基于FLUENT的离心风机性能优化

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摘要：机械化高效施药是目前对喷药机械的基本要求，风送植保机械被普遍使用，风机是其中的关键部件，因此风机的性能直接决定了植保机械的性能。采用正交试验方法对影响风机的主要参数进行优化，在FLUENT中对各个正交试验方案进行分析得到，叶片数对风机性能的影响最大，叶片出口安装角对风机性能的影响最小。优化后的风机方案与原风机相比，风机流量增加了3.92%，效率提高了17.07%。采用FLUENT对離心风机进行性能分析可以为优化离心风机性能提供理论依据。

关键词：背负式喷雾喷粉机;离心风机;叶轮;FLUENT;流场分析;正交试验;优化性能;最优方案

中图分类号： S49  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0250-05

收稿日期：2018-03-29

基金项目：国家重点研发计划（编号：2017YFD0200303）;江苏省重点研发计划（现代农业）（编号：BE2016303）;现代农业产业技术体系建设专项-西甜瓜产业技术体系（编号：CARS-25）。

作者简介：陈 晓（1989—），女，山东德州人，硕士，研究实习员，主要从事植保施药技术与装备研究。

通信作者：龚 艳，硕士，研究员，主要从事植保施药技术与装备研究。Tel：（025）84346241;

背负式喷雾喷粉机是一种典型的小型植保机械，因其轻便、灵活、效率高的特点已被广泛应用于水稻、棉花、玉米、小麦、果树等大面积农作物病虫害防治。背负式喷雾喷粉机的射程、雾化效果、喷量等关键指标主要取决于离心风机的性能。因此离心风机是背负式喷雾喷粉机的关键部件，它的功用主要是产生高速气流，将药液破碎雾化或将药粉吹散，并将之送向远方[1]。

背负式喷雾喷粉机上所使用的离心风机均为小型高速离心风机。风机是风送植保机械的核心部件，良好的风机性能能够提高雾滴喷洒的均匀性，提高沉积量，降低飘移量[2]。虽然目前存在的风送式植保机械种类众多，但是用于风送式植保机械的风机并没有统一标准。风送式植保机械具有射程远、雾化均匀、穿透性好、靶标性好、雾滴飘移少等特点，因此被广泛应用于大田、果园等农药喷洒中[3]。配合不同的地理位置以及作物本身，风送植保机械存在不同的种类。用于背负式喷雾喷粉机上的小型离心风机由于转速高等特点，离心风机各个参数对其性能的影响并没有明确的理论依据。因此针对不同的小型离心风机进行流场分析以得到各个参数对风机性能影响的研究很有必要。

1 离心风机流场数值模拟

所有的流动都必须满足三大物理定律，即质量守恒定律、动力守恒定律以及能量守恒定律，相对应地就可以得到对应的质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。由于在离心风机中不需要考虑传热问题，因此能量守恒方程不需要考虑在其中。

FLUENT中提供的湍流模型种类很多，但是目前还没有适用于各种流动的湍流模型，因此要根据实际解决的问题及其对精确度的要求选择合适的湍流模型。考虑到风机实际的工作情况，本研究的湍流模型选择为K-ε模型。K-ε模型又分为标准K-ε模型、重整化（RNG） K-ε模型以及可实现K-ε模型。综合考虑风机运动的实际情况，最终选择K-ε模型中的可实现K-ε模型为本研究所用的湍流模型。

FLUENT中提供了多种壁面函数处理方法，例如标准壁面函数法、非平衡壁面函数法以及增强壁面处理。标准壁面函数法利用对数校正法提供了所必需的壁面边界条件。考虑到离心风机内部的结构比较复杂，本研究选择标准壁面函数法作为分析方法。

在流体流动中建立的基本方程为偏微分方程，在理论上可以求得其解。但是由于问题本身的复杂性，并不易得到它们的解析解或者近似解析解。因此在FLUENT中出现了离散化的概念，离散化就是将无限空间中的有效个体映射到有限的空间中。离散化的目的是将连续的偏微分方程组及其定解条件按照特定的规则在计算区域的离散网格上转换为代数方程，以得到连续系统的离散数值逼近解。在FLUENT中可以将控制方程的离散方法分为有限差分法、有限元法和有限体积法，本研究选择的是有限体积法。

SIMPLE算法在1972年被提出并得到广泛的应用，是计算不可压流场的主要方法，是后来对其算法进行改进与发展的基础。SIMPLEC算法的基本思想与SIMPLE算法一致，但是对通量的修正方法进行了改进，加快了收敛速度。本研究中求解算法采用的是SIMPLEC算法。

在FLUENT中通常认为残差小于10-3时为收敛，因此在对离心风机的内部流场进行分析时，对变量的监控指标设定为10-3。

2 离心风机内部流场模拟结果分析

2.1 离心风机模型的建立

本研究的离心风机主要被应用在背负式喷雾喷粉机上，因此采用前向叶轮和前弯式叶片。在Pro/ENGINEER软件中利用特征创建命令，完成风机各个零部件的三维模型构建。

本研究进行离心风机三维建模时，以型号为6HWF-20的背负式喷雾喷粉机上配备的离心风机为基础，对风机的各个参数进行单因素和多因素的优化。6HWF-20上配备的离心风机主要结构参数如表1所示。

在Proe软件中构建的叶轮三维模型如图1所示。

2.2 离心风机的前处理

对离心风机进行FLUENT分析时，首先应在GAMBIT中完成前处理。前处理主要包括网格的生成以及边界条件的确定。

FLUENT中使用的是非结构化网格技术，主要的网格单元形式为二维的四边形和三角形单元、三维的四面体核心单元以及六面体核心单元、棱柱和多面体单元。GAMBIT中的3D网格有3种，分别为Hex（六面体）网格、Hex/Wedge（六面体/楔形）网格以及Tet/Hybrid（四面体/混合形式）网格。风机模型采用非结构网格划分方法，GAMBIT中划分的网格如图2、图3所示。

离心风机的边界条件：设置风机的入口边界为速度进口（VELOCITY INLET）;蜗壳的出口为压力出口（PRESSURE OUTLET）;将进口流道和叶轮流道相重合的面以及叶轮流道和蜗壳流道相互重合的面定义为交界面（INTERFACE）;将其余的面定义为壁面（WALL）;分别定义叶轮部分和蜗壳部分为流体介质（FLUID），这样就确定了动域和静域。

2.3 离心风机内部流场分析

在FLUENT中完成交界面的建立，并进行网格检查，以保证网格检查成功。在网格检查成功后，按照“2.2”节中所提到的前处理完成设置。设定离心风机叶轮的转速为 5 000 r/min，完成初始化后对离心风机出风口速度、风机静压、动压、全压进行计算。

图4为离心风机在转速为5 000 r/min下的速度矢量分布，可以看出，蜗壳内的绝对速度分布比较好，但叶轮内的速度在工作面上形成了低速区。风机叶道间的流动速度是不同

的，在靠近蜗壳出口处的叶道内流速明显比其他远离蜗壳出口的区域高。图5为出口处的速度分布，其分布规律为从蜗壳外侧到中心（0.1 m左右处）整体先减小后增大，靠近蜗壳外侧处的速度偏高。图6为风机出口处的速度分布，在蜗壳外侧处的速度较高，而且在蜗舌附近存在涡流，靠近蜗舌的叶片周围也存在涡流现象。

图7、图8、图9分别为在FLUENT中模拟所得到的风机静压、 动压和全压分布，可以看出，风机的动压和全压分布图

相似，风机的全压主要是动压，在靠近蜗壳出口处的叶轮全压和动压都要高于叶轮的其他区域。蜗壳内部的静压较高，以旋转轴为中心，除去靠近蜗壳出口处的叶轮一侧，其他部分都是越靠近蜗壳外侧，静压越高，靠近蜗舌处的压力也较高。

在FLUENT中打开质量流量报告可以得出，进出口的质量流量误差很小，质量流量是守恒的，且此风机模型在模拟中，出口的流量显示为0.461 kg/s，转换为容积流量为 0.357 m3/s，风机出口处的全压值为5 016.55 Pa。

2.4 离心风机优化设计

影响离心风机性能的关键部件为叶轮，而叶轮的性能主要取决于其结构参数，叶片数量、叶片进口安装角、叶片出口安装角和叶片厚度对风机的性能都会产生影响[4]。但叶轮各个参数对风机性能的影响不同， 因此采用正交试验方法对

影响风机性能的各个参数进行比较。

在正交试验设计中必须明确3个概念：因素、水平和指标。因素是指影响试验结果的不同原因。水平是指一个因素由于条件的变化而取的不同数值。指标是指优化的目标。风机的效率是反映风机性能优劣的指标[5]，本研究选择风机的全压效率作为正交试验的指标。全压效率的公式为

η=P×QN。

式中：P为离心风机的全压，Pa;Q为离心风机的流量，m3/s;N为离心风机的轴输入功率，W。在本研究中为了简化计算，将N作为常量处理，则可以采用P×Q的值代表效率，因此以 P×Q 作为效率判断的标准。

由于在背负式喷雾喷粉机上用的离心风机多为前弯式风机，因此出口安装角β2A一般的取值范围为110°～170°;一般前弯叶片数Z的取值范围为16～32张，但是强前弯叶轮的叶片数取值范围为32～64张;进口安装角β1A的取值范围为>60°，叶片厚度在理论上没有限定取值范围。根据各个参数的取值范围，在正交试验优化方案中各个参数的取值为叶片数：Z=26、32、38張;进口安装角：β1A=73°、82°、90°;出口安装角：β2A=145°、153°、161°;叶片厚度：δ=1、2、4 mm，其他参数与最原始的风机参数一致。根据影响风机性能的4个因素及其对应的3个水平，进行L9（34）正交试验（表2、表3）。

通过正交试验表确定风机的优化方案，对相应的风机进行建模，并导入FLUENT中进行分析，分析结果如表4所示。

在优化目标中，首要的目标是效率，以流量作为参考目标。表5为各因素在同一水平上评价指标Q×P的均值，其中R表示极差，为同一因素水平下最大值与最小值的差值。极差的大小表示该因素对评价指标的影响程度，极差值越大，则该因素对评价指标的影响越大[6]。

从极差可以看出，4个因素对风机效率的影响主次关系为A>D>B>C，即对风机效率这个指标来说，对其影响程度从大到小依次为叶片数、叶片厚度、叶片进口安装角以及叶片出口安装角。

以风机效率为评价指标，A2D1B3C1为最优组合，在表3中没有该方案，因此对该方案进行模拟验证，记为方案10。在该方案中，风机的叶片数为32张，进口安装角为90°，出口安装角为145°，叶片厚度为1 mm。对该方案下所使用的风机参数进行建模，在FLUENT中进行模拟分析。

图10、图11分别为方案10的速度矢量分布、风机出口速度矢量分布。从风机出口的速度矢量图中可以看出，在蜗舌处存在涡流现象。图12为方案10的风机出口速度与原风机出口速度，其中v1代表的是原风机出口速度，v2代表的是方案10的风机出口速度。从比较图中可以看出，方案10的

风机出口速度在蜗壳出口处远离叶轮的一侧值比原风机高。但是在靠近叶轮的蜗壳侧方案10的风机速度变化幅度比原风机大。

图13、图14为方案10的风机静压分布和全压分布，可以看出，静压和全压相较原始风机都有所增加。在FLUENT中进行模拟分析的结果如下：风机的流量为0.371 m3/s，全压为5 651.44 Pa，P×Q的结果为2 096.68。表6所示为风机优化前后性能。

从表6可以看出，方案10与原风机相比，风机流量增加了3.92%，效率提高了17.07%。风机流量和效率都有了提升。方案10和方案4相比， 虽然风机流量有了轻微下降， 但是下降幅度小，可以忽略，效率提高了1.21%，由于提高效率是优化的主要目标，因此认为方案10为最优方案。

3 结论

离心风机是小型植保机械背负式喷雾喷粉机上的关键部件，其性能直接影响到背负式喷雾喷粉机的雾化效果、穿透性能等[7]。通过对离心风机的内部流场进行分析优化，可从侧面提高背负式喷雾喷粉机的性能。采用正交试验法对影响风机中叶轮性能的主要结构参数进行分析，主要得到以下结论：（1）FLUENT分析可以较为准确地表示出离心风机的内部流动特征;（2）正交试验方法可以减少风机优化试验时的方案，能够准确地描述出各个因素对风机性能影响的结果;（3）通过正交试验结果可以看出，对风机性能影响最大的是叶片数量，其次是叶片厚度，叶片的出口安装角对风机性能的影响最小。

虽然通过正交试验方法对风机的性能进行了优化，但是优化结果仍然需要试验验证，运用FLUENT对离心风机进行分析，为优化风机性能提供了有效的数据。

参考文献：

[1]周海燕，杨炳南，严荷荣，等. 我国高效植保机械应用现状及发展展望[J]. 农业工程，2014，4（6）：4-6.

[2]鲁渝北，张义云，祁大同，等. 离心通风机蜗壳内部三维流动的测量和分析[J]. 应用力学学报，2002，19（3）：109-115.

[3]罗 凯，罗 鑫，黄 闯，等. 基于Fluent的多翼式离心风机性能分析[J]. 流体机械，2014，42（7）：25-29.

[4]孙泳锋，赵 军，高 杰，等. 不同前盘结构形式多翼离心风机性能对比研究[J]. 流体机械，2014，42（1）：30-35，16.

[5]唐家鹏. FLUENT 14.0超级学习手册[M]. 北京：人民邮电出版社，2013，30-31.

[6]徐长棱，毛义军，李 凯，等. 离心通风机整机三维流场的数值模拟[J]. 风机技术，2005（5）：1-4.

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