杨长春，楼晓华，杨晓燕
（四方科技集团股份有限公司，江苏南通 226371）
前言
流态化速冻技术是食品单体快速冻结的理想方法[1]。无蜗壳离心风机具有风量大、噪声低、压力高及结构紧凑等优点，常被应用在流态化速冻设备中输送冷气并迫使冻品与冷气发生热量交换[2-3]。其风机指标影响风能分布与换热效果，进而影响冻品的冻结速率[4-5]。为了满足速冻设备工作需求，很多风机企业需要在常规风机的基础上进行大量的性能测试和改进，但随之面临的问题是对如何有效获得新风机在速冻设备中的实际性能。考虑到速冻装置内部结构复杂，设计阶段仅对风机单体的模拟研究难以全面掌握其对速冻装置风场的影响。因此，从测试角度出发，结合流态化速冻设备特征，搭建离心风机性能测试平台，将对速冻设备用风机的设计与改进具有重要意义。
本文根据速冻设备的使用环境，设计并搭建了离心风机性能测试平台，用于测试七号离心风机的流场指标。此外，基于Gambit 和Fluent 软件建立了测试装置平台内部流场的计算模型，用于模拟被测试风机。
1 测试平台设计与风机性能测试
1.1 结构特点
图1 是测试平台的结构示意图。
图1 离心风机性能测试平台结构
测试平台的设计按照GB/T 1236-2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》要求，结合流态化速冻设备的特点，将测试装置的吸风口与大气相连，与被测风机入口相通。风机出口通往锥形管区域，锥形管区域与风筒区域之间有一块集流栅板，作用是整流气体。风道和锥形管的截面均为圆形，其尺寸为：吸风口直径0.595 m，出风口直径1.4 m，测试平台总长5.1 m。
1.2 技术参数
风机参数为：叶片数14 个，直径0.7 m，设计流量18 000 m3/h，额定转速1 460 rpm。测试设备包括：压力计用于测量相对于大气压的气压；热线风速仪用于测量风速；温湿度传感器采集气体的温度和相对湿度。风机测试按照GB 1236-85 标准进行。
1.3 测试方法
本研究中的测试平台主要实现对风压、风速和风量三个参数的测量任务。
测量位置包括：吸风口截面、出风口截面和锥形管附近截面，见图2。
图2 离心风机性能测试台的测试位置
吸风口和出风口划分后的区域面积见表1 和表2。图2 (b)是锥形管截面附近截面的风压测试位置。吸风口风量Q吸风口和出风口风量Q出风口通过式(2)和式(3)进行计算：
表1 进风口不同直径位置的区域面积
表2 出风口不同直径位置的区域面积
2 测试平台与离心风机流场计算
2.1 计算模型及网格划分
计算模型主要包括三部分：风道流体域、叶轮流体域和叶轮壳体，见图3(a)。
图3 流场计算模型
采用Gambit 软件划分计算模型网格，应用六面体单元网格划分叶轮静域，网格单元边长6 mm；应用四面体和六面体混合体单元划分转子区域和定子区域网格，网格单元间距40 mm，网格增长率1.2 mm，最大增长率6 mm。划分后的计算模型网格单元数量为524 万，见图3(b)。
2.2 湍流模型和边界条件
流场模拟采用Fluent 软件，对转子区域施加旋转离心力，已知风机叶轮转速n=1 460 rpm，其旋转角速度ω 根据ω=2πn/60 换算后约为152.89 rad/s。实验风道内的流体的运动形式为常温下的湍流运动，定义气体为基于理想气体模型的可压缩流体。
求解器类型选择基于压力求解器，采用标准k-ε两方程湍流模型模拟气体流动，开启能量方程，速度与压力的耦合方法基于SIMPLE 算法。
最后，经过对网格密度、湍流模型、边界条件等无关性检测后，完成流场计算。
3 结果和对比
3.1 测试平台的流场分布情况
图4 为测试平台内流场的三维速度流线图。
图4 风速流线分布
基于后处理软件CFD-post 提取了图3 (a)中测试位置截面的模拟结果，并将其与实验测试结果进行对比。表3 和表4 分别是吸风口和出风口截面的风速测试数据。对于表3 和表4 的结果，吸风口和出风口截面中心位置的模拟风速远小于实测风速，原因可能是计算模型未充分考虑风机中心位置的流场。
表3 吸风口测点X-Y坐标与风速结果(m/s)
表4 出风口测点X-Y 坐标与风速结果(m/s)
3.2 被测试风机的性能结果对比
根据实验测试数据计算被测试风机的流场指标，结果见表5 和表6。
表5 七号被测试风机参数的仿真值和实验值的对比
表6 锥形管附近截面的风压结果对比
风速、风压和风量的对比表明，仿真值均比实测值偏大。在锥形管附近测试面，边缘风压值的明显大于中心位置，整体高出200 Pa。出风口风速相差为9%，吸风口风速相差46.4%，这是因为数值模拟中对计算模型简化时去掉了风机性能测试台的进口导风板，而直接将叶轮入口作为吸风口面，实际上叶轮入口直径远小于导风板直径。
4 结论
测试与仿真对比结果表明：尽管出风口的实验值和仿真值吻合较好，但是仿真结果在数值上高于测量结果，特别是入口处负压区数值近似为实验值的一倍。这说明了所设计的离心风机性能测试平台的测试能力能够弥补仿真上的不足，因此可以结合数值模拟和实验测试，更好地进行速冻设备用新型风机的研制。
