清扫车专用风机内流仿真分析与优化设计
针对某型号清扫车能耗高、 噪声大的问题， 以清扫车主要能耗源和噪声源的风机作为研究对象， 对清扫车专用风机进行三维数值仿真分析。 使用 Fluent 软件并采用 RNGk-ε 湍流模型和多重坐标系（MRF ） 法进行求解， 对比分析原始结构和改进结构在额定工况下流场特征。结果表明， 改进结构的叶轮内部流场 “射流—尾流” 结构明显减弱， 涡耗散和涡量减小， 流场更均匀， 风机噪声大幅度降低， 效率明显提高， 实现了 “节能、 降噪” 目的。同时 Fluent 软件的仿真模拟可以很好地指导工程实践， 也可以替代某些试验， 极大地缩短了研发周期。
随着中国经济的快速发展和城市对环境卫生质量要求的不断提高， 各地环卫部门加快了提高城市道路清扫作业机械化程度的步伐， 清扫车作为新一代路面作业清洁工具， 其应用范围越来越广泛。清扫车专用风机是清扫车气力系统的关键零部件、 动力源和主要噪声源， 其气动及噪声特性对清扫车整车作业性能具有重要的影响。因此， 开展清扫车专用风机的气动特性分析是清扫车技术领域中亟待探索的关键研究方向。
2 清扫车专用风机的改进开发
目前， 清扫车专用风机大多为前向离心风机。前向离心风机由于其叶片出口角和叶片曲率较大的结构特点， 内流流动特征十分复杂。尤其是在叶轮流道末端， 前向离心风机常常易出现强烈的 “射流—尾流” 结构 [1-3] 、 分离流动以及漩涡流等。这些流动往往是能量损失、 振动和噪声的重要来源 [4-5] 。 而后向离心风机中， 这些不利流动一般可以得到减弱甚至消除。因此， 探索用后向叶片代替前向叶片来减小流动损失和气动噪声， 是提高清扫车产品性能的可尝试途径。
3 数值计算方法
3.1 几何结构及网格
研究的某型号清扫车专用风机为前向离心风机（原始结构 ） ， 叶轮主要结构， 如图 1 所示。优化改进后的风机为后向离心风机 （改进结构 ） ， 叶轮主要结构， 如图 2 所示。
在优化过程中， 叶轮前盘、 后盘形状和叶轮出口宽度保持不变， 叶片型线由前向改为后向。
采用三维建模软件进行实体建模，运用 ICEM 软件划分网格。在划分网格时， 考虑到专用风机结构的复杂性以及网格的生成质量， 将整个石家庄风机计算域分为进口延长段、 叶轮、 间隙区域、 蜗壳和出口延长段五个部分， 为适应专用风机内部结构的复杂性， 采用多块网格生成方法生成高质量网格。 考虑到不同流动区域的不同重要性，对叶轮内部和蜗舌壁面附近的网格节点进行了加密控制。 为了避免网格数量对数值预估精度的影响， 划分网格时， 对网格进行无关性处理。
将在 ICEM 中建立的三维网格模型以.msh 的文件格式输出， 然后导入到 Fluent 软件中进行计算求解。
3.2 控制方程
专用风机的内部流动是三维粘性不可压缩流动，遵循物理守恒定律， 控制方程包括质量守恒方程、 动量守恒方程以及湍流输运方程。
采用 RNGk-ε 湍流模型， 该模型通过对湍流粘性进行修正，考虑了旋转及曲率效应对流动的影响， 与标准 k-ε 模型相比可以较好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。
3.3 边界条件与初始条件
计算时采用 “多重坐标系” （MRF ） 模型耦合动静部分区域，即叶轮区域为旋转区域， 采用旋转坐标系， 流体给定相应的旋转速度； 其余区域为静止区域， 采用静止坐标系。 定义所有的叶片表面， 前、 后盘面为旋转壁面， 给定相应的旋转速度； 蜗壳内壁面为静止壁面； 旋转壁面和静止壁面均满足无滑移边界条件。定义进口延长段的进口截面为整个计算域的进口， 出口延长段的出口截面为整个计算域的出口。风机进口处给定速度进口边界条件， 出口处给定压力出口边界条件； 进、 出口处的湍流边界给定水力直径和湍流强度 I。湍流强度 I 计算公式为:式中: R eH —根据水力直径计算出来的雷诺数。近壁面处理采用Launder 和 Spalding 提出的标准壁面函数 [6] 。