轴流通风机扩散筒损失的计算对比研究.doc

轴流通风机扩散筒损失的计算对比研究*冯 进/湘潭平安电气集团有限公司 刘桂艳 于德梅/沈阳鼓风机（集团）有限公司摘要：对30个不同的轴流通风机扩散筒模型进行了数值计算，其扩散角覆盖了2.917较广泛的范围，在相应的进口条件下，按数值模拟、当量直径和水力直径3种方法计算损失。对比结果表明：按水力直径和当量直径计算的结果都与数值结果不同，扩散筒损失的计算方法以数值计算为好。关键词：轴流式通风机；扩散筒；总压损失中图分类号：TH432.1 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2008）02-0036-06Research on the Calculation of Annular 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 losses 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; annular diffuser; total pressure losses 0 引言轴流通风机的出口速度大，一般其出口动能占风机全压的30%以上1，对于有些流量大而压力较低的轴流通风机，其出口动能占到风机全压的50左右，因此准确计算出扩散筒的损失大小，对设计满足压力要求的轴流通风机至关重要。但是，目前计算扩散筒内流动损失的常用方法是要求扩散筒的当量扩散角度为812，通过假定扩散筒效率而进行的计算1-3，这显然是个经验性很强的方法，既不准确也不通用。文献4提出将扩散筒等效成锥形扩散筒，按照水力直径的变化，计算锥形扩散筒内的摩擦流动损失和扩散损失，并以此思想为基础，进行了风机扩散筒最佳扩散角的计算，这也是笔者查阅国内资料所发现的唯一依据定量计算扩散筒内流动损失从而优化扩散筒尺寸的文献。但是，对于同样一个风机扩散筒，其水力直径和当量直径很不相同，按同样的锥形扩散筒模型和公式计算的结果差别当然也很大，那么到底该按水力直径还是按当量直径计算，就是一个很大的问题。因此，很有必要深入研究轴流通风机扩散筒的损失计算方法。1 环形扩散筒的几何形状和锥形扩散筒的损失计算1.1 环形扩散筒的几何形状*基金项目：863计划资助项目（2006AA05Z250）本文其他作者：李景银/西安交通大学能动学院；谭磊/清华大学热能工程系收稿日期：2007-09-05 湘潭市 411100为了简化工艺和加工，轴流通风机扩散筒一般都做成锥形，包括外筒和芯筒（整流体），尺寸如图1所示。图1 轴流通风机环形扩散筒几何尺寸示意图由于扩散筒的通流面积是逐渐扩大的，可以将其比拟为锥形扩散筒，其尺寸见图2。图2 环形扩散筒转换为锥形扩散筒的示意图1.2 锥形扩散筒的损失计算锥形扩散筒的流动损失包括摩擦损失和扩散损失两部分，对于同样一个扩散筒，摩擦损失和扩散损失在什么条件下合成最小，是一个可以优化的问题，从而在一定的面积比下，有一个最优的扩散角度和相应的扩散筒长度。根据笔者推导和文献4，两种损失的表达式为 （1）式中 为锥形扩散筒管道沿程阻力系数的平均值；为气体密度，常温常压下空气，=1.2kg/m3；为锥形扩散筒管道进口的气流速度；n为扩大面积比。扩散损失包括渐扩损失和突扩损失，突扩损失不予考虑，所以有： （2）式中 为渐扩损失的局部阻力系数，是扩散角的函数。所以扩散筒总压力损失的理论计算公式可表示为 （3）1.3 环形扩散筒的水力直径和当量直径计算公式如图1所示的轴流通风机扩散筒是环形的，内有芯筒，与锥形渐扩圆筒(图2)不同，欲利用式（1）式（3）计算损失，需定义出相应的直径。从水力直径的定义出发，可获得圆环形截面的水力直径为 （4） （5）据当量直径定义，可获得圆环形截面的当量直径为 (6) (7)由公式可见，对于同样的轴流通风机环形扩散筒，水力和当量这两种直径的计算结果将截然不同。2 数值模拟方法 采用流场计算软件Fluent来进行环形扩散筒内的流场计算。由于扩散筒为空间轴对称，所以，只取扩散筒的1/12进行计算，也即30的环形扩散筒，30两边的边界条件取周期性边界；扩散筒进口取速度进口条件，出口取outflow边界条件，外筒和芯筒表面取为壁面。采用结构化网格，最终生成的计算网格见图3。图3 扩散筒模型网格示意图3 计算结果及对比分析针对轴流通风机常用的3种扩散筒形式：等外径、等内径和一般形式，分别进行了对比研究。3.1 等外径环形扩散筒对比计算针对等外径环形扩散筒，构造了固定进出口几何数据只改变扩散筒长度的5个扩散筒，以及固定进口和筒的长度，只改变芯筒直径的5个扩散筒，进行了对比计算。固定进出口几何数据只改变扩散筒长度的5个扩散筒数值结果见表1。表1 改变等外径扩散筒长度的损失计算对比物理量单位第一个第二个第三个第四个第五个进口外径Dt1/m（m）11111进口内径D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外径Dt2/m（m）11111出口内径D2/m（m）0.30.30.30.30.3扩散筒长度L/m（m）2.12.22.32.42.5水力直径d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力直径d2/m（m）0.70.70.70.70.7水力扩散角度/（ ）（）8.1712347.8009877.4627947.1526696.867261水力计算损失/Pa(pa)104.84105.8107.03108.49110.13当量直径d1/m（m）0.80.80.80.80.8当量直径d2/m（m）0.9539390.9539390.9539390.9539390.953939当量扩散角度/（ ）（）4.1981524.0074873.8333813.6737693.526913当量计算损失/Pa (pa)55.7958.0360.2762.5164.75数值模拟损失/Pa(pa)99.9893.5298.85102.25105.413种方法计算的损失对比见图4。图4 改变等外径扩散筒长度的损失对比图从表1明显看出，对同样的扩散筒而言，其水力和当量直径明显不同，按水力和当量直径计算的扩散角也不相同。从图4中看出，数值计算结果与水力直径的计算结果比较接近。固定进口和扩散筒的长度，只改变出口芯筒直径的5个扩散筒数值结果见表2。表2 改变出口芯筒直径的等外径扩散筒损失计算对比物理量第一个第二个第三个第四个第五个进口外径Dt1/m11111进口内径D1/m0.60.60.60.60.6出口外径Dt2/m11111出口内径D2/m0.20.250.30.350.4长度L/m2.32.32.32.32.3水力进口直径d1/m0.40.40.40.40.4水力出口直径d2/m0.80.750.70.650.6水力扩散角度/（ ）9.9394818.7021567.4627946.2216814.979106水力计算损失/Pa122.45112.83107.03104.98106.61当量进口直径d1/m0.80.80.80.80.8当量出口直径d2/m0.9797960.9682460.9539390.936750.916515当量扩散角度/（ ）4.4766544.189343.8333813.4055972.901912当量计算损失/Pa59.7159.9160.2760.8761.83数值模拟损失/Pa92.5594.6298.86102.661093种方法计算的损失对比见图5。图5 改变出口芯筒出口直径的等外径扩散筒损失对比图从表1和表2，以及图4和图5看出，对同样的扩散筒而言，按水力直径和当量直径计算的扩散角不同，计算的损失也不同，且损失的大小与数值计算结果也不同。3.2 等内径环形扩散筒对比计算固定进出口尺寸，仅改变扩散筒长度的数值结果见表3。表3 改变等内径扩散筒长度的损失计算对比物理量单位第一个第二个第三个第四个第五个进口外径Dt1/m（m）11111进口内径D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外径Dt2/m（m）1.31.31.31.31.3出口内径D2/m（m）0.60.60.60.60.6长度L/m（m）2.12.22.32.42.5水力进口直径d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力出口直径d2/m（m）0.70.70.70.70.7水力扩散角度/（ ）（）8.1712347.8009877.4627947.1526696.867261水力计算损失/Pa(pa)104.84105.8107.03108.49110.13当量进口直径d1/m（m）0.80.80.80.80.8当量出口直径d2/m（m）1.1532561.1532561.1532561.1532561.153256当量扩散角度/（ ）（）9.6155089.1803518.7828028.4181968.082607当量扩散损失/Pa(pa)67.7967.8168.0868.5669.2数值模拟损失/Pa(pa)85.2485.9987.8690.1492.143种方法计算的损失对比见图6。图6 改变等内径扩散筒长度的损失计算对比图固定进口尺寸和扩散筒长度，仅改变出口外径的数值结果见表4。表4 改变出口外径的等内径扩散筒损失计算对比 物理量第一个第二个第三个第四个第五个进口外径Dt1/m11111进口内径D1/m0.60.60.60.60.6出口外径Dt2/m1.21.251.31.351.4出口内径D2/m0.60.60.60.60.6长度L/m2.32.32.32.32.3水力进口直径d1/m0.40.40.40.40.4水力出口直径d2/m0.60.650.70.750.8水力扩散角度/()4.9796.2217.4628.7029.939水力计算损失/Pa106.61104.98107.03112.83122.45当量进口直径d1/m0.80.80.80.80.8当量出口直径d2/m1.0391.0961.1531.2091.264当量扩散角度/()5.9547.3788.78210.1711.54当量扩散损失/Pa60.0262.6968.0876.5188.21数值模拟损失/Pa93.5789.0387.8787.8692.893种方法计算的损失对比见图7。图7 改变出口外径的等内径扩散筒损失计算对比图从表3、表4和图6、图7看出，数值计算的扩散筒损失基本处于按水力直径和当量直径计算的扩散筒损失中间。其中扩散角度较小时，按水力直径计算的结果接近数值计算结果；扩散角度较大时，按当量直径计算的结果接近数值结果。但是，没有一定规律可以总结。3.3 任意形状环形扩散筒对比计算对进口尺寸固定，但出口的内外径与进口尺寸都不相同的环形扩散筒的损失进行计算。首先对进口尺寸固定，仅改变扩散筒出口内径的5个扩散筒模型进行计算，数值结果见表5。表5 改变出口内径的任意扩散筒损失计算对比物理量单位第一个第二个第三个第四个第五个进口外径Dt1/m（m）11111进口内径D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外径Dt2/m（m）1.21.21.21.21.2出口内径D2/m（m）0.20.250.30.350.4长度L/m（m）2.32.32.32.32.3水力进口直径d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力出口直径d2/m（m）10.950.90.850.8水力扩散角度/（）（）14.8613.6312.411.179.93水力计算损失/Pa(pa)197.7173.7153.0135.8122.4当量进口直径d1/m（m）0.80.80.80.80.8当量出口直径d2/m（m）1.1831.1731.1611.1471.131当量扩散角度/（）（）9.5249.2888.9968.6488.240当量扩散损失/Pa(pa)72.1870.7769.1767.4365.65数值模拟损失/Pa(pa)91.6183.9684.9685.5586.233种方法计算的损失的对比见图8。图8 改变出口内径的任意扩散筒损失计算对比图从表5和图8看出，当量扩散角度较大时，按当量直径计算的损失比较接近数值计算结果。 固定进口尺寸，仅改变扩散筒出口外径的5个扩散筒模型进行计算，数值结果见表6。 表6 改变出口外径的任意扩散筒损失计算对比物理量单位第一个第二个第三个第四个第五个进口外径Dt1/m（m）11111进口内径D1/m（m）0.60.60.60.60.6出口外径Dt2/m（m）1.21.251.31.351.4出口内径D2/m（m）0.30.30.30.30.3长度L/m（m）2.32.32.32.32.3水力进口直径d1/m（m）0.40.40.40.40.4水力出口直径d2/m（m）0.90.9511.051.1水力扩散角度/（ ）（）12.40689513.6364214.8628116.085717.305水力计算损失/Pa(pa)153.00147173.7093197.7854224.987255.04当量进口直径d1/m（m）0.80.80.80.80.8当量出口直径d2/m（m）1.1618951.213461.2649111.31621.3674当量扩散角度/ （）（）8.99671010.2723311.542312.80614.065当量扩散损失/Pa(pa)69.17070277.2659588.2146102.137119.073数值模拟损失/Pa(pa)84.9674688.4262791.663296.27