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

　　原標(biāo)題：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模擬下的四葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)

　　羅茨鼓風(fēng)機(jī)屬容積式風(fēng)機(jī)，是一種典型的氣體增壓與輸送機(jī)械產(chǎn)品，廣泛應(yīng)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(fēng)機(jī)為作業(yè)中的物理過程和化學(xué)過程提供反應(yīng)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(jī)也屬于真空設(shè)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(fēng)機(jī)主要有二葉和三葉風(fēng)機(jī)二類，目前三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)比較常用。在風(fēng)機(jī)領(lǐng)域，市面上的四葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)比較少見，與二葉、三葉羅茨風(fēng)機(jī)相比，四葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)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(guó)內(nèi)不少風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家開始引進(jìn)生產(chǎn)四葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的高速發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)葉輪機(jī)械內(nèi)部實(shí)際流動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬其流動(dòng)狀況也成為一種新手段。運(yùn)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用氣體流動(dòng)控制方程方程和標(biāo)準(zhǔn)k一 e湍流模型，對(duì)四葉羅茨風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

　　羅茨鼓風(fēng)機(jī)兩葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中相互嚙合，致使風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)情況特別復(fù)雜。國(guó)內(nèi)對(duì)于羅茨風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬很少，一般采用穩(wěn)態(tài)的簡(jiǎn)化模型。羅茨鼓風(fēng)機(jī)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)流體空間變化很大，這些簡(jiǎn)化方法無法滿足實(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(jī)內(nèi)氣體視為可壓縮理想氣體，其工作過程屬于流動(dòng)與傳熱的耦合問題，滿足下列的連續(xù)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(biāo)準(zhǔn)k一嘴型。

　　其中P為氣體密度，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，為氣體比熱，X為分子導(dǎo)熱系數(shù)，R為氣體常數(shù)，Bi為體積力。

　　2計(jì)算方法

　　2.1研究對(duì)象及操作條件

　　選取如下圖所示的四葉羅茨風(fēng)機(jī)作為研究對(duì)象。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n=1500rpm,則旋轉(zhuǎn)周期為T=0.04s ,選取時(shí)間步長(zhǎng)△t=0.0025T。設(shè)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(shè)為恒溫25°C。

　　2.2物理模型的簡(jiǎn)化

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

　　2. 3動(dòng)網(wǎng)格的實(shí)現(xiàn)

　　由于羅茨型風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣容積呈周期性變化，計(jì)算域與網(wǎng)格隨時(shí)間的變形和位移十分顯著，現(xiàn)有的cro技術(shù)只有動(dòng)網(wǎng)格才能實(shí)現(xiàn)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實(shí)現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格以適應(yīng)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(jì)算域，采用三角形非結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(dāng)網(wǎng)格的尺寸大于或小于設(shè)定尺寸，網(wǎng)格畸變率大于系統(tǒng)畸變率標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)行網(wǎng)格再生成。通過編制 或自定義函數(shù)（UDF)對(duì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行定義，控制其運(yùn)動(dòng)大小方向。計(jì)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(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(shù)值解法

　　計(jì)算中采用有限體積法求解，壓力項(xiàng)用PRESIO格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)用中心差分格式離散，其余項(xiàng)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(jì)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(fēng)機(jī)進(jìn)氣口質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線，排氣口質(zhì)量流量與進(jìn)口完全對(duì)應(yīng)。由圖3可見，風(fēng)機(jī)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(nèi)）隨時(shí)間作規(guī)則的周期變化，即流動(dòng)進(jìn)入了相對(duì)穩(wěn)定的階段。在一個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期T內(nèi)，流量隨時(shí)間出現(xiàn)8次諧波變化，頻率正好是羅茨風(fēng)機(jī)葉片數(shù)的一倍，這是兩個(gè)轉(zhuǎn)子交互作用所產(chǎn)生的結(jié)果。與三葉羅茨風(fēng)機(jī)相比，四葉羅茨風(fēng)機(jī)流量變化顯得較為平穩(wěn)，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(jī)流場(chǎng)分布隨時(shí)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(gè)流場(chǎng)分別對(duì)應(yīng)于圖3的4個(gè)典型時(shí)刻。由圖3、圖4可見，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(jī)內(nèi)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(dá)到最大值，整個(gè)風(fēng)機(jī)內(nèi)流速較高。流量流場(chǎng)變化周期為T/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(jī)靜壓場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化，4個(gè)靜壓場(chǎng)分別對(duì)應(yīng)于圖3的4個(gè)典型時(shí)刻，壓力在0?1000P內(nèi)變化。從計(jì)算得到的靜壓分布值隨時(shí)間的變化規(guī)律看，進(jìn)氣口位置的平均壓力與流量值成反比，當(dāng)風(fēng)機(jī)流量達(dá)到最大值時(shí)，進(jìn)氣口的平均壓力達(dá)到最小值；反之，當(dāng)流量達(dá)到最小值時(shí)，進(jìn)氣口的平均壓力達(dá)到最大值。

　　通過對(duì)四葉羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣過程的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出四葉羅茨風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量、流速場(chǎng)、壓力場(chǎng)隨時(shí)間變化的一般規(guī)律。四葉羅茨風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上有較好的對(duì)稱性，其流動(dòng)性能顯得較為平穩(wěn)、可靠。相信，未來的風(fēng)機(jī)行業(yè)四葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)會(huì)引領(lǐng)發(fā)展，大綻光彩的。

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羅茨風(fēng)機(jī)四葉：羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

　　羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀羅茨風(fēng)機(jī)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(zhǎng)葉片泵的使用壽命。但是隨著葉片數(shù)的增加，其加工的復(fù)雜性增加，加工效率大大降低.

　　三葉羅茨風(fēng)機(jī)

　　羅茨鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子都是兩葉的，近年來，為降低流量脈動(dòng)和沖擊噪聲，國(guó)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(fēng)機(jī)。在轉(zhuǎn)速相同的情況下，二葉羅茨風(fēng)機(jī)均壓過程的壓力脈動(dòng)劇烈強(qiáng)度大于三葉羅茨風(fēng)機(jī)。三葉轉(zhuǎn)子羅茨鼓風(fēng)機(jī)特別是扭葉型的由于噪聲和動(dòng)平衡性能較好。在汽車機(jī)械增壓上的應(yīng)用越來越多。

　　四葉羅茨風(fēng)機(jī)的研究

　　隨著羅茨鼓風(fēng)機(jī)的發(fā)展，國(guó)外和國(guó)內(nèi)相繼出現(xiàn)了四葉轉(zhuǎn)子的研究，用一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法增加羅茨風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片泵的使用壽命。這種方法就是增加羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的翼數(shù)，即增加葉片數(shù)。該研究指出羅茨風(fēng)機(jī)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(zhǎng)葉片泵的使用壽命。但是隨著葉片數(shù)的增加，其加工的復(fù)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(jià)比高。

　　風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子型線

　　羅茨鼓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的葉型設(shè)計(jì)目前仍處在研究和發(fā)展之中，已有許多文獻(xiàn)有過相關(guān)報(bào)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(qiáng)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(duì)其進(jìn)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(duì)三葉漸開線轉(zhuǎn)子型線進(jìn)行修正。將轉(zhuǎn)子的壓力角適當(dāng)減小，齒頂半徑適當(dāng)增大，對(duì)型線進(jìn)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(duì)漸開線線型部分建模也是國(guó)外研究的重點(diǎn)。一種新方法就是對(duì)共軛齒輪齒型漸開線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線組成的。由于其簡(jiǎn)單性，這種方法的速度超過了標(biāo)準(zhǔn)理論，并且可以應(yīng)用到齒型幾何的迭代計(jì)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(shì)在于中心距的變化不會(huì)引起傳輸誤差。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)和軸承接觸與傳輸誤差的測(cè)試中顯示需要對(duì)漸開線齒輪進(jìn)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(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、生成以及應(yīng)力分析的有限元方法應(yīng)用的新方法。圓弧是羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用的曲線元。一段圓弧+圓弧包絡(luò)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(luò)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(dāng)其值為0.1時(shí)，其容積利用系數(shù)在0.321-0.656之間。

　　羅茨鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀山東錦工重工機(jī)械有限公司專業(yè)生產(chǎn)制造各類羅茨風(fēng)機(jī)、羅茨真空泵、MVR蒸汽壓縮機(jī)、回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)等設(shè)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(shè)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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