流体力学结课论文.doc

离心通风机气体流动的流体力学分析摘要: 本文从流体力学的角度进行了详尽的分析研究,介绍了风机的选型对抽风量的影响,探讨了管路系统中的摩擦阻力、局部阻力、风管直径大小、弯头的曲率半径等对风量风压的影响;同时介绍了离心风机特性、抽风系统的管网特性, 管网中实际阻力与风机额定风压及风量的关系;应用计算流体力学软件 FLUENT 对4-73 №10D 离心式通风机内部的三维气体流动进行了数值模拟分析,重点分析了各个部分的压强和速度分布。关键词: 管网特性;离心式通风机;三维数值模拟;压力场;流场 1 引言由于通风机流场的试验测量存在许多难,使得数值模拟成为研究叶轮机械流场的一种重要手段。随着计算流体力学和计算机的快速发展,流体机械的内部流场研究有了很大的进展,从二维、准三维流动发展到全三维流动。 Guo 和 Kim 用定常和非定常的三维 RANS 方法分析了前向离心通风机流动情况; Carolus 和 Stremel 通过 CFX 针对风机进风处的湍流分析得出压强和噪声的关系; Meakhail 等利用 PIV 试验方法和 CFX 模拟相结合的方法对叶轮区域进行了分析。但是很多的研究者都是选取某一个流道或单元作为研究对象,从而忽略了蜗壳的非对称性导致流动的非轴对称性,或者把实际风机模型简化无法得到真正的内部流场。本文运用商业软件 FLUENT6. 3,对 4-73 №10D 离心式通风机在设计工况下进行定常三维流动数值模拟,捕捉内部流动现象,揭示风机流动实际情况,为风机的进一步改进,扩大运行工况提供理论依据。 2 抽风系统的流体力学分析 摩擦阻力对抽风量和风压的影响空气沿通风管道内流动时会产生两类阻力,一是由空气和管壁间的摩擦所造成的摩擦阻力(又称沿程阻力);二是空气经过风管内某些部件(如弯头、三通、吸风罩、蝶阀等)时发生方向和速度的变化以及产生涡流等原因而产生的局部阻力。圆形风管单位长度的摩擦阻力可按下式计算: 2 ???D P mr?式中: P mr ——圆形风管单位长度的摩擦阻力, Pa/m ; λ——摩擦阻力系数; ν——风管内空气平均流速, m/s ; ρ——空气的密度, kg/m 3; D——圆形风管的直径, m。在计算这两类阻力时,通常是按照层流状态来取摩擦阻力系数λ的,这时, 沿程的压力损失与空气流速的一次方成正比,当流速增大超过临界流速 Re = 2 300 时,风管内的空气流型变为紊流状态,则管内沿程的压力损失与空气流速的 ~ 次方成正比,也就是说,沿程阻力增加了近 1倍。通常把风管内壁看作是水力光滑管,即管壁的绝对粗糙度 K= mm 来计算的,而实际上,使用一段时间后,风机叶轮、风管、弯头、伞形抽风罩、折流板气水分离器等处内壁沾满了油漆,这时风管内壁已经变成了水力粗糙管(或称阻力平方区) ,管壁的绝对粗糙度值 K≈ ~ mm ;这时,单位长度实际摩擦阻力 P′ mr应为计算单位长度摩擦阻力乘以修正系数β,即: P′ mr= β×P mr 假设:风管内空气流速为 10 m/s ,绝对粗糙度值 K= mm ,则: 修正系数β=(Kν) =( ×10) =1(1) 式中: K——风管内壁绝对粗糙度, mm ; ν——风管内空气流速, m/s 。再假设:风管内空气流速不变,仍为 10 m/s ,但绝对粗糙度值 K= 1 mm , 则: 修正系数β=(Kν) =(1×10 ) = (2) 也就是说,这时单位长度风管内的摩擦阻力是原来的 倍。再假设:风管内空气流速为 10 m/s ,绝对粗糙度值 K=2 mm ,则: 修正系数β=( Kν) =( 2×10) = ( 3) 这时,单位长度风管内的摩擦阻力是原来的 倍。还有一个很重要的原因是,很多厂家在使用水帘喷漆室时,不添加或不按时按量添加漆雾絮凝剂,再就是不定时打捞漆泥漆渣,水中大量的漆泥随着循环水流挂在折流板、挡水板、涡旋板、风管内壁上,使得内壁绝对粗糙度大幅增加, 摩擦阻力也增加了许多倍。这就是众多的喷漆室使用一段时间后风压下降、抽风量减小、漆雾外溢的原因之一。笔者认为,设计时风压选择不能仅仅放 10%~ 20%的余量,而是最好增加 80%左右的富余量;要定期清理风机叶轮、蜗壳、风管、折流板等抽风系统内的漆泥,而这是许多厂家不注重的,应对操作人员进行使用和维护的培训。 局部阻力的影响在风道中流动的流体,在通过弯头、阀门、变径管等处,方向和断面积大小发生改变,有可能产生涡流损失或碰撞损失,这些称为局部阻力。风道部件的局部阻力可按下式计算: 2 2?????P 式中: ΔP——风管部件的局部阻力, Pa; ξ——局部