴(kuò)散筒內(nèi)的摩擦流動(dòng)損失和擴(kuò)散損失，并以此思想為基礎(chǔ)，

5、進(jìn)行了風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒最佳擴(kuò)散角的計(jì)算，這也是筆者查閱國(guó)內(nèi)資料所發(fā)現(xiàn)的唯一依據(jù)定量計(jì)算擴(kuò)散筒內(nèi)流動(dòng)損失從而優(yōu)化擴(kuò)散筒尺寸的文獻(xiàn)。但是，對(duì)于同樣一個(gè)風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒，其水力直徑和當(dāng)量直徑很不相同，按同樣的錐形擴(kuò)散筒模型和公式計(jì)算的結(jié)果差別當(dāng)然也很大，那么到底該按水力直徑還是按當(dāng)量直徑計(jì)算，就是一個(gè)很大的問題。因此，很有必要深入研究軸流通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒的損失計(jì)算方法。1 環(huán)形擴(kuò)散筒的幾何形狀和錐形擴(kuò)散筒的損失計(jì)算1.1 環(huán)形擴(kuò)散筒的幾何形狀*基金項(xiàng)目：863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2006AA05Z250）本文其他作者：李景銀/西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院；譚磊/清華大學(xué)熱能工程系收稿日期：2007-09-05 湘潭市 41110

6、0為了簡(jiǎn)化工藝和加工，軸流通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒一般都做成錐形，包括外筒和芯筒（整流體），尺寸如圖1所示。圖1 軸流通風(fēng)機(jī)環(huán)形擴(kuò)散筒幾何尺寸示意圖由于擴(kuò)散筒的通流面積是逐漸擴(kuò)大的，可以將其比擬為錐形擴(kuò)散筒，其尺寸見圖2。圖2 環(huán)形擴(kuò)散筒轉(zhuǎn)換為錐形擴(kuò)散筒的示意圖1.2 錐形擴(kuò)散筒的損失計(jì)算錐形擴(kuò)散筒的流動(dòng)損失包括摩擦損失和擴(kuò)散損失兩部分，對(duì)于同樣一個(gè)擴(kuò)散筒，摩擦損失和擴(kuò)散損失在什么條件下合成最小，是一個(gè)可以優(yōu)化的問題，從而在一定的面積比下，有一個(gè)最優(yōu)的擴(kuò)散角度和相應(yīng)的擴(kuò)散筒長(zhǎng)度。根據(jù)筆者推導(dǎo)和文獻(xiàn)4，兩種損失的表達(dá)式為 （1）式中 為錐形擴(kuò)散筒管道沿程阻力系數(shù)的平均值；為氣體密度，常溫常壓下空氣，=1.2

7、kg/m3；為錐形擴(kuò)散筒管道進(jìn)口的氣流速度；n為擴(kuò)大面積比。擴(kuò)散損失包括漸擴(kuò)損失和突擴(kuò)損失，突擴(kuò)損失不予考慮，所以有： （2）式中 為漸擴(kuò)損失的局部阻力系數(shù)，是擴(kuò)散角的函數(shù)。所以擴(kuò)散筒總壓力損失的理論計(jì)算公式可表示為 （3）1.3 環(huán)形擴(kuò)散筒的水力直徑和當(dāng)量直徑計(jì)算公式如圖1所示的軸流通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散筒是環(huán)形的，內(nèi)有芯筒，與錐形漸擴(kuò)圓筒(圖2)不同，欲利用式（1）式（3）計(jì)算損失，需定義出相應(yīng)的直徑。從水力直徑的定義出發(fā)，可獲得圓環(huán)形截面的水力直徑為 （4） （5）據(jù)當(dāng)量直徑定義，可獲得圓環(huán)形截面的當(dāng)量直徑為 (6) (7)由公式可見，對(duì)于同樣的軸流通風(fēng)機(jī)環(huán)形擴(kuò)散筒，水力和當(dāng)量這兩種直徑的計(jì)算結(jié)果將

8、截然不同。2 數(shù)值模擬方法 采用流場(chǎng)計(jì)算軟件Fluent來進(jìn)行環(huán)形擴(kuò)散筒內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算。由于擴(kuò)散筒為空間軸對(duì)稱，所以，只取擴(kuò)散筒的1/12進(jìn)行計(jì)算，也即30°的環(huán)形擴(kuò)散筒，30°兩邊的邊界條件取周期性邊界；擴(kuò)散筒進(jìn)口取速度進(jìn)口條件，出口取outflow邊界條件，外筒和芯筒表面取為壁面。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最終生成的計(jì)算網(wǎng)格見圖3。圖3 擴(kuò)散筒模型網(wǎng)格示意圖3 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析針對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)常用的3種擴(kuò)散筒形式：等外徑、等內(nèi)徑和一般形式，分別進(jìn)行了對(duì)比研究。3.1 等外徑環(huán)形擴(kuò)散筒對(duì)比計(jì)算針對(duì)等外徑環(huán)形擴(kuò)散筒，構(gòu)造了固定進(jìn)出口幾何數(shù)據(jù)只改變擴(kuò)散筒長(zhǎng)度的5個(gè)擴(kuò)散筒，以及固定進(jìn)口和筒

9、的長(zhǎng)度，只改變芯筒直徑的5個(gè)擴(kuò)散筒，進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。固定進(jìn)出口幾何數(shù)據(jù)只改變擴(kuò)散筒長(zhǎng)度的5個(gè)擴(kuò)散筒數(shù)值結(jié)果見表1。表1 改變等外徑擴(kuò)散筒長(zhǎng)度的損失計(jì)算對(duì)比物理量單位第一個(gè)第二個(gè)第三個(gè)第四個(gè)第五個(gè)進(jìn)口外徑Dt1/m（m）11111進(jìn)口內(nèi)徑D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m（m）11111出口內(nèi)徑D2/m（m）0.30.30.30.30.3擴(kuò)散筒長(zhǎng)度L/m（m）2.12.22.32.42.5水力直徑d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力直徑d2/m（m）0.70.70.70.70.7水力擴(kuò)散角度/（ ）（）8.1712347.8009877.4627947.1

10、526696.867261水力計(jì)算損失/Pa(pa)104.84105.8107.03108.49110.13當(dāng)量直徑d1/m（m）0.80.80.80.80.8當(dāng)量直徑d2/m（m）0.9539390.9539390.9539390.9539390.953939當(dāng)量擴(kuò)散角度/（ ）（）4.1981524.0074873.8333813.6737693.526913當(dāng)量計(jì)算損失/Pa (pa)55.7958.0360.2762.5164.75數(shù)值模擬損失/Pa(pa)99.9893.5298.85102.25105.413種方法計(jì)算的損失對(duì)比見圖4。圖4 改變等外徑擴(kuò)散筒長(zhǎng)度的損失對(duì)比圖從表1

11、明顯看出，對(duì)同樣的擴(kuò)散筒而言，其水力和當(dāng)量直徑明顯不同，按水力和當(dāng)量直徑計(jì)算的擴(kuò)散角也不相同。從圖4中看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與水力直徑的計(jì)算結(jié)果比較接近。固定進(jìn)口和擴(kuò)散筒的長(zhǎng)度，只改變出口芯筒直徑的5個(gè)擴(kuò)散筒數(shù)值結(jié)果見表2。表2 改變出口芯筒直徑的等外徑擴(kuò)散筒損失計(jì)算對(duì)比物理量第一個(gè)第二個(gè)第三個(gè)第四個(gè)第五個(gè)進(jìn)口外徑Dt1/m11111進(jìn)口內(nèi)徑D1/m0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m11111出口內(nèi)徑D2/m0.20.250.30.350.4長(zhǎng)度L/m2.32.32.32.32.3水力進(jìn)口直徑d1/m0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m0.80.750.70.650.6

12、水力擴(kuò)散角度/（ ）9.9394818.7021567.4627946.2216814.979106水力計(jì)算損失/Pa122.45112.83107.03104.98106.61當(dāng)量進(jìn)口直徑d1/m0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m0.9797960.9682460.9539390.936750.916515當(dāng)量擴(kuò)散角度/（ ）4.4766544.189343.8333813.4055972.901912當(dāng)量計(jì)算損失/Pa59.7159.9160.2760.8761.83數(shù)值模擬損失/Pa92.5594.6298.86102.661093種方法計(jì)算的損失對(duì)比見圖5。圖5 改變出

13、口芯筒出口直徑的等外徑擴(kuò)散筒損失對(duì)比圖從表1和表2，以及圖4和圖5看出，對(duì)同樣的擴(kuò)散筒而言，按水力直徑和當(dāng)量直徑計(jì)算的擴(kuò)散角不同，計(jì)算的損失也不同，且損失的大小與數(shù)值計(jì)算結(jié)果也不同。3.2 等內(nèi)徑環(huán)形擴(kuò)散筒對(duì)比計(jì)算固定進(jìn)出口尺寸，僅改變擴(kuò)散筒長(zhǎng)度的數(shù)值結(jié)果見表3。表3 改變等內(nèi)徑擴(kuò)散筒長(zhǎng)度的損失計(jì)算對(duì)比物理量單位第一個(gè)第二個(gè)第三個(gè)第四個(gè)第五個(gè)進(jìn)口外徑Dt1/m（m）11111進(jìn)口內(nèi)徑D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m（m）1.31.31.31.31.3出口內(nèi)徑D2/m（m）0.60.60.60.60.6長(zhǎng)度L/m（m）2.12.22.32.42.5水力進(jìn)口直徑d1/

14、m（m）0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m（m）0.70.70.70.70.7水力擴(kuò)散角度/（ ）（）8.1712347.8009877.4627947.1526696.867261水力計(jì)算損失/Pa(pa)104.84105.8107.03108.49110.13當(dāng)量進(jìn)口直徑d1/m（m）0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m（m）1.1532561.1532561.1532561.1532561.153256當(dāng)量擴(kuò)散角度/（ ）（）9.6155089.1803518.7828028.4181968.082607當(dāng)量擴(kuò)散損失/Pa(pa)67.7967.8168.

15、0868.5669.2數(shù)值模擬損失/Pa(pa)85.2485.9987.8690.1492.143種方法計(jì)算的損失對(duì)比見圖6。圖6 改變等內(nèi)徑擴(kuò)散筒長(zhǎng)度的損失計(jì)算對(duì)比圖固定進(jìn)口尺寸和擴(kuò)散筒長(zhǎng)度，僅改變出口外徑的數(shù)值結(jié)果見表4。表4 改變出口外徑的等內(nèi)徑擴(kuò)散筒損失計(jì)算對(duì)比 物理量第一個(gè)第二個(gè)第三個(gè)第四個(gè)第五個(gè)進(jìn)口外徑Dt1/m11111進(jìn)口內(nèi)徑D1/m0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m1.21.251.31.351.4出口內(nèi)徑D2/m0.60.60.60.60.6長(zhǎng)度L/m2.32.32.32.32.3水力進(jìn)口直徑d1/m0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m0.60

16、.650.70.750.8水力擴(kuò)散角度/(°)4.9796.2217.4628.7029.939水力計(jì)算損失/Pa106.61104.98107.03112.83122.45當(dāng)量進(jìn)口直徑d1/m0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m1.0391.0961.1531.2091.264當(dāng)量擴(kuò)散角度/(°)5.9547.3788.78210.1711.54當(dāng)量擴(kuò)散損失/Pa60.0262.6968.0876.5188.21數(shù)值模擬損失/Pa93.5789.0387.8787.8692.893種方法計(jì)算的損失對(duì)比見圖7。圖7 改變出口外徑的等內(nèi)徑擴(kuò)散筒損失計(jì)算對(duì)比圖從表

17、3、表4和圖6、圖7看出，數(shù)值計(jì)算的擴(kuò)散筒損失基本處于按水力直徑和當(dāng)量直徑計(jì)算的擴(kuò)散筒損失中間。其中擴(kuò)散角度較小時(shí)，按水力直徑計(jì)算的結(jié)果接近數(shù)值計(jì)算結(jié)果；擴(kuò)散角度較大時(shí)，按當(dāng)量直徑計(jì)算的結(jié)果接近數(shù)值結(jié)果。但是，沒有一定規(guī)律可以總結(jié)。3.3 任意形狀環(huán)形擴(kuò)散筒對(duì)比計(jì)算對(duì)進(jìn)口尺寸固定，但出口的內(nèi)外徑與進(jìn)口尺寸都不相同的環(huán)形擴(kuò)散筒的損失進(jìn)行計(jì)算。首先對(duì)進(jìn)口尺寸固定，僅改變擴(kuò)散筒出口內(nèi)徑的5個(gè)擴(kuò)散筒模型進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值結(jié)果見表5。表5 改變出口內(nèi)徑的任意擴(kuò)散筒損失計(jì)算對(duì)比物理量單位第一個(gè)第二個(gè)第三個(gè)第四個(gè)第五個(gè)進(jìn)口外徑Dt1/m（m）11111進(jìn)口內(nèi)徑D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外徑

18、Dt2/m（m）1.21.21.21.21.2出口內(nèi)徑D2/m（m）0.20.250.30.350.4長(zhǎng)度L/m（m）2.32.32.32.32.3水力進(jìn)口直徑d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m（m）10.950.90.850.8水力擴(kuò)散角度/（）（）14.8613.6312.411.179.93水力計(jì)算損失/Pa(pa)197.7173.7153.0135.8122.4當(dāng)量進(jìn)口直徑d1/m（m）0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m（m）1.1831.1731.1611.1471.131當(dāng)量擴(kuò)散角度/（）（）9.5249.2888.9968.6488

19、.240當(dāng)量擴(kuò)散損失/Pa(pa)72.1870.7769.1767.4365.65數(shù)值模擬損失/Pa(pa)91.6183.9684.9685.5586.233種方法計(jì)算的損失的對(duì)比見圖8。圖8 改變出口內(nèi)徑的任意擴(kuò)散筒損失計(jì)算對(duì)比圖從表5和圖8看出，當(dāng)量擴(kuò)散角度較大時(shí)，按當(dāng)量直徑計(jì)算的損失比較接近數(shù)值計(jì)算結(jié)果。 固定進(jìn)口尺寸，僅改變擴(kuò)散筒出口外徑的5個(gè)擴(kuò)散筒模型進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值結(jié)果見表6。 表6 改變出口外徑的任意擴(kuò)散筒損失計(jì)算對(duì)比物理量單位第一個(gè)第二個(gè)第三個(gè)第四個(gè)第五個(gè)進(jìn)口外徑Dt1/m（m）11111進(jìn)口內(nèi)徑D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外徑Dt2/m（m）1.21.2

20、51.31.351.4出口內(nèi)徑D2/m（m）0.30.30.30.30.3長(zhǎng)度L/m（m）2.32.32.32.32.3水力進(jìn)口直徑d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力出口直徑d2/m（m）0.90.9511.051.1水力擴(kuò)散角度/（ ）（）12.40689513.6364214.8628116.085717.305水力計(jì)算損失/Pa(pa)153.00147173.7093197.7854224.987255.04當(dāng)量進(jìn)口直徑d1/m（m）0.80.80.80.80.8當(dāng)量出口直徑d2/m（m）1.1618951.213461.2649111.31621.3674當(dāng)量擴(kuò)散角度/ （）（）8.99671010.2723311.542312.80614.065當(dāng)量擴(kuò)散損失/Pa(pa)69.17070277.2659588.2146102.137119.073數(shù)值模擬損失/Pa(pa)84.9674688.4262791.663296.2