四葉羅茨風機：網(wǎng)絡技術(shù)模擬下的四葉羅茨鼓風機非穩(wěn)態(tài)流動

　　原標題：網(wǎng)絡技術(shù)模擬下的四葉羅茨鼓風機非穩(wěn)態(tài)流動

　　羅茨鼓風機屬容積式風機，是一種典型的氣體增壓與輸送機械產(chǎn)品，廣泛應用于石油、化工、紡織、食品、造紙、水產(chǎn)養(yǎng)殖、電鍍、建材、冶煉、礦山、電力等產(chǎn)業(yè)。

　　在化工、石油行業(yè)中，羅茨鼓風機為作業(yè)中的物理過程和化學過程提供反應氣體的作用，如氧化碳、氫氣、氧氣、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、甲烷、煤氣等。除此之外，羅茨鼓風機也屬于真空設備，用于粉體谷物顆粒輸送、集塵、力口工物吸著保持、濃縮空氣干燥、脫水等領(lǐng)域。

　　羅茨鼓風機主要有二葉和三葉風機二類，目前三葉羅茨鼓風機比較常用。在風機領(lǐng)域，市面上的四葉羅茨鼓風機比較少見，與二葉、三葉羅茨風機相比，四葉羅茨鼓風機更具穩(wěn)定性、性能可靠、工作效率高、能耗低、噪音小等，因此國內(nèi)不少風機生產(chǎn)廠家開始引進生產(chǎn)四葉羅茨鼓風機。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的高速發(fā)展，運用計算機對葉輪機械內(nèi)部實際流動進行數(shù)據(jù)模擬其流動狀況也成為一種新手段。運用動網(wǎng)格技術(shù)，采用氣體流動控制方程方程和標準k一 e湍流模型，對四葉羅茨風機內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬。

　　羅茨鼓風機兩葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中相互嚙合，致使風機內(nèi)部的流動情況特別復雜。國內(nèi)對于羅茨風機數(shù)值模擬很少，一般采用穩(wěn)態(tài)的簡化模型。羅茨鼓風機隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動流體空間變化很大，這些簡化方法無法滿足實際要求，必須使用難度較大的動網(wǎng)格技術(shù)進行模擬。

　　1氣體流動的控制方程

　　羅茨風機內(nèi)氣體視為可壓縮理想氣體，其工作過程屬于流動與傳熱的耦合問題，滿足下列的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及氣體狀態(tài)方程，湍流模型采用工程中最常用的標準k一嘴型。

　　其中P為氣體密度，運動粘性系數(shù)，為氣體比熱，X為分子導熱系數(shù)，R為氣體常數(shù)，Bi為體積力。

　　2計算方法

　　2.1研究對象及操作條件

　　選取如下圖所示的四葉羅茨風機作為研究對象。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n=1500rpm,則旋轉(zhuǎn)周期為T=0.04s ,選取時間步長△t=0.0025T。設置進出口為壓力邊界條件，環(huán)境溫度及固體邊界溫度設為恒溫25°C。

　　2.2物理模型的簡化

　　由于羅茨風機三維模型可以由二維模型軸向延伸得到，二維計算模型已能滿足分析流場的需求。另外本文為非定常計算，花費的時間較長，劃分的總體網(wǎng)格數(shù)大，所以計算中采用了二維模型。

　　2. 3動網(wǎng)格的實現(xiàn)

　　由于羅茨型風機進排氣容積呈周期性變化，計算域與網(wǎng)格隨時間的變形和位移十分顯著，現(xiàn)有的cro技術(shù)只有動網(wǎng)格才能實現(xiàn)這種狀況下的動態(tài)模擬。本文采用局部網(wǎng)格再生成和彈性光滑模型來實現(xiàn)動網(wǎng)格以適應實際流場的需要。選取圖1中從進氣口到排氣口的流動空間作為計算域，采用三角形非結(jié)構(gòu)化動網(wǎng)格。局部網(wǎng)格再生成模型用于確定時間步長改變后哪些 網(wǎng)格被重新劃分。在進行下一個時間步迭代之前，重新檢查網(wǎng)格的尺度和扭曲率，當網(wǎng)格的尺寸大于或小于設定尺寸，網(wǎng)格畸變率大于系統(tǒng)畸變率標準，則進行網(wǎng)格再生成。通過編制 或自定義函數(shù)（UDF)對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動參數(shù)進行定義，控制其運動大小方向。計算域的初始網(wǎng)格是比較規(guī)則均勻的網(wǎng)格（如圖2(a)>隨著時間的變化，網(wǎng)格因變形與重組也不斷發(fā)生變 化，如圖 2（a）( b) ( c) ( d)。

　　2.4數(shù)值解法

　　計算中采用有限體積法求解，壓力項用PRESIO格式離散，擴散項用中心差分格式離散，其余項用二階迎風格式離散，壓力速度耦合方程采用PISO算法求解。

　　3計算結(jié)果及分析

　　3.1流量變化規(guī)律

　　圖3給出了四葉羅茨風機進氣口質(zhì)量流量隨時間的變化曲線，排氣口質(zhì)量流量與進口完全對應。由圖3可見，風機在經(jīng)歷了一段啟動時間（約T/8 )后，氣體質(zhì)量流量（在0. 049?0. 053 kg/范圍內(nèi)）隨時間作規(guī)則的周期變化，即流動進入了相對穩(wěn)定的階段。在一個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期T內(nèi)，流量隨時間出現(xiàn)8次諧波變化，頻率正好是羅茨風機葉片數(shù)的一倍，這是兩個轉(zhuǎn)子交互作用所產(chǎn)生的結(jié)果。與三葉羅茨風機相比，四葉羅茨風機流量變化顯得較為平穩(wěn)，波動幅度也有所減小。

　　3. 2流場分布

　　圖4給出四葉羅茨風機流場分布隨時間的變化，流速在0? 20 m/范圍內(nèi)變化，其中θ表示左側(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角位置。圖4的4 個流場分別對應于圖3的4個典型時刻。由圖3、圖4可見，θ=0°和θ=45°商個時刻，進排氣口流量最小，整個風機內(nèi)流速較低。θ=22.5°和θ=6.75°商個時刻，進排氣口流量達到最大值，整個風機內(nèi)流速較高。流量流場變化周期為T/S相位角為45°。

　　3. 3靜壓場分布

　　圖5給出四葉羅茨風機靜壓場分布隨時間的變化，4個靜壓場分別對應于圖3的4個典型時刻，壓力在0?1000P內(nèi)變化。從計算得到的靜壓分布值隨時間的變化規(guī)律看，進氣口位置的平均壓力與流量值成反比，當風機流量達到最大值時，進氣口的平均壓力達到最小值；反之，當流量達到最小值時，進氣口的平均壓力達到最大值。

　　通過對四葉羅茨風機進排氣過程的非穩(wěn)態(tài)流動進行數(shù)值模擬，得出四葉羅茨風機質(zhì)量流量、流速場、壓力場隨時間變化的一般規(guī)律。四葉羅茨風機結(jié)構(gòu)上有較好的對稱性，其流動性能顯得較為平穩(wěn)、可靠。相信，未來的風機行業(yè)四葉羅茨鼓風機會引領(lǐng)發(fā)展，大綻光彩的。

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四葉羅茨風機：羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

　　羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀羅茨風機采用四葉轉(zhuǎn)子，不僅能增加葉片泵的緊密性，增大輸出流量、降低噪音，還能有效延長葉片泵的使用壽命。但是隨著葉片數(shù)的增加，其加工的復雜性增加，加工效率大大降低.

　　三葉羅茨風機

　　羅茨鼓風機的轉(zhuǎn)子都是兩葉的，近年來，為降低流量脈動和沖擊噪聲，國內(nèi)外相繼發(fā)展推出了三葉-直葉型、三葉-扭葉型羅茨鼓風機。在轉(zhuǎn)速相同的情況下，二葉羅茨風機均壓過程的壓力脈動劇烈強度大于三葉羅茨風機。三葉轉(zhuǎn)子羅茨鼓風機特別是扭葉型的由于噪聲和動平衡性能較好。在汽車機械增壓上的應用越來越多。

　　四葉羅茨風機的研究

　　隨著羅茨鼓風機的發(fā)展，國外和國內(nèi)相繼出現(xiàn)了四葉轉(zhuǎn)子的研究，用一個簡單的設計方法增加羅茨風機旋轉(zhuǎn)葉片泵的使用壽命。這種方法就是增加羅茨風機轉(zhuǎn)子的翼數(shù)，即增加葉片數(shù)。該研究指出羅茨風機采用四葉轉(zhuǎn)子，不僅能增加葉片泵的緊密性，增大輸出流量、降低噪音，還能有效延長葉片泵的使用壽命。但是隨著葉片數(shù)的增加，其加工的復雜性增加，加工效率大大降低，從綜合成本上來說，四葉轉(zhuǎn)子不如三葉轉(zhuǎn)子性價比高。

　　風機轉(zhuǎn)子型線

　　羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子型線可使用圓弧、漸開線、擺線及其組合作為理論型線。羅茨鼓風機的葉型設計目前仍處在研究和發(fā)展之中，已有許多文獻有過相關(guān)報道，比如：羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子型線可用“圓弧-擺線-漸開線”型代替“圓弧-漸開線”型。改變之后，抽氣效率提高了，轉(zhuǎn)子頂部抗腐蝕性增強了，工藝性能更好了。傳統(tǒng)的漸開線型轉(zhuǎn)子存在型線干涉及面積利用系數(shù)降低等問題，因此，可以對其進行改造，以克服型線干涉及提高面積利用系數(shù)。也可以利用CAD、CAM技術(shù)對三葉漸開線轉(zhuǎn)子型線進行修正。將轉(zhuǎn)子的壓力角適當減小，齒頂半徑適當增大，對型線進行這種修正的目的是為了增大面積利用系數(shù)。可以根據(jù)研究漸開線齒輪的方法來研究漸開線轉(zhuǎn)子。

　　如何對漸開線線型部分建模也是國外研究的重點。一種新方法就是對共軛齒輪齒型漸開線部分中的齒輪齒面進行離散化。將實際的齒面看作是由較小的局部漸開線組成的。由于其簡單性，這種方法的速度超過了標準理論，并且可以應用到齒型幾何的迭代計算，比如齒輪的優(yōu)化。

　　漸開線型齒輪與擺線型相比，其優(yōu)勢在于中心距的變化不會引起傳輸誤差。但是在實際設計和軸承接觸與傳輸誤差的測試中顯示需要對漸開線齒輪進行修正，特別是漸開線斜齒輪，因此提出了修正漸開線齒輪計算機設計、生成以及應力分析的有限元方法應用的新方法。圓弧是羅茨風機轉(zhuǎn)子設計中大量應用的曲線元。一段圓弧+圓弧包絡線型羅茨轉(zhuǎn)子型線的容積利用系數(shù)在0.311-0.585之間。兩段圓弧+圓弧包絡線型羅茨轉(zhuǎn)子型線的容積利用系數(shù)隨峰頂系數(shù)的變化有所不同，在同一形狀系數(shù)下，峰頂系數(shù)越小，容積利用系數(shù)越大，當其值為0.1時，其容積利用系數(shù)在0.321-0.656之間。

　　羅茨鼓風機轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀山東錦工重工機械有限公司專業(yè)生產(chǎn)制造各類羅茨風機、羅茨真空泵、MVR蒸汽壓縮機、回轉(zhuǎn)風機等設備，承接氣力輸送系統(tǒng)工程，生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)供料器、倉泵、料封泵、旋轉(zhuǎn)閥等各類氣力輸送設備，綜合以上所講如有遺漏或問題歡迎咨詢錦工客服或來電咨詢。

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