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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
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)時代的高速發(fā)展，運(yùn)用計算機(jī)對葉輪機(jī)械內(nèi)部實際流動進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬其流動狀況也成為一種新手段。運(yùn)用動網(wǎng)格技術(shù)，采用氣體流動控制方程方程和標(biāo)準(zhǔn)k一 e湍流模型，對四葉羅茨風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(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)部的流動情況特別復(fù)雜。國內(nèi)對于羅茨風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬很少，一般采用穩(wěn)態(tài)的簡化模型。羅茨鼓風(fēng)機(jī)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(jìn)行模擬。
1氣體流動的控制方程
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(biāo)準(zhǔn)k一嘴型。
其中P為氣體密度，運(yùn)動粘性系數(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(jī)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(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(fèi)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(fēng)機(jī)進(jìn)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(yīng)實際流場的需要。選取圖1中從進(jìn)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(jìn)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(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)對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行定義，控制其運(yùn)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(kuò)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(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)量流量隨時間的變化曲線，排氣口質(zhì)量流量與進(jìn)口完全對應(yīng)。由圖3可見，風(fēng)機(jī)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(jìn)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)相比，四葉羅茨風(fēng)機(jī)流量變化顯得較為平穩(wěn)，波動幅度也有所減小。
3. 2流場分布
圖4給出四葉羅茨風(fēng)機(jī)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(yīng)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(jìn)排氣口流量最小，整個風(fēng)機(jī)內(nèi)流速較低。θ=22.5°和θ=6.75°商個時刻，進(jìn)排氣口流量達(dá)到最大值，整個風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)靜壓場分布隨時間的變化，4個靜壓場分別對應(yīng)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(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，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，進(jìn)氣口的平均壓力達(dá)到最大值。
通過對四葉羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣過程的非穩(wěn)態(tài)流動進(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、壓力場隨時間變化的一般規(guī)律。四葉羅茨風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上有較好的對稱性，其流動性能顯得較為平穩(wěn)、可靠。相信，未來的風(fēng)機(jī)行業(yè)四葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)會引領(lǐng)發(fā)展，大綻光彩的。
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原標(biāo)題：羅茨鼓風(fēng)機(jī)選型的基本知識
一、鼓風(fēng)機(jī)選型的基本知識：
1、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：指風(fēng)機(jī)的進(jìn)口處空氣的壓力P=Pa，溫度t=20℃，相對濕度φ=50%的氣體狀態(tài)。
2、指定狀態(tài)：指風(fēng)機(jī)特指的進(jìn)氣狀況。其中包括當(dāng)?shù)卮髿鈮毫虍?dāng)?shù)氐暮０胃叨?，進(jìn)口氣體的壓力、進(jìn)口氣體的溫度以及進(jìn)口氣體的成份和體積百分比濃度。
3、鼓風(fēng)機(jī)流量及流量系數(shù)
3.1、流量：是指單位時間內(nèi)流過風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的氣體容積。
用Q表示，通常單位：m3/h或m3/min。
3.2、流量系數(shù)：φ=Q/（900πD22×U2）
式中：φ：流量系數(shù) Q：流量，m3/h
D2：葉輪直徑，m
U2：葉輪外緣線速度，m/s（u2=πD2n/60）
4、鼓風(fēng)機(jī)全壓及全壓系數(shù)：
4.1、鼓風(fēng)機(jī)全壓：風(fēng)機(jī)出口截面上的總壓與進(jìn)口截面上的總壓之差。用PtF表示，常用單位：Pa
4.2、全壓系數(shù):ψt=KpPtF/ρU22
式中, ψt:全壓系數(shù) Kp:壓縮性修正系數(shù) PtF:風(fēng)機(jī)全壓,Pa ρ:風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣體密度,Kg/m^3 u2：葉輪外緣線速度，m/s
5、鼓風(fēng)機(jī)動壓：風(fēng)機(jī)出口截面上氣體的動能所表征的壓力，用Pd表示。常用單位：Pa
6、鼓風(fēng)機(jī)靜壓：風(fēng)機(jī)的全壓減去風(fēng)機(jī)的動壓，用Pj表示。常用單位：Pa
7、鼓風(fēng)機(jī)全壓、靜壓、動壓間的關(guān)系：
風(fēng)機(jī)的全壓（PtF）=風(fēng)機(jī)的靜壓（Pj）+風(fēng)機(jī)的動壓（Pd）
8、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口處氣體的密度：氣體的密度是指單位容積氣體的質(zhì)量，用ρ表示，常用單位：Kg/m3
9、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口處氣體的密度計算式： ρ=P/RT
式中：P：進(jìn)口處絕對壓力，Pa R：氣體常數(shù)，J/Kg·K。與氣體的種類及氣體的組成成份有關(guān)。
T：進(jìn)口氣體的開氏溫度，K。與攝氏溫度之間的關(guān)系：T=273+t
10、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)與指定狀態(tài)主要參數(shù)間換算：
10.1、流量：ρQ=ρ0Q0
10.2、全壓：PtF/ρ=PtF0/ρ0
10.3、內(nèi)功率：Ni/ρ=Ni0/ρ0
注：式中帶底標(biāo)“0”的為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的參數(shù)，不帶底標(biāo)的為指定狀態(tài)下的參數(shù)。
11、鼓風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速計算式： Ns=5.54 n Q01/2/(KpPtF0)3/4
式中： Ns：風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速，重要的設(shè)計參數(shù)，相似風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速均相同。 n：風(fēng)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，r/min
Q0：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的流量，m3/s Kp: 壓縮性修正系數(shù) PtF0: 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)全壓,Pa
12、壓縮性修正系數(shù)的計算式：
Kp=k/（k－1）×[（1+p/P）(k－1)/k－1]×(PtF/P)－1
式中:PtF:指定狀態(tài)下風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的絕對壓力,Pa k:氣體指數(shù),對于空氣,K=1.4
13、鼓風(fēng)機(jī)葉輪直徑計算式： D2=（27/n）×[KpPtF0/（2ρ0ψt ）]1/2
式中:D2:葉輪外緣直徑,m n:主軸轉(zhuǎn)速：r/min Kp：壓縮性修正系數(shù) PtF0：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)全壓，單位：Pa
ρ0：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)進(jìn)口處氣體的密度：Kg/m3 ψt：風(fēng)機(jī)的全壓系數(shù)
14、管網(wǎng)：是指與鼓風(fēng)機(jī)聯(lián)接在一起的，氣流流經(jīng)的通風(fēng)管道以及管道上所有附件的總稱。
15、管網(wǎng)阻力的計算式：Rj=KQ2
式中: Rj:管網(wǎng)靜阻力,Pa
K:管網(wǎng)特性系數(shù)與管道長度、附件種類、多少等因素有關(guān)，確定其值的方法通常采用：計算法，類比法和實際測定法。
Q：風(fēng)機(jī)的流量，m3/s
16、常見壓力單位間的換算關(guān)系：
1毫米水柱（mmH2O）=9.807帕(Pa)
17、大氣壓力與海撥高度間近似關(guān)系： P=－（9.4～11.2）H
式中:P：大氣壓力Pa H：海撥高度：m
二、 選型實例（僅舉一例）
為2T/h工業(yè)鍋爐選擇一臺引風(fēng)機(jī)。已知最大負(fù)荷時所需風(fēng)機(jī)性能參數(shù)及相應(yīng)的進(jìn)氣條件，如下：
流量：Q=6800 m3/h ，進(jìn)口溫度：t1=200℃
全壓：PtF=2010 Pa ， 進(jìn)口絕對壓力P=96000 Pa
解：1、每秒鐘流量：Qs=6800/3600=1.89 m3/s
2、指定條件下空氣密度：ρ=P/RT=96000/（287×（273+200））=0.707 Kg/m3
3、換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的全壓： PtF0=PtF×ρ0/ρ=2010×1.2/0.707=3412 Pa
4、選定風(fēng)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速：n=2800 r/min
5、計算壓縮性修正系數(shù)：
Kp=K/（K－1）[（1+PtF/P）((k－1)/k)－1]×(PtF/P)－1
=1.4/(1.4－1) ×[(1+2010/96000)(1.4－1)/1.4－1] ×(2010/96000)－1
=0.9926
6、計算所需風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速：
Ns=5.54 n Q01/2/(KpPtF0)3/4
=5.54×2800×1.89^0.5/(0.9926×3412)3/4
=48
7、選用Y5－48型離心引風(fēng)機(jī)，查得該型風(fēng)機(jī)無因次特性曲線最高效率點參數(shù)為：
流量系數(shù)：φ=0.1225 全壓系數(shù)：ψt=0.536 內(nèi)效率:η=0.835
8、計算葉輪外徑：
D2=（27/n）×[KpPtF0/（2ρ0ψt ）]1/2
=（27/2800）×[0.9926×3412/（2×1.2×0.536 ）]1/2
=0.497m
選用Y5－48－11№5C引風(fēng)機(jī)
9、校核內(nèi)功率：
Ni=PtFQs/1000η=2010×1.89/(1000×0.835)=4.5 KW
電機(jī)容量儲備系數(shù)取為1.3,帶傳動機(jī)械效率取0.95,所需功率為:6.15KW
選用電機(jī)為:7.5KW－2極（型號：Y132S2－2
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墻板
檢查配管聯(lián)接部位是否堅固完好?；剞D(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的氣閘閥不能虛接線，以免燒壞。
材料根據(jù)羅茨鼓風(fēng)機(jī)使用時接觸介質(zhì)而定,如與酸接觸建議用強(qiáng)度的耐酸材料,如不銹鋼,以下加工材料與此相同。此時，應(yīng)擰開頂蓋上的放氣旋塞，排除空氣。
工作時間不宜過長，可避免倦怠。
羅茨鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與機(jī)體之間的間隙小，從而泄露少，容積效率較高。所以，應(yīng)當(dāng)在確保污水處理質(zhì)量的前提下，運(yùn)用成熟的技術(shù)降低污水處理中的能源消耗，促進(jìn)污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)周圍的通風(fēng)效果更好。如果散熱不好，電機(jī)很容易燒壞?；剞D(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的間隙以及轉(zhuǎn)子與主體之間的間隙小，因此幾乎沒有泄漏，并且容積效率高。鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子已經(jīng)過靜態(tài)和動態(tài)平衡檢查。成品運(yùn)行平穩(wěn)，振動較小?；剞D(zhuǎn)風(fēng)機(jī)由于葉輪在機(jī)體內(nèi)運(yùn)行而不需要摩擦，因此廢氣中不含油。它是化工，食品和其他行業(yè)的理想氣動輸送氣源。
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羅茨風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)為容積式風(fēng)機(jī)，輸送的風(fēng)量與轉(zhuǎn)數(shù)成比例，型葉輪每轉(zhuǎn)動由葉輪進(jìn)行吸、排氣，與型相比，氣體脈動性小，振動也小，噪聲低。
.應(yīng)清潔回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的周圍環(huán)境。過多的污垢會輕易降低電機(jī)散熱器的散熱效率并導(dǎo)致燒壞。
羅茨鼓風(fēng)機(jī)在工作之前是要進(jìn)行調(diào)試的，因為如此才能夠確保在工作時不會突發(fā)意外?；钚晕勰喙に囀俏鬯幚淼挠行Х椒?，將污水和活性污泥放入曝氣池，讓污水中的有機(jī)物、氧氣與微生物充分反應(yīng)，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。
羅茨鼓風(fēng)機(jī)不僅具有結(jié)構(gòu)合理，升壓高，效率高，風(fēng)量大，噪音低，運(yùn)行穩(wěn)定，性能優(yōu)良，使用壽命長，維護(hù)簡單等特點。以下是高壓羅茨鼓風(fēng)機(jī)在曝氣過程中的重要性的介紹。
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由于周期性的吸、排氣和瞬時等容壓縮造成氣流速度和壓力的脈動，因而會產(chǎn)生較大的氣體動力噪聲。如果電機(jī)出現(xiàn)了燒壞，啟動不了羅茨鼓風(fēng)機(jī)，那么就需要我們更換電機(jī)了，損失較為嚴(yán)重。若間隙過大，會出現(xiàn)被壓縮出去的氣體通過間隙部分倒流回來，造成風(fēng)機(jī)作功損耗，通常會顯現(xiàn)出來的問題是不便于調(diào)節(jié)。
此外，高壓羅茨鼓風(fēng)機(jī)也是污水處理曝氣池所需的核心機(jī)電設(shè)備。直接確定其效果和能耗，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作能耗占整個污水處理能耗的很大分。生物污水處理工藝主要采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行曝氣池增氧，促進(jìn)好氧微生物生長，通過代謝分解污水中的懸浮物，溶解有機(jī)物和氮，磷等養(yǎng)分，實現(xiàn)污水處理。目的是成為污水處理廠的重要設(shè)備之
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羅茨風(fēng)機(jī)的安裝，可參照機(jī)械設(shè)備安裝規(guī)范，軸線偏差不大于0.米，軸線歪斜角不大于度。
如果我們輸送的氣體溫度超過攝氏度，比如：溫度較高的飽和水蒸氣，溫度較高的情況下，對風(fēng)機(jī)的要求也會提高，比如材質(zhì)采用不銹鋼材質(zhì)，或者對風(fēng)機(jī)做防腐處理，密封方式進(jìn)行更換，軸承和油箱進(jìn)行降溫等，需要做特殊處理才可以使用。
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羅茨鼓風(fēng)機(jī)的噪聲強(qiáng)度及頻譜特性除了與羅茨鼓風(fēng)機(jī)工作靜壓的大小有關(guān)外，還與羅茨鼓風(fēng)機(jī)的流量，轉(zhuǎn)速有很大的關(guān)系。例如每使用月左右換油。
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