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離心風機梯形截面蝸殼內旋渦流動的數(shù)值分析王企逅戴韌陳康民上海理工大學動力工程學院，上海捅要本文求解時均NS方程和BaldwinLcmax湍流模式，使用基于時間推進法的JameScn格式計算方法，對離心風機的梯形截面蝸殼內部流場進行了數(shù)值模擬。計算結果明，在蝸殼各徑向截面上都存在著個旋轉方向相反強度交替變化的渦對。該渦對會隨著徑向截面位置與蝸殼運行工的變化發(fā)生復雜的變化。對該渦對演化細節(jié)的研究有助于探討蝸殼內流動損失的些機理，風機蝸殼內的流動是高雷諾數(shù)劇烈分離的旋渦流動。對蝸殼內旋渦生成演化細節(jié)的探討，有助于認識蝸殼內旋渦流動的本質優(yōu)化蝸殼的設計。 　　由于蝸殼內部是復雜的旋渦流，其本身具有強烈的非線性性，對其內部次流及旋渦流動細節(jié)至今還不夠明了。本文旨在運用數(shù)值計算的手段，對離心風機梯形截面蝸殼內的旋渦流動進行計算與研究，著重把握在設計工況與變工況下蝸殼內旋渦流動的生成演化細節(jié)，從而為深入對蝸殼內流動本質的認識及改善其設計提供依據(jù)。 　　 　　1是計算所用風機外型意。其中給出了蝸殼六個徑向截面，隨后將在這六個截面上考察旋渦的運動與發(fā)展規(guī)律。 　　財從=1.5其中，財計算流量點，Mdcs2.2計算方法合81揣流模型。方程組采用基于時間推進法的18，1格式，有限體積法離散。為提計算的速度與收斂性，本文采用了重網(wǎng)格，循環(huán)的，厘3技術隱式殘差光順當?shù)貢r間步長等加速收斂技術。有關計算方法細節(jié)可參文獻4. 　　2.3計算網(wǎng)格與邊界條件網(wǎng)格生成采用分區(qū)分塊技術，將葉輪與蝸殼內各布置約30萬個網(wǎng)格，并對壁面附近網(wǎng)格進行局部加密。2給出了整個蝸殼的維網(wǎng)格分布。 　　計算時進口給定流量與流動方向；出口給定背壓；壁面給定無滑移條件。計算殘差下降個量級即認為計算收斂。 　　3計算結果與分析縱觀各工況下徑向截面上流譜35，可以發(fā)現(xiàn)，在絕大部分的截面上都存在著個渦對，其中渦位于徑向截面的梯形區(qū)內，另渦位于該截面的矩形區(qū)內為了簡便起，以下稱在梯形區(qū)的渦為旋渦，在矩形區(qū)的渦稱旋渦。 　　旋渦從第個截面開始形成，并沿各截面呈現(xiàn)種初生發(fā)展耗散及潰滅的演變過程。而旋渦個截面上，并且它的形成過程要比旋渦清晰地多先從壁面有部分流體被卷起，并逐步形成渦核；位于壁面的初生了渦逐步發(fā)展并離開壁面向梯形區(qū)中心運動；丁渦在運動過程+，由于粘性耗散作用，強度逐步減弱，最終被耗散掉。這過程恰能夠說明流體的粘性和外壁的影響是形成旋渦的物理機制。 　　這些流譜從個側面也說明了，組成這渦對的兩個渦中，渦是個穩(wěn)定渦，它幾乎存在于從蝸舌至360的通流區(qū)域，而旋渦是個不穩(wěn)定的旋渦，它的產生發(fā)展與耗散主要在集中在120至240的通流區(qū)域。 　　這個渦對的強度也是交替發(fā)展的，開始時旋渦較強而初生丁渦較弱；隨著旋渦的發(fā)展，其強度大，此時尺渦的強度逐步變弱；隨著丁渦運動時的粘性耗散，強度又減弱時，只渦的強度又逐步回升。 　　同時還可以看到，這對旋渦的旋轉方向恰好相反，只渦是右旋渦而旋渦為左旋渦。上述這些現(xiàn)象是與旋渦守恒定理相致的。盡管旋渦守恒定理是描述理想流體的性質，但在只數(shù)的粘性流體中，也往往能在定性上現(xiàn)出旋渦守恒的些規(guī)律。 　　比較各個工況下徑向截面上這對旋渦的產生發(fā)展過程及其強度的變化可以發(fā)現(xiàn)，在設計工況下這就說明，蝸殼的運作工況從小流量點到大流量點的變化過程中，就其粘性耗散而導致的能量損失而言，有個最佳工況點，這即是設計工況點。只有在設計工況點上，渦對的強度與作用范圍最小，這就預著蝸殼內部流動的粘性損失小，流動的效率高；而在變工況點，渦對的強度很大，從而導致了流動的粘性損失增大，流動效率降低。在蝸殼的設計中，根據(jù)徑向截面上所通過的流量隨包角的增大成正比的增加這原則得出了蝸殼型線的等環(huán)量設計原則，并形成了對數(shù)螺旋線式的蝸殼型線，參照本文的計算結果明，這種等環(huán)量設計原則能在設計工況點較好的抑制旋渦的形成，從而降低損失，提了流動效率。而在小流量點，由于蝸殼內部所通過的流量過小，通流速度過低，使梯形區(qū)的壁面上由于壁面的摩擦導致流動附面層分離從而形成旋渦；在大流量點，由于蝸殼內的流量超過設計流量，過大的通流速度使大量流體擠入蝸殼內，使蝸殼內流動的不穩(wěn)定性增加，從而導致旋渦的形成。 　　值得注意的是，隨著蝸殼工況流量的變化，旋渦與渦流的相對強度也在發(fā)生變化。在小流量與設計流量下，旋渦的發(fā)展大小始終小于旋渦，而隨著流量的大，旋渦的強度有明顯的增加。旋渦與旋渦的相對強度的變化就反映出了蝸殼內粘性損失大小的位置變化在小流量與設計流量工況點，旋渦的粘性損失主要存在于蝸殼徑向截面的矩形區(qū)，而隨著工況點的流量大，粘性損失的強度逐步向徑向截面的梯形區(qū)轉移。 　　因此，在梯形截面的蝸殼中，特別是在變工況時，旋渦所造成的總壓損失是制約蝸殼內流動效率提的個不可忽視的重要因素。 　　4結論加格式并配合，湍流模型的計算方法，對離心風機的梯形蝸殼進行了在設計工況與變工況下的數(shù)值模擬，著重研究蝸殼內部各個徑向截面上旋渦的生成演化細節(jié)，計算結果明在梯形蝸殼的徑向截面上存在著旋轉方向相反強度交替變化的個渦對。其中個旋渦位于徑向截面的梯形區(qū)內，是左旋不穩(wěn)定旋渦，它主要存在于120至240的通流區(qū)域中，并有明顯的產生發(fā)展與耗散過程；另個旋渦位于徑向截面的矩形區(qū)內，它是個右旋較為穩(wěn)定的旋渦，它幾乎充滿于從蝸舌至360的通流區(qū)域內。 　　這對旋渦的強度與蝸殼運行的工況有關在設計工況下，渦對的強度很弱，但在變工況時，渦對的強度，大。 　　隨著工況點流量的增加，位于徑向截面梯形區(qū)的旋渦發(fā)展強度也會增大，甚至會充滿整個梯形區(qū)，這就造成了梯形區(qū)內由于旋渦的粘性耗散所造成的總壓損失增加。因此，梯形截面蝸殼內梯形區(qū)中由于旋渦的粘性耗散所造成的粘性損失是影響蝸殼內部流動效率的個重要因素。 　

機械與設備離心風機噪聲的產生與控制蔡祖光湖南省湘潭市新世紀陶瓷機械有限公司湖南4102制噪聲應采取的措施。通過對離心風機的噪聲進行檢測分析和研宄，確定了其噪聲的主要來源及其傳播途徑，并采取有效的噪聲治理措施，達到減弱或切斷噪聲的傳播途徑或消除噪聲源的目的。 　　1前言陶瓷工業(yè)常用的離心風機是通風與除塵裝置的關鍵設備，如陶瓷原料的干法粉磨工序雷蒙磨機鍛錘式磨粉機及鼠籠式打粉機等磨粉設備利用離心風機將達到規(guī)定粒度要求的陶瓷粉料排出機外；噴霧干燥器隧道式干燥器室式干燥器鏈式干燥器及窯爐等設備利用離心風機進行熱交換，以便提高制品的加熱速度及加熱質量等；旋風除塵器及布袋除塵器等利用離心風機對生產車間進行除塵處理，確保生產車間清潔明亮及文明生產等，利用離心風機還可以完成陶瓷粉料的輸送等噪聲是陶瓷工業(yè)常用離心風機的致命缺陷。事實上，噪聲是多種不同頻率聲音的無規(guī)律的雜亂組合，嚴重損害人們的身心健康及降低工作效率。所以積極研究和探討陶瓷工業(yè)常用離心風機噪聲的產生原因危害性及其控制途徑，對保護操作工人的身體健康及提高企業(yè)的經(jīng)濟效益等具有深遠而重要的意義。 　　2噪聲產生原因離心風機所產生的噪聲通?？煞譃闄C械噪聲電機噪聲及空氣動力噪聲。 　　2.1機械噪聲陶瓷工業(yè)常用離心風機的葉輪通常是直接安裝在電機軸上或通過聯(lián)軸器風機軸或通過皮帶輪風機軸及傳動帶與電機軸聯(lián)接起來，并隨電機軸起高速旋轉。雖然陶瓷工業(yè)常用離心風機的設計制造滿足了強度和剛度的要求，風機出廠時，風機軸風機葉輪聯(lián)軸器及皮帶輪等旋轉零部件都己經(jīng)過嚴格的靜平衡和動平衡校正合格后才組裝成臺。但因離心風機的轉速高，生產環(huán)境惡劣，空氣潮濕及粉塵飛揚等，而陶瓷粉料及塵埃等固體顆粒的主要成分仍是石英和或方石英，其硬度特別高，所以陶瓷工業(yè)常用離心風機工作時，風機葉輪等旋轉零部件極易磨損而產生機械噪聲，并現(xiàn)在以下幾方面風機葉輪的不均勻磨損，在風機風壓的作用下，導致風機葉輪產生變形，風機工作時，因風機葉輪的不平衡而產生機械噪聲。 　　因風機軸承的磨損，造成軸承滾動體與其接觸工作面形成較大的間隙而產生機械噪聲，嚴重時，軸承的內外圈與風機軸軸承座也會形成較大的間隙而產生機械噪聲。 　　有些風機通常采用多根傳動帶同時工作，若傳動帶的長度尺寸相差較大，風機工作時，有些傳動帶張緊，另些傳動帶還沒有張緊，由此產生了機械噪聲。 　　因風機的安裝不規(guī)范或工作零部件的聯(lián)接螺栓等松動造成機械噪聲。 　　因風機的高速旋轉，導致風機的某零部件產生共振而造成機械噪聲。 　　2.2電機噪聲電機是離心風機的重要組成部分，通常風機生產廠家采用的電機都是由電機專業(yè)生產廠家提供的，風機生產廠家通常對電機內部不再進行處理，而是直接使用。事實上，電機的噪聲種類繁多，通常主要現(xiàn)在以下幾方面因電機軸承的精度較差而產生的機械噪聲。 　　因電機內部徑向交變的電磁力的激發(fā)而產生的電磁噪聲。 　　因換向器整流子碳刷摩檫導電環(huán)和整流子本身產生的機械噪聲。 　　因某些零部件的振動使其固有頻率與激振力頻率相近而產生共振，形成噪聲。 　　因電機轉子的不平衡或和電磁力的軸向分量產生的軸向竄動造成的噪聲。 　　因電機冷卻風扇的形狀尺寸等參數(shù)不太合理而產生的空氣動力噪聲2.3空氣動力噪聲離心風機所產生的空氣動力噪聲通?？煞譃樾D噪聲渦流噪聲和撞擊噪聲。 　　2.3.1旋轉噪聲旋轉噪聲又叫葉片噪聲，它是由高速旋轉的風機葉輪葉片對氣體產生周期性的壓力而造成氣體壓力和速度的脈動變化所產生的噪聲。此外，風機葉輪葉片在自由空間旋轉時，與其鄰近的某固定位置的氣體將受到風機葉輪葉片及其壓力場的激振力作用，造成氣體壓力的起伏變化；由于風機高速旋轉時，風機葉輪葉片頻繁地逐個通過該位置，相應地產生氣體壓力脈動，并向周圍輻射而形成噪聲。 　　2.3.2渦流噪聲渦流噪聲又稱渦旋噪聲。方面，氣流由進風口軸盤及前盤進入離心風機內部時，由于氣體流道的急劇變化，氣體將產生劇烈壓縮或膨脹而形成渦流噪聲；另方面，氣流在通過風機葉輪葉片通道時，由于氣體邊界層的脫流也會形成渦流噪聲。 　　2.3.3撞擊噪聲離心風機所產生的撞擊噪聲是由氣流進入和離開離心風機葉輪葉片時產生的沖擊噪聲，以及氣流流經(jīng)蝸殼蝸舌時所產生的哨聲噪聲等組成的。 　　3噪聲的危害性3.1噪聲影響心理并誘發(fā)多種疾病噪聲干擾人們日常談話學習工作休息等，并嚴重損害人們的身體健康。若長年累月地生活在噪聲的環(huán)境中，人們極易厭煩脾氣暴躁等，天長日久還會損傷人耳聾。臨床經(jīng)驗也明，心臟病高血壓腸胃病及癌癥等疾病的發(fā)展與惡化，都與噪聲的強度有著密切的關系。 　　3.2噪聲影響安全生產降低工作效率由于噪聲的干擾，人們極易疲勞，注意力分散，精力下降等，影響工作質量，工作效率下降。由于噪聲的掩蔽效應，人們不易覺察發(fā)生事故的預兆與各種警告信號的存在，極易造成設備的損害及人身傷事故的發(fā)生，嚴重危害安全生產。 　　4噪聲的控制途徑陶瓷工業(yè)常用離心風機所產生的噪聲，通常通過進風管道進風口機殼排風管道排風口及風機基礎等向空間進行傳播，并嚴重危害人們的生存環(huán)境。為此我國政府頒發(fā)了工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標準試行草案，國際標準化組織150也規(guī)定，工礦企業(yè)的噪聲不能超過85分貝。 　　根據(jù)人們對噪聲的承受能力，距離陶瓷工業(yè)生產廠區(qū)最近要求噪聲不能超過40，45分貝4.事實上，在距離陶瓷工業(yè)常用離心風機周圍1.5范圍內測得的噪聲通常高達90，100分貝，有時甚至高達105分貝。因此，我們必須對離心風機的噪聲進行有效地控制和治理，其控制途徑介紹如下。 　　4.1控制機械噪聲的途徑風機葉輪風機軸皮帶輪及聯(lián)軸器等旋轉零部件須進行嚴格的靜平衡和動平衡校正，合格后才能組裝成臺，準予出廠。 　　定期檢查風機各零部件的聯(lián)接螺栓及地腳螺栓是否松動，軸承是否異常磨損或潤滑不良，傳動帶是否張緊等。若發(fā)現(xiàn)情況異常時，應立即停車排除。 　　安裝時，風機與鋼筋混凝土基礎之間應墊橡膠軟木板或毛氈板等軟質材料，使離心風機傳遞給鋼筋混凝土基礎的振動得到最大限度減弱或消除。 　　在風機的進風口和排風口處安裝段橡膠軟管，可將離心風機傳遞給風管的振動在橡膠軟管處得到最大限度減弱或消除。 　　4.2控制電機嗓聲的途徑電機冷卻風扇葉片須進行嚴格的靜平衡和動平衡校正合格后，才能組裝成臺準予出廠。同時還應合理選用電機冷卻風扇葉片與導風圈之間的間隙等，有效降低電機冷卻風扇葉片的旋轉噪聲。 　　合理選用電機冷卻風扇葉片的形狀及直徑等參數(shù)，有效降低電機冷卻風扇的渦流噪聲。 　　若電機產生低頻電磁噪聲，明電機定子有偏心，氣隙不均勻，電機定子經(jīng)修復或更換后就能消除電機產生的低頻電磁噪聲；若電機產生高頻電磁噪聲，明電機轉子有缺陷，電機轉子經(jīng)修復或更換后也能消除電機產生的高頻電磁噪聲。 　　4.3控制空氣動力噪聲的途徑4.3.1風機進風口及排風口處安裝消聲器消聲器是利用多孔吸聲材料來吸收聲能的，當聲波通過襯貼多孔吸聲材料的進風口及排風口處時，聲波將激發(fā)多孔吸聲材料中的無數(shù)小孔中的空氣分子產生劇烈地運動，其中大部分聲能用于克服摩擦阻力和粘滯阻力并轉變成熱能而消耗掉，從而降低離心風機所產生的空氣動力噪聲。實踐明，在離心風機的進風口及排風口處安裝消聲器，通常能降低進風口及排風口處產生的空氣動力噪聲約20，30分貝。4.3.2風機進風口處設置整流裝置因離心風機的葉輪葉片排風口的尺寸通常大于前盤處進風口的尺寸，所以氣流在風機中流動時，將在進風口圓弧段部位處形成許多渦流，渦流將與風機蝸殼及進風口零部件產生多次頻繁地碰撞而形成空氣動力噪聲。若在風機進風口處位于風機蝸殼內部的外圍處設計制作防止產生渦流的整流裝置，即增設整流圈及擋板，就能有效地防止氣流在風機進風口處形成渦流，從而降低離心風機所產生的空氣動力噪聲。 　　4.3.3改善風機蝸殼的結構形式離心風機蝸殼的作用是收集從風機葉輪流出的高速氣流，并將此高速氣流引導至排風口，在這過程中，高1進風口2蝸殼5后盤6風機軸3前盤4葉輪葉片7整流圈8擋板陶瓷工業(yè)常用離心風機的結構意速氣流將撞擊風機蝸殼并產生空氣動力噪聲。通過優(yōu)化和改善蝸殼的生產工藝，并精密制作流線形的對數(shù)螺線蝸卷曲線的風機蝸殼，能有效地減少離心風機所產生的空氣動力噪聲。 　　4.4.4改善風機葉輪的氣體流道控制離心風機葉輪進風口處的風速可有效地減少風機葉輪氣體流道的流速，降低離心風機所產生的空氣動力噪聲。若風機葉輪葉片設計制作成后掠式扭曲葉片，即該風機葉輪葉片在排風口處適度向前傾斜，而在進風口處又適度向后傾斜，就可以避免氣體流道急劇變化，阻止氣體產生渦流，從而減少離心風機所產生的空氣動力噪聲。 　　4.4控制噪聲的其它途徑通常聲音在穿過均勻致密的墻體材料時，聲能將被減弱或消除，聲能減弱得越多，那么隔音效果就越好。若用吸聲材料制作隔聲罩或隔聲間，將離心風機封閉在較小空間內，就能阻止其噪聲向外界傳播，減少離心風機所產生。 5結束語目前，陶瓷工業(yè)常用離心風機噪聲的產生與控制是各國陶瓷科技工作者和生產企業(yè)共同關注的課。我們認為應在離心風機的設計和制造中，優(yōu)化和完善離心風機結構，精心制作，盡量減少空氣動力噪聲的產生；對風機葉輪風機軸皮帶輪及聯(lián)軸器等旋轉零部件應進行嚴格的靜平衡和動平衡校正，以減少因風機振動而產生的機械噪聲。然而由于離心風機的葉輪轉速高，陶瓷生產環(huán)境，空氣潮濕及粉塵飛揚等，造成離心風機工作時風機葉輪葉片極易產生磨損而形成噪聲。我們應通過對離心風機的噪聲進行檢測分析和研究，確定其噪聲的主要來源及其傳播途徑，采取有效的噪治理措施，減弱或切斷噪聲的傳播途徑或消除噪聲源，確保最大限度減輕離心風機對周圍環(huán)境的噪聲污染，從而改進工作環(huán)境，提高生產效率。