离心叶轮内部流场计算机仿真及分析

　　1 引言

　　大型电机在运转过程中会产生热量,引起温度的上升,因此通常采用闭式循环冷却系统进行散热,而离心冷却风扇是其关键的部件之一,其设计的好坏对系统整体性能有重要影响。为了结构简单,大型冷却风扇往往由单叶轮组成,没有扩压器与蜗壳。而单叶轮后的流动会与冷却系统其它散热部件相互作用,从而影响系统的散热及噪声性能。以前针对电机冷却离心叶轮的内部流动研究多限于一维及二维近似分析,缺少全三维分析,所以无法全面揭示叶轮内部的流动细节,从而影响了叶轮及冷却系统性能的进一步提高,而且以前多依靠实验研究来判断叶轮性能好坏,因而设计及改型周期长、费用大。目前,随着计算流体力学的不断发展,已具备分析叶轮内部复杂流动的能力[1-5],从而为进一步改进性能提供了新途径。采用全三维Navier-Stokes方程,结合湍流模型建立离心叶轮的内流场及性能仿真方法,用数值方法,探索离心叶轮内部的流动机理。并将内部的流场与外特性如压升、流量及效率进行关联,从而用数值仿真方法来分析离心叶轮性能,减少对实验的依赖,并提高设计的可靠性。这为后续该叶轮的改型以及与系统的匹配研究提供了重要依据。

　　2 离心通风机叶轮的结构参数

　　研究对象为某型电机的离心冷却风扇叶轮,其具体的几何参数如下: 13个直板叶片,离心叶轮进口直径01644m,离心叶轮出口直径0188m,出口叶高01100m。其运行转速为1500r/min,温度为300K、密度112kg/m3。图1为该离心通风机叶轮的几何结构图。图2为数值模拟计算模型子午流道图。从这两个图上反映出叶轮为常规结构,后弯型直叶片,而且为了加工简单,子午型线主要由圆弧和直线这两种简单型线组成。该离心叶轮在具体使用过程中,功率消耗大,效率低,引起的噪声大,不能很好地满足系统要求,因此需要进行改型以提高性能。但具体什么原因导致性能不能满足要求,需要通过详细的内部流场仿真才能做出判断。

　　3 数值仿真计算方法及原理

　　3. 1 控制方程

　　数值计算中采用三维雷诺时均Navier-Stokes方程进行求解。对于离心叶轮叶轮,固结与转子的相对直角坐标系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程可以写成下面统一的矢量形式:

式中,F_I和F_V分别代表无粘矢通量和粘性矢通量,Q为源项。通量FI和FV在直角坐标系下可分解成三个分矢量的形式:

同时有:

　　上式中源项考虑了哥氏力以及离心力的影响,其中X为相对坐标系的旋转角速度。采用完全气体状态方程(4)来封闭方程组

　　3. 2 湍流模型