1. 引言
离心风机因其具有能耗低、效率高、安装简单、维护方便等特点广泛应用于包括工厂、隧道、医药、制造、石油化工、环保机械以及电子电力等行业，同样在环保型烟花机领域也有巨大的应用需求。在环保型烟花机领域，瀑布机是其中最常见的一种(如图1所示)，大量应用于大型活动场所比如舞台等场合。作为极其关键的零部件，离心风机送风系统不仅承担着吸附空气与燃料的作用，而且还是烟花机获得一定喷花高度力的来源；但环保型瀑布机在行业内一直存在着喷花散、花小与喷花高度不够等难题，因此对离心风机送风系统进行深入研究找出问题并提出对应的解决措施就显得非常迫切。
环保型烟花机烟花产生的工作原理是：首先预热燃料(锆粉)，其次将预热后的燃料在自重与管道吸力的作用下送入管道内与空气进行混合并剧烈燃烧而产生烟花，最后通过离心风机的高速出风将烟花喷出。近年来，随着计算机以及测试仪器性能的提升，国内外学者针对离心风机的研究日益增多 [1] - [22]，他们的工作主要是通过实验或者数值模拟或者两者结合的方法对离心风机的内部结构比如叶片形状等进行改进，以此减小气流压力损失以及气动噪声。然而针对而对离心风机出风偏离现象对下游执行机构比如对环保型烟花机的喷花效果带来的影响目前鲜有文献报道，因此有必要对离心风机出风偏离现象进行深入分析并提出解决措施。
本文首先利用CFD数值仿真对原方案的离心风机–喷花流道的内部流动特性进行了计算分析，发现了风机出风偏离现象对喷花产生的不利影响，然后根据原方案的计算结果设计了一种偏离风的调整结构，并通过喷花实验对该结构的可行性进行了验证。
Figure 1. An environmental protection fireworks machine
图1. 某环保型烟花机
2. 模型的建立
如图2(a)所示为烟花机送风系统的原方案，其主要由离心风机和送风管道组成，材料为普通的PTFE材料；图2(b)为改进方案，其组成结构和原方案类似，只是送风管道由三部分组成，即左侧核心区、中间转弯区与上面出口区；改进方案的具体工作原理如下：离心风机因离心力的作用使得出口最大速度偏离中心且在管道底端区域，此外送风管道的核心区上部和底部位置均开有近似对称分布且大小相等的小孔，上部的孔用来吸附燃料，而底部的孔用来补气与调整离心风机出口偏离风的偏离度，空气从补气孔进入后一方面可以可提供更多的空气进行助燃，另一方面还可调整离心风机的偏离风的偏离程度，还可使燃料与空气充分混合燃烧进而产生更多的烟花，此外因偏离风得以调中使得燃烧发生在管中远离管壁的区域，再加上弯管内壁涂耐高温涂层，这样可大大减少对管内壁的烧蚀。图3表示原方案和改进两种方案的流体三维模型。
(a) 原方案送风系统 
(b) 改进方案送风系统
Figure 2. Three dimensional model of two schemes
图2. 两种方案三维模型
Figure 3. Three dimensional fluid model of two schemes
图3. 两种方案流体三维模型
3. 模型的前处理
3.1. 网格
将两种方案的流体模型导入流体仿真软件中，采用多面体网格对其进行网格划分，并且以出口动压值为评定对象对网格无关性进行了验证，图4所示表示出口动压与网格数的关系。
Figure 4. Grid independence verification
图4. 网格无关性验证
由图4可知当原方案和改进方案的网格单元数大于44万时对结果影响不明显，考虑到计算精度和效率，后续分析的网格单元选择如下：原方案的网格模型共划分有493,853个多面体单元(如图5(a)所示)，改进方案的网格模型共划分有442,964个多面体单元(如图5(b)所示)。
(a) 原方案网格模型 
(b) 改进方案网格模型
Figure 5. Two scheme mesh models
图5. 两种方案网格模型
3.2. 边界条件
模型的主要边界条件如下 [12]：1) 风机的入口、燃料的入口以及入风口均设为压力进口边界，压力为0 Pa；2) 喷花管出口为压力出口边界，压力为0；3) 旋转区域包含有风机叶片的区域，其采用MRF (moving reference frame)模型且转速N = 10,000 rpm (可调整)；4) 除中间核心段为动域之外的其他区域均设为静域；5) 动域和静域的公共面设为interface面；6) 未定义的其他面均设设为无滑移壁面。此外采用的湍流模型为标准的K-ε模型。
主要的假设条件主要有：1) 空气不可压缩；2) 不考虑管壁内摩擦。
4. 计算结果与分析
4.1. 速度对比与分析
图6给出了风机转速N = 10,000 rpm时的原方案和改进方案出口速度分布图。
(a) 原方案 
(b) 改进方案
Figure 6. Outlet velocity distribution (N = 10,000 rpm)
图6. 出口速度分布(N = 10,000 rpm)
由图6可知：改进方案出出口最大速度为12.3 m/s，相比较原方案的9.75 m/s提升了近25%，这为提升喷花高度提供了基础。此外从速度分布来看，改进方案的最大速度区域较原方案而言明显居中且范围较大，证明离心风机出风偏离现象得到有效改善，这为解决喷花分散的问题提供了可能。
图7和图8分别表示离心风机在转速N = 10,000 rpm时下游喷花管道核心区的速度矢量分布和速度大小分布。
(a) 原方案 
(b) 改进方案
Figure 7. Velocity vector distribution in the core region (N = 10,000 rpm)
图7. 核心区速度矢量分布(N = 10,000 rpm)
(a) 原方案 
(b) 改进方案
Figure 8. Velocity size distribution in the core region (N= 10,000 rpm)
图8. 核心区速度大小分布(N = 10,000 rpm)
由图7和图8可知：原方案的核心区存在涡流现象，这不仅会增大燃料颗粒在管道内的驻留时间，而且还会增大管道空气流的能量损失，最终影响喷花效果；相比较原方案而言，改进方案管道内的涡流则完全被消除。根据“文丘里原理”可知 [23] [24] [25] [26] [27]：中间流速越大两侧吸力也会越强。从数值上来看，改进方案的最大速度为27.8 m/s，高于原方案的16.5 m/s，速度提升了近70%，因此改进方案的吸附能力得到明显提升，这不仅有助于增大管道内部空气量，还能使燃料与空气混合更加充分，最终于改善喷花效果。
为了说明核心区下端孔对偏离风具有调整作用，对比分析了下端开孔和不开孔时核心区的速度分布，具体如图9所示。
(a) 上端开孔 
(b) 上下两端开孔
Figure 9. Velocity size distribution corresponding to different openings in the core region (N = 10,000 rpm)
图9. 核心区不同开孔对应的速度大小分布(N = 10,000 rpm)
由图9可知：核心区管道下端开孔可以明显减弱出口最大速度的偏离现象，计算证明只要下端开孔合适就能最大程度的减弱离心风机出风偏离的现象，这为改善喷花分散问题提供了技术可能，本文建议核心区上下两口大小相等且对称分布。
4.2. 出口最大速度偏离度的对比与分析
为了说明改进方案对离心风机出口偏离风的调整效果以及消除出口直径因素的影响，引入了最大速度偏离度的概念，令偏离度为ε。
式中：ε——最大速度偏离度，c——最大速度偏心距，r——出口半径。最大速度偏心距是最大速区域的中心位置到出口中心的距离，具体说明如图10所示。
下图11给出了风机转速为N = 10,000 rpm与N = 12,000 rpm时原方案与改进方案最大速度偏心距的对比。
由图11可知：出口速度梯度分布形状和最大速度偏心距均与离心风机的转速无关，此外改进方案中最大速度区域至少是原方案的两倍，这都有利于改善喷花效果。从数据上来说，改进方案中出口最大速度偏心距c = 1.06 mm (出口半径r = 7 mm)，原方案的4.78 mm (出口半径r = 8.75 mm)由此可知：改进方案最大速度偏离度ε = 0.15，较原方案的0.55提升了约73%。因此出风偏离现象改善明显，这说明了改进方案理论上可以解决喷花分散的问题。
(a) 原方案
(b) 改进方案
Figure 11. Eccentricity of maximum velocity at the exit of two schemes
图11. 两种方案出口最大速度的偏心距
4.3. 出口动压的对比与分析
为了描述改进方案可以改善喷花高度不够的问题，提取了出口动压值进行了说明。根据伯努利方程可知：动压越大意味着速度越高，那么喷花高度理论上也会越大。
下图12给出了风机转速为N = 10000 rpm时原方案与改进方案出口动压的对比。
由图12可知：风机转速相同时，改进方案的出口动压最大值为90.1 Pa，较原方案56.3 Pa提升了近60%，原因主要有以下两个：一个是管内径从原方案的d = 17.5 mm降低到了d = 14 mm，出口面积下降了近36%；另一个是改进方案管道内部涡流的消除降低了能量损耗。
为了更清晰的说明离心风机转速与出口动压的关系，下表1给出了原方案和改进方案在转速N = 5000~15000 rpm时出口最大动压数据，图13给出了相应的对比图。
Table 1. The maximum outlet dynamic pressure of the two schemes under different fan speeds
表1. 两方案在不同风机转速下出口最大动压值
(a) 原方案 
(b) 改进方案
Figure 12. Outlet dynamic pressure distribution (N = 10,000 rpm)
图12. 出口动压分布(N = 10,000 rpm)
由表1和图13可知：随着风机转速的增加，原方案和改进方案出口最大动压均非线性递增，这是因为随着风机转速的增大管道内部空气流速也会增加，这样动压也会增大；此外还可以看出改进方案出口最大动压值的增幅较原方案也要大，究其原因动压值的最大由于风扇转速的增加导致的，而动压增幅的增加主要是因为改进方案中管道内部没有涡流，因此不需要克服涡流带来的能量损失。
Figure 13. Comparison of maximum outlet dynamic pressure between the two schemes under different fan speeds
图13. 两方案在不同风机转速下出口最大动压对比
5. 实验验证
前面已经对改进方案与原方案进行了对比分析，相比较原方案而言，改进方案理论上存在以下特点：1) 新结构的核心区射流速度提升导致从外界的吸附力的增强，这样一方面可以增大管道内空气的含量，另一方面还能增强燃料与空气的混合效果，进而燃烧也会更充分，这为解决花小问题提供了解决方案；2) 下端开孔不仅可以补气还能很好的降低离心风机出风的偏离度，这为解决花散问题提供了解决方案；3) 出口动压的提升可以有效解决喷花高度不够的问题。因此从理论上来说改进方案可以解决环保型瀑布机存在的喷花小、喷花散喷花高度不够的问题，但是还需要实验验证。
下面通过对原方案和改进方案分别进行实验来对喷花效果进行验证，图14给出了实验对比情况，图14(a)为原方案的实测图，图14(b)为改进方案的实测图。
(a) 原方案
(b) 改进方案
Figure 14. Comparison of spray experiment between original scheme and improved scheme
图14. 原方案与改进方案喷花实验对比
由图14可知：改进方案喷花效果得到明显改善，改进方案中的喷花高度提升了近50%，喷花量提升了至少1倍，此外还可以看出喷花更加集中，这都证明了改进方案的有效性与可行性。
6. 结论
本文通过CFD数值模拟的方法对环保型烟花机的离心风机出风偏离现象进行计算分析并提出了改进措施，最后通过实验验证了改进方案能有效地提升喷花效果。具体结论如下：
1) 通过实验对比验证了改进方案的有效性，这也间接的说明了离心风机出风偏离现象是导致喷花效果差的重要原因；
2) 改进方案中的送风系统核心段下端开孔可以有效抑制出风偏离现象，从数值上来看出口最大风速的偏离度降低了约70%，此外还能增大氧气与燃料的混合程度和消除涡流现象，并最终解决喷花花散以及花小等问题；
3) 风机转速不会改变出口速度分布梯度的形状但是会非线性的增大出口最大动压；
4) 文中提出的离心风机出口偏离风调整结构为以后类似的设计提供了参考。
基金项目
湖南省教育厅一般项目(20C1494)、武陵山片区生态农业智能控制技术湖南省重点实验室项目(ZNKZN2019-5)。
参考文献
NOTES
*通讯作者。