基于CFD模拟的SO2风机内部流场分析与优化设计研究
陈爱斌

深圳市中金岭南有色金属股份有限公司韶关冶炼厂，广东深圳 512024

摘要：通过CFD仿真，模拟某列车供电柜中离心风机以及出风风道的流场和温度场。根据仿真，分析原风道设计散热效果不理想的原因。提出多套改造措施，并将新模型和原模型进行仿真对比。然后，将改进措施付诸制造并测试效果。仿真和测试结果表明，通过风机和风道的结构改造，缩短了研发周期，减少了流场内涡流，提高了风量，并改善了风机的散热效果。

关键词：CFD模拟；SO2风机；内部流场；风道

中图分类号：TQ153

0 引言

铁路线路配电箱是铁路线路上的一个关键部件。配电箱中的电子元器件主要有大功率电感、电容和大中型变压器等。电源柜中有一台风机，主要用于对箱体部件进行风冷冷却，并维持箱体内部空气的流动。为了确保配电箱中各元器件的工作状态及箱体内部气流的畅通，需要对其进行合理的布置及风管的设计。在计算流体动力学（CFD）的基础上，通过使用相应的商业程序（fluent, CFX等），可以对风机和风道内的气流进行可视化模拟^[1]。为进一步认识气流在风洞中的流动规律，进一步研究气流在风洞和风场中的流动规律，以及风量、压力和效率等参数的变化规律奠定了基础。风机通道的改装主要涉及到风机的外形（例如涡壳外形、导流环的外形等）和通道的大小与布置等。在此基础上，通过模拟试验，验证改建方案的有效性，并通过多次比较修正，最终实现改善^[2]。这种与仿真相结合的设计方法，能够节省新产品的开发费用，减少研发的风险，提高产品的可靠性，并缩短产品的研发时间。

1 CFD理论及计算模型

1.1 流体力学的基本方程

流体力学的基本方程主要涉及了：连续性方程（质量守恒）、运动方程（动量守恒）和能量方程。流体运动的方式通常以上述三个方程为基础。其连续性方程、运动方程和能量方程的微分形式如下：

1.1.1 连续性方程

（1）

式中，ρ表示为流体密度；t表示时间；u为矢量，表示为流体质点在坐标（x，y，z）空间点的速度矢量。

1.1.2 运动方程

（2）

（3）

（4）

式中，μ为流体的动力粘度系数；ρ为流体密度；p为外力；（X,Y,Z）为外力在（x,y,z）方向上的分量；（ux,uy,uz）为u在（x,y,z）方向的分速度。

1.1.3 能量方程

（5）

式中，Q为热量；K为流体内能；m为质量流率；A为控制面面积；LA为控制体内的流体经过控制面时对面A所做的功；相应的微分 dLA/dt 为做功产生机械能的传递功率；C=p/ρ+u2/2+gz，即伯努利常数，表示流体的动能、势能与压力能之和。根据假设条件，定常与否、理想或不可压缩、绝热与否等，基本方程又有诸多变种。

1.2 工程湍流模型

当前，国际上发展较为完善的有三类湍流模型：直接数值模拟模型（DNS）、大涡模拟方法（LES）和雷诺平均数值模拟（RANS）的封闭模型。目前，在RANS基础上发展起来的湍流模型是k-ε模型。在此基础上，提出了基于K-ε模型的标准K-ε模型、RNGK-ε模型和可重构K-ε模型。

本项目拟对RNNk-ε模型进行重建，将雷诺数下的粘滞问题的分析表达式推广到较小的RNNk-ε，从而拓宽原有模型的应用范围。Realizablek-ε模型以涡粘系数表达式 Cu为基础，增加了一个公式，将其由常量变为变量，从而达到对正应力的约束，在解决旋转流动、二次分流等问题上有更好的表现。

2 风机流场的仿真分析

2.1 风机风道模型的建立

某列车的供电柜，其中内部包括前仓、后上仓和后下仓。前仓安置有PLC、变压器、电容、三相铜排等元件，后上仓安放离心风机，后下仓单独安置平波电抗器。详见图1。

图1 供电柜图

如图1（c）所示，空气从前仓底部通风口流入，在离心机风机的吸力下，从前仓进入后上仓，然后流动经过反应炉，最终携带热量从反应炉下方出风口离开了柜体。因为前舱内电器部件较多，且采用了跨式连接的铜导线，所以难以进行空间建模；单个电子元器件的功率消耗及辐射方式都不方便进行统计。因此，在构建风道时，去除了前仓，只对后上仓和后下仓的风道进行了建模与模拟分析。

依据风道构造及空气流动特征，将风道空间划分为收尘器空间、叶轮空间、蜗壳空间、后下仓空间（出风流道）。在建立的过程中，按照网格剖分的要求，对各个局部的空间模型进行了相应的简化。最后，得到了各个部件及总体的空间模型，见图2。

图2 流场空间模型

2.2 前处理

由于叶轮的三维建模过程中，构造网格点的生成十分困难，利用ICEM对无结构性的网架进行了建模，并对网架的品质指标进行了多次检验。最后获得了一个具有2410738个结点、0.16%最小元质量和0.87%扭曲率。

湍流模型使用了可计算的Realizable k-ε模型。在进行定常分析的时候，使用的是MRF多参照系，在叶轮的空间中加上一个旋转的参照系，而其余的地方则被设定为一个静态的系统。按照风机的转速，转动的参照系角速度被设定为152 r/s，它的方向是逆时针（正朝向）。SIMPLEC模型用于动-静区、静区-静区的界面特性，交换面属性为interface。

在该流动中，以压力入口和出口为边界条件。除了入口、出口及空间互换表面外，其他表面均采用不滑动的墙板设计^[3]。

从实测数据可知，风机进气道的温度范围为25℃～40℃，因此取32℃；流道出口处的温度设定在25℃的环境中。

平波反应器因其材质、技术等方面的机密性，无法进行热量损失的直接估算。我们可以从过去的温度测量数据中，粗略地推测出电抗器外侧壁面的对流换热系数、对流气体温度和相关参数。

2.3 仿真结果分析

预处理部分是在Fluent中完成的，后处理部分是在CFD中完成的。在出了叶片后，空气中的压力和速度并不是均匀的，而是一种强的空气中掺杂着大量的弱的空气，并且还掺杂着一种乱流。由于由箱体的墙壁和反应器的外侧构成的空气通道较窄，导致了较大的空气阻力，反应器向周边空气传输的热量未被完全吸收，导致了较差的散热效果。模拟结果表明，其中最热的一次是80℃，大多数情况下是70℃到80℃。风道上沿旋转方向（右边）流动的空气密度大，并且具有更高的速度，而沿旋转方向（左边）流动的空气密度小。低速流会在反应器上部左边出现较多的旋涡，进而对流道内的风场造成较大的影响^[4]。

强大的空气在右边多数流向出口处，少量的空气被阻挡，并顺着上面的反应器向左边横吹。由于左边的微弱气流受到了电抗的阻碍以及右边的强烈横向气流的共同作用，使得左边通道内的空气流动变得缓慢，造成了热量的损失。而在前部和后部，空气流动更均衡。可以看到反应器和高温气体阻止了下行的空气流动；原来的风机出风口，使得各个叶片通道中的空气不能集中，强、弱空气在风机中不能得到很好的混合^[5]。

总之，在风机风管的设计中存在着以下几个问题：

（1）风机壳体的结构不够完善，使得每一片叶片的空气在风机出风口处都没有得到很好的汇集；为了提高出风口压力，应适当调节叶片与风机壳体的相对位置。

（2）箱体与反应器构成的空气通道有待完善，原有的空气通道对空气流动产生了无谓的冲击损耗，降低了空气的冷却效果。

3 风机风道的改造措施

（1）解决了风机壳体的不合理问题：把风机壳体改装为类似于蜗壳的形状，并按一定的角度设置了涡舌，使得各个叶片通道的空气尽可能地集中到出口处；另外，为了防止较大漩涡，在收尘器与风机壳体间安装了一个抗漩涡线圈。

采用等边基法模拟蜗壳螺旋线步骤如下：

①拟设定蜗壳宽度为B；

②借助B计算蜗壳出口的张开度A；

③以原叶轮中心为中心点作边长为a=A/4的正方形，即螺旋线的基方。以基方的四个角为圆心，分别以R1、R2、R3、R4为半径做圆弧并连接起来。

（6）

式中，R为叶轮的半径；R丶为R 按需要放大的半径值；Ri为各个分段的半径值；A 为蜗壳的张开度。

然而，由于上部后部的面积不够，风机的箱体也受到了最大体积的限制。特别是在等边基础的R3断面圆弧和通风口的直径比R4断面圆弧都要小的情况下。因此，需要修正蜗壳型线。将叶片的安装位置，也就是将叶片的中心位置放低。并将其与原有的风机壳体相联系，对其进行了改造。抹平R3部分的螺丝钉，使其符合料仓的高度；把R4区段的螺丝钉变成一条笔直的，这样就可以与排水口相连了。最后，在型线的左边增加一个螺舌段，并在新的缝合线路上，在接头和凸起的地方进行修改和修整，在收气筒与风机壳体之间设置一个防涡环，使它与叶轮的前罩保持一个空隙。

（2）为解决通风口不能对空气进行高效分流的问题：在下部料仓的上方和前方各增加一块隔离片，且不会干扰到反应器的连接。在此基础上，对改进后的数值模拟再次进行了计算，计算方法及计算结果与2.2中的结果一致。再将两者进行比较。新模式对左边的风道进行了显著的改善，空气流动变得更加稠密，一些微弱空气流动和一些较大的漩涡不见了，整体的流场分布也变得更加合理。

新型号的散热器在某种程度上得到了改善。模拟的反应器外部表面的最大温度分别是70℃（前后侧的空隙）和75℃（左右侧的空隙）。另外，反应器周围的空气也会携热，从而增加空气的温度。

对扇形及流道进行了改进后，在下仓上段的流线型及断面流速向量曲线上，旋涡大大减小，杂乱的流场有了显著的改善。

Fluent中Report Type 功能下Mass Flow Rate，显示模型某一面质量流，再换算可得流量。原模型仿真结果出口的流量值为4450 m3/h，经过改造过后，新模型的流量值达到4620 m3/h，提高了2.5%。

4 试验测试

经过设计本的试验，叶轮前盖与防涡圈会有发生碰撞的风险，但不予以考虑。在采用新风机风道的柜体运行调试中，使用手持式红外测温仪对电抗器分上（绕组最上端面左侧）、中（绕组中部左侧）2测点进行温度测试，和原始数据进行比较，如表1、表2所示。

表1 电抗器上测点数值比较

项目	新设计数值/℃	原设计数值/℃
1h	77	78
2h	77.1	78.4
3h	77.7	81
4h	78.2	81.3
5h	79.1	81.4
时均值	77.8	80.1
模拟值	71	74
相对差距	8.64%	7.40%

表2 电抗器中测点数值比较

项目	新设计数值/℃	原设计数值/℃
1h	73.5	75.7
2h	74.1	76.3
3h	75	77
4h	75.6	.77.2
5h	75.7	77.4
时均值	74.8	77.7
模拟值	70.4	73
相对差距	5.64%	4.77%

从表1和表2可以看出，上测点的平均气温降低2.2℃，中测点的平均气温降低1.9℃，显示出了一些改善的作用。与中测点相比，上测点与实际测量值之间的相对偏差较大。其主要原因在于，与单纯的风道状态相比，上测点在较高的位置，需要考虑更多的环境因素，因此在模拟边界条件的设定以及测量点的选择方面，还需要进行进一步的调整^[6]。这种新的设计在冷却效率和空气流量方面都有了很大的提升，只是将新的风机壳体弯曲，需要的工艺和工时要多得多，造成了改装的经济效益，目前还不能大规模生产。在此基础上，还需对箱体的结构及制作过程进行深入的分析与探讨。

5 总结和前瞻

1)用CFD模拟方法对风道的结构进行了优化，从而更加直接地体现了风道的优化结果，从而增加了风道的优化设计的可信度，减少了风道的优化时间。

2)CFD模拟与试验结果之间存在着一些偏差，但是对于进一步的改善与完善，仍然是有指导作用的。

3)商业模拟软件的发展趋势是多场耦合模拟，它能有效地改善模拟的精确度。

4)还需对新型风机壳体的生产过程进行研究并进行了简单加工，目前已经实现了批量生产。

参考文献

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[3]丁天航,曹曙明,薛新宇,等.果园喷雾机单双风机风道气流场仿真与试验[J].农业工程学报,2016,32(14):62-68.

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[5]李建民,管江勇,余锦剑,等.基于CFD仿真的某商用热泵分析研究[J].轻工标准与质量,2020(6):75-78.

[6]卓泽铭,许来春,杨贤飞,等.基于CFD技术的ESP空气净化器风道结构优化[J].日用电器,2023(2):33-39.

作者简介：陈爱斌（1970—）男，汉族，江西赣州人，大学本科，工程师，研究方向为冶矿机械。

基于CFD模拟的SO2风机内部流场分析与优化设计研究

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