四葉羅茨風(fēng)機：網(wǎng)絡(luò )技術(shù)模擬下的四葉羅茨鼓風(fēng)機非穩態(tài)流動(dòng)

　　原標題：網(wǎng)絡(luò )技術(shù)模擬下的四葉羅茨鼓風(fēng)機非穩態(tài)流動(dòng)

　　羅茨鼓風(fēng)機屬容積式風(fēng)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(fēng)機為作業(yè)中的物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)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(fēng)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(zhù)保持、濃縮空氣干燥、脫水等領(lǐng)域。

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

　　隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的高速發(fā)展，運用計算機對葉輪機械內部實(shí)際流動(dòng)進(jìn)行數據模擬其流動(dòng)狀況也成為一種新手段。運用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用氣體流動(dòng)控制方程方程和標準k一 e湍流模型，對四葉羅茨風(fēng)機內部流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬。

　　羅茨鼓風(fēng)機兩葉輪在旋轉過(guò)程中相互嚙合，致使風(fēng)機內部的流動(dòng)情況特別復雜。國內對于羅茨風(fēng)機數值模擬很少，一般采用穩態(tài)的簡(jiǎn)化模型。羅茨鼓風(fēng)機隨著(zhù)轉子轉動(dòng)流體空間變化很大，這些簡(jiǎn)化方法無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際要求，必須使用難度較大的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行模擬。

　　1氣體流動(dòng)的控制方程

　　羅茨風(fēng)機內氣體視為可壓縮理想氣體，其工作過(guò)程屬于流動(dòng)與傳熱的耦合問(wèn)題，滿(mǎn)足下列的連續性方程、動(dòng)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(dòng)粘性系數，為氣體比熱，X為分子導熱系數，R為氣體常數，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(fēng)機作為研究對象。轉子的轉速n=1500rpm,則旋轉周期為T(mén)=0.04s ,選取時(shí)間步長(cháng)△t=0.0025T。設置進(jìn)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(jiǎn)化

　　由于羅茨風(fēng)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(mǎn)足分析流場(chǎng)的需求。另外本文為非定常計算，花費的時(shí)間較長(cháng)，劃分的總體網(wǎng)格數大，所以計算中采用了二維模型。

　　2. 3動(dòng)網(wǎng)格的實(shí)現

　　由于羅茨型風(fēng)機進(jìn)排氣容積呈周期性變化，計算域與網(wǎng)格隨時(shí)間的變形和位移十分顯著(zhù)，現有的cro技術(shù)只有動(dòng)網(wǎng)格才能實(shí)現這種狀況下的動(dòng)態(tài)模擬。本文采用局部網(wǎng)格再生成和彈性光滑模型來(lái)實(shí)現動(dòng)網(wǎng)格以適應實(shí)際流場(chǎng)的需要。選取圖1中從進(jìn)氣口到排氣口的流動(dòng)空間作為計算域，采用三角形非結構化動(dòng)網(wǎng)格。局部網(wǎng)格再生成模型用于確定時(shí)間步長(cháng)改變后哪些 網(wǎng)格被重新劃分。在進(jìn)行下一個(gè)時(shí)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)格畸變率大于系統畸變率標準，則進(jìn)行網(wǎng)格再生成。通過(guò)編制 或自定義函數（UDF)對轉子的旋轉運動(dòng)參數進(jìn)行定義，控制其運動(dòng)大小方向。計算域的初始網(wǎng)格是比較規則均勻的網(wǎng)格（如圖2(a)>隨著(zhù)時(shí)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(fēng)格式離散，壓力速度耦合方程采用PISO算法求解。

　　3計算結果及分析

　　3.1流量變化規律

　　圖3給出了四葉羅茨風(fēng)機進(jìn)氣口質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，排氣口質(zhì)量流量與進(jìn)口完全對應。由圖3可見(jiàn)，風(fēng)機在經(jīng)歷了一段啟動(dòng)時(shí)間（約T/8 )后，氣體質(zhì)量流量（在0. 049?0. 053 kg/范圍內）隨時(shí)間作規則的周期變化，即流動(dòng)進(jìn)入了相對穩定的階段。在一個(gè)轉子旋轉周期T內，流量隨時(shí)間出現8次諧波變化，頻率正好是羅茨風(fēng)機葉片數的一倍，這是兩個(gè)轉子交互作用所產(chǎn)生的結果。與三葉羅茨風(fēng)機相比，四葉羅茨風(fēng)機流量變化顯得較為平穩，波動(dòng)幅度也有所減小。

　　3. 2流場(chǎng)分布

　　圖4給出四葉羅茨風(fēng)機流場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化，流速在0? 20 m/范圍內變化，其中θ表示左側轉子的轉角位置。圖4的4 個(gè)流場(chǎng)分別對應于圖3的4個(gè)典型時(shí)刻。由圖3、圖4可見(jiàn)，θ=0°和θ=45°商個(gè)時(shí)刻，進(jìn)排氣口流量最小，整個(gè)風(fēng)機內流速較低。θ=22.5°和θ=6.75°商個(gè)時(shí)刻，進(jìn)排氣口流量達到最大值，整個(gè)風(fēng)機內流速較高。流量流場(chǎng)變化周期為T(mén)/S相位角為45°。

　　3. 3靜壓場(chǎng)分布

　　圖5給出四葉羅茨風(fēng)機靜壓場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化，4個(gè)靜壓場(chǎng)分別對應于圖3的4個(gè)典型時(shí)刻，壓力在0?1000P內變化。從計算得到的靜壓分布值隨時(shí)間的變化規律看，進(jìn)氣口位置的平均壓力與流量值成反比，當風(fēng)機流量達到最大值時(shí)，進(jìn)氣口的平均壓力達到最小值；反之，當流量達到最小值時(shí)，進(jìn)氣口的平均壓力達到最大值。

　　通過(guò)對四葉羅茨風(fēng)機進(jìn)排氣過(guò)程的非穩態(tài)流動(dòng)進(jìn)行數值模擬，得出四葉羅茨風(fēng)機質(zhì)量流量、流速場(chǎng)、壓力場(chǎng)隨時(shí)間變化的一般規律。四葉羅茨風(fēng)機結構上有較好的對稱(chēng)性，其流動(dòng)性能顯得較為平穩、可靠。相信，未來(lái)的風(fēng)機行業(yè)四葉羅茨鼓風(fēng)機會(huì )引領(lǐng)發(fā)展，大綻光彩的。

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四葉羅茨風(fēng)機：羅茨鼓風(fēng)機轉子技術(shù)的發(fā)展及研究現狀

　　羅茨鼓風(fēng)機轉子技術(shù)的發(fā)展及研究現狀羅茨風(fēng)機采用四葉轉子，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(cháng)葉片泵的使用壽命。但是隨著(zhù)葉片數的增加，其加工的復雜性增加，加工效率大大降低.

　　三葉羅茨風(fēng)機

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

　　四葉羅茨風(fēng)機的研究

　　隨著(zhù)羅茨鼓風(fēng)機的發(fā)展，國外和國內相繼出現了四葉轉子的研究，用一個(gè)簡(jiǎn)單的設計方法增加羅茨風(fēng)機旋轉葉片泵的使用壽命。這種方法就是增加羅茨風(fēng)機轉子的翼數，即增加葉片數。該研究指出羅茨風(fēng)機采用四葉轉子，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(cháng)葉片泵的使用壽命。但是隨著(zhù)葉片數的增加，其加工的復雜性增加，加工效率大大降低，從綜合成本上來(lái)說(shuō)，四葉轉子不如三葉轉子性?xún)r(jià)比高。

　　風(fēng)機轉子型線(xiàn)

　　羅茨鼓風(fēng)機轉子型線(xiàn)可使用圓弧、漸開(kāi)線(xiàn)、擺線(xiàn)及其組合作為理論型線(xiàn)。羅茨鼓風(fēng)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(guò)相關(guān)報道，比如：羅茨真空泵的轉子型線(xiàn)可用“圓弧-擺線(xiàn)-漸開(kāi)線(xiàn)”型代替“圓弧-漸開(kāi)線(xiàn)”型。改變之后，抽氣效率提高了，轉子頂部抗腐蝕性增強了，工藝性能更好了。傳統的漸開(kāi)線(xiàn)型轉子存在型線(xiàn)干涉及面積利用系數降低等問(wèn)題，因此，可以對其進(jìn)行改造，以克服型線(xiàn)干涉及提高面積利用系數。也可以利用CAD、CAM技術(shù)對三葉漸開(kāi)線(xiàn)轉子型線(xiàn)進(jìn)行修正。將轉子的壓力角適當減小，齒頂半徑適當增大，對型線(xiàn)進(jìn)行這種修正的目的是為了增大面積利用系數?？梢愿鶕芯繚u開(kāi)線(xiàn)齒輪的方法來(lái)研究漸開(kāi)線(xiàn)轉子。

　　如何對漸開(kāi)線(xiàn)線(xiàn)型部分建模也是國外研究的重點(diǎn)。一種新方法就是對共軛齒輪齒型漸開(kāi)線(xiàn)部分中的齒輪齒面進(jìn)行離散化。將實(shí)際的齒面看作是由較小的局部漸開(kāi)線(xiàn)組成的。由于其簡(jiǎn)單性，這種方法的速度超過(guò)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(kāi)線(xiàn)型齒輪與擺線(xiàn)型相比，其優(yōu)勢在于中心距的變化不會(huì )引起傳輸誤差。但是在實(shí)際設計和軸承接觸與傳輸誤差的測試中顯示需要對漸開(kāi)線(xiàn)齒輪進(jìn)行修正，特別是漸開(kāi)線(xiàn)斜齒輪，因此提出了修正漸開(kāi)線(xiàn)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(fēng)機轉子設計中大量應用的曲線(xiàn)元。一段圓弧+圓弧包絡(luò )線(xiàn)型羅茨轉子型線(xiàn)的容積利用系數在0.311-0.585之間。兩段圓弧+圓弧包絡(luò )線(xiàn)型羅茨轉子型線(xiàn)的容積利用系數隨峰頂系數的變化有所不同，在同一形狀系數下，峰頂系數越小，容積利用系數越大，當其值為0.1時(shí)，其容積利用系數在0.321-0.656之間。

　　羅茨鼓風(fēng)機轉子技術(shù)的發(fā)展及研究現狀山東錦工重工機械有限公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)制造各類(lèi)羅茨風(fēng)機、羅茨真空泵、MVR蒸汽壓縮機、回轉風(fēng)機等設備，承接氣力輸送系統工程，生產(chǎn)旋轉供料器、倉泵、料封泵、旋轉閥等各類(lèi)氣力輸送設備，綜合以上所講如有遺漏或問(wèn)題歡迎咨詢(xún)錦工客服或來(lái)電咨詢(xún)。

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