毕业设计（论文）-基于CFD的DGF离心风机性能数值模拟研究.docx

南京林业大学本科毕业设计南京林业大学本科毕业设计（论文）题 目： 基于CFD的DGF离心风机性能数值模拟研究 学 院： 机械电子工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲师 二O一三 年 五 月 十六 日43摘要叶轮机械广泛应用于国民生活和国防事业中，其中DGF型离心风机具有尺寸小，噪声低的优点，在空调行业有着广泛的应用前景。目前对流体的研究主要有实验法、解析法和数值模拟法这三种方法。由于风机内部流场复杂性，实验法和解析法很难直接得到整个风机内部流场特性，人们对风机各参数对风机性能的影响尚缺乏完全认识。为了解决上述问题，本文应用CFD数值模拟的方法，以万帝来机电有限公司生产的型号为DGF3.55A风机为研究对象，主要用FLUENT模拟了该型号风机内部的速度分布和压力分布。进一步研究分析了风机叶片安装角度和叶片数对DGF型风机内部流场的影响。在本文模拟的范围内，得到了风机内部速度场和压力场的计算机图形，分析得出各流场在风机内部的分布情况。进一步研究结果表明：1.随着叶片安装角的减小，叶片数的增加，叶道内会有涡流现象产生，并且逐渐加强。2.随着叶轮数的增加出口压力逐渐趋于稳定，并且出口压力先是随着叶轮数增加而降低，在一个特定值72时会达到最大值。3. 随着出口安装角的增加，出口速度先是逐渐增加，后是不断降低，最后又稍微增加，在一个特定值135时会达到最小值。关键词：通风机 CFD FLUENT 数值模拟ABSTRACTImpeller machines are applied to domestic life and military affairs, among them centrifugal fan modeled DGF has advantage of small size and low noise, and it has wide market prospects in air-condition. At present the study of fluid mainly include experimental method, analytical method and numerical simulation method .Due to the complexity of the internal flow field , the experiment method and the analytic method is difficult to get the internal flow field characteristics directly .we are now lack of fully understanding of how the fan parameters affect the performance of the fan.To solve the problem , CFD numerical simulation method is applied in this paper, by the WDL mechanical and electrical co., LTD production of models for DGF3.55 A fan as the research object . Mainly use the FLUENT software to simulate the model of velocity distribution and pressure distribution inside the fan . Further research and analysis the fan blade installation Angle and leaf number of DGF type internal flow field of the influence of fan.Within the scope of this article simulated, obtained fan inner velocity field and pressure field of computer graphics, analysis the distribution of the flow field inside the fan. The further results showed that :1.With the decrease of the blade installation Angle, the increase of leaf number, leaf passage for eddy current phenomenon, and gradually strengthened 2.With the increase of number of impeller outlet pressure tends to be stable gradually, and the outlet pressure at first and decreased as the impeller by the increase in the number they reach a certain value maximum when a particular value of 72. 3.First with the increase of export installation Angle, exit velocity increased gradually, after is decrease, then increase slightly, in a particular value will reach the minimum 135 .Key words: fan CFD FLUENT numerical simulation目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题来源11.2 研究意义11.3国内外研究进展，研究方法介绍1第2章 理论基础及软件介绍52.1风机基本概念1152.2计算流体力学基础121462.2.1计算流体力学（CFD）的简介62.2.2控制方程组72.2.2.1连续性方程（质量守恒方程）72.2.2.2动量守恒方程82.2.3常用湍流模型112.3商用CFD软件介绍15152.3.1 ICEM CFD介绍162.3.2 GAMBIT介绍16162.4.3FLUENT介绍16第3章 DGF型离心风机数值模拟183.1几何模型的建立183.2风机，电动机性能参数193.3网格划分193.4设置求解22第4章 结果与分析234.1收敛的判断234.2速度分布244.3压力分布26第5章 改变参数对流场影响305.1叶轮数对出口流场影响315.2出口安装角对流场的影响33第6章 结论与展望376.1结论376.2不足和展望37致谢39参考文献40附录42附录1：各零件三维图42附录2：DGF3.55A风机的空气动力性能实验结果42附录3：图4-5对应的速度值43附录4：各次模拟压力和速度流场图形46第1章 绪论1.1 课题来源本课题来源于江苏省南通启东万帝来机电有限公司与南京林业大学研究生工作站合作项目。1.2 研究意义叶轮机械广泛地用于能源动力、航空航天、石油化工等行业,在国民经济和国防事业中发挥着巨大作用。叶轮机械在工作的同时也消耗着大量的电力,统计资料表明,压缩机、鼓风机、通风机和泵等叶轮机械在各行业的总装机容量占全国总发电量的三分之一。我国对通风机的设计研发、工业部门的广泛使用已经有几十年的历史。随着现代工业规模的扩大,通风机相关科学技术的发展和社会环境保护呼声的提高,现代通风机正朝着高负荷、大流量、高效率、低噪声和小体积等方向发展,这就对通风机的研究和设计提出了更加苟刻的要求。通风机的发展过程表明:深入了解其内部流动规律是提高效率、扩大工况范围及保证运行安全的最根本的途径。DGF型风机是一种直联式外转子多翼离心风机，其主要特点是采用直径比大，相对宽度达的前向叶片，且叶片数目很多。它的特点是工作效率相对较低，在一定程度上限制了它的使用范围。但是它的优点也很明显：尺寸小、噪声低。目前这种风机应用最广泛的是空调行业，决定空调品质的制冷量和噪声主要受由该风机性能的影响。提高多翼离心风机的性能已成为一个迫切解决的现实问题。风机内的流体流动状况很复杂，要想设计出高性能的风机必须要对其内部流场特性有深入的了解，才能提出改进创新的方案，为风机的设计提供理论依据。1.3国内外研究进展，研究方法介绍随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics ,CFD)技术的迅速发展,数值模拟技术已成为研究流体机械内部流体运动规律、预测流体机械性能的一种重要手段。近年来，为了提高多翼离心风机的效率，进一步降低其噪声水平，优化其综合性能，国内外学者对多翼离心风机的理论和实验研究不断深入，作了大量工作，并为风机的设计总结出若干准则，为设计生产高性能的风机产品提供了指导。总体说来，国内外对多翼离心风机的研究主要集中在风机结构参数的优化试验研究、风机噪声机理及治理的研究和风机过流通道的内部流场的试验研究及数值模拟几个方面。风机性能的优劣如效率的高低、压力系数和流量系数的大小以及噪声水平都取决于风机通道的通流品质，多翼离心风机通道主要由集流器、叶轮、蜗壳三个部分组成。集流器一般做成圆弧外型，其主要尺寸为圆弧半径与集流器长度，不仅集流器外型对风机性能有影响，集流器与叶轮之间的相对位置也影响着风机的流动状况，集流器设计好的风机压力最多可以提高10%15%。风机叶轮的主要结构参数包括叶轮外径、叶轮宽度、内外直径比、叶片进出口安放角、叶片数，各个参数对风机性能产生的影响不同，叶片出口安放角是对风机性能影响最大的一个结构参数，其次是进口安放角1。林世扬2等采用激光多普勒测速仪测定了多翼离心风机锥弧形进气口内的流速分布，发现在进气口喉部之前的减缩段部分的气流流动比较平稳，而在进气口喉部到叶轮入口的扩散阶段气流脱离壁面发生了边界层分离，并在此处形成了漩涡，这使得叶道中的流动情况恶化，在前盘附近形成一个较大的涡流区，并伴有二次分离现象发生，最终导致损失增加，风机效率降低。文中运用变量轮换法以风机能量损失最小为目标函数对集流器流道进行优化，通过减小渐缩段的锥度、增加喉部半径、改变渐扩段线形状，消除了扩散阶段的边界层分离，前盘附近的涡流区域亦明显减小，降低了流动损失，改善了风机性能，提高了风机效率。Montazerin等人3考虑到收敛形式(喇叭口形式)的集流器背部的前盘区域会产生较大的涡流区域,因此建议选用渐扩形式的集流器结构(集流器进口截面直径小于集流器出口截面直径),以减小该涡流区域的范围,增大叶轮的有效通流宽度,通过试验证明,改进之后的进气口可以增大流量,并在叶轮出口获得更加均匀一致的气流。集流器的位置、形式也会对风机性能产生一定的影响。由于叶轮与集流器之间存在着间隙，蜗壳中靠近风机进口侧的高压区域的气流将通过该间隙流回到叶轮进口的低压区，形成泄漏，从而引起损失。Shigetoshi YAMAMOTO等4研究发现:对于弧筒形集流器，如果采用内插(集流器出口截面插入到叶轮内部)和外延(集流器进口截面向蜗壳外部延伸)相结合的位置形式，并且选取合适的内插和外延长度，可以有效地提高风机的压力、效率；若同时采用倾斜蜗舌，还可以获得更好的性能。庄镇荣5的研究表明:叶轮和集流器之间轴向间隙的取值在大流量时对风机气动性能的影响较大，间隙太大将导致泄漏流量增大，损失增加;间隙过小时在大流量条件下泄漏气流对主气流的影响增强，并降低叶轮进口段的利用率，因此轴向间隙存在一个最优值，取为叶轮外径的0.0200.025倍时比较合适。黄宸武、区颖达6等在多翼叶轮转速、叶轮外径与宽度、翼型一定时，选择出口安装角、进口安装角、轮径比三个特征参数作为影响因素，每个因素取三个水平，按正交表进行正交试验，采用方差分析法对结果进行统计分析，得出在其他条件不变的情况下，出口安装角对多翼离心风机的风量和噪声影响最大，对风量的影响轮径较出口安装角次之，对噪声的影响进口安装角较出口安装角次之。同时运用两指标的综合评分法对试验结果进行了直观分析，验证得出了合理的加权评分系数，风量的加权系数取60%，噪声的加权系数取40%；及各参数对空调器综合性能影响的主次关系为:出口安装角-进口安装角-轮径比-叶片数。魏文平7采用拉丁方设计方法，针对影响多翼离心风机全压的几个主要特征参数进行了实验研究，得出在蜗壳不变、叶轮外径与宽度相同、叶片翼型相同、转速一定的条件下，多翼离心叶轮参数对风机全压的影响主次为:出口安装角、叶片数、轮径比、进口安装角。综上可以看出，多翼离心叶轮参数对风机全压与对风量的影响存在较大差别，除出口安装角的影响均较显著外，其余参数的影响程度正好相反。周建华、王硕渊提出叶片数z增多，可使通道扩张度和落后角减小，有利于减离，提高全压和效率，但同时增多叶轮通道，摩擦损失增加，又会降低全压和效率,所以叶片数对风机总体性能肯定存在一个最佳值。周建华、王硕渊8提出叶片数 z 增多，可使通道扩张度和落后角减小，有利于减少分离，提高全压和效率，但同时增多叶轮通道，摩擦损失增加，又会降低全压和效率，所以叶片数对风机总体性能肯定存在一个最佳值。Noboru SHIMBARA9指出在径向叶片的多翼离心风机中，58mm 的内径可以得到最高的风机效率和压力系数；叶片数少于 120 时随着叶片数的增加，压力系数增大，叶轮出口气流与蜗舌作用引起的噪声减小，叶道中的涡流噪声叶减小，而当叶片数进一步增加时，声压级和比噪声并不会进一步减小，因此，最优的叶片数应为 120 左右，此时风机性能最优。目前研究流体流动的方法有三种10：实验法、解析法、数值模拟法。前两种方法很难获得流场内部的复杂流动情况。随着计算机技术和流体动力学的发展，数值模拟技术越来越多得被应用在各个领域，是解决问题的重要的技术手段。本课题将应用CFD软件，研究DGF多翼型离心风机的结构参数对风机性能的影响，对模拟方法和结论的可靠性、准确性给予验证，为风机结构性能优化、开发新产品提供参考。理论分析研究方法的特点在于科学的抽象，也就是说能够利用数学方法直接求得所研究问题的理论结果，同时理论研究的方法可以清晰地!普遍地揭示出物质运动的内在规律,从而可以用来指导产品的设计方案。理论分析也是实验研究和数值模拟这两种研究方法的理论基础。但是,由于数学发展水平的局限性,理论研究方法只能局限于针对较简单的物理模型,而离心风机内部流道形状非常复杂,各种影响因素以及各组成部件内部流场的相互作用关系相当复杂,所以要想通过理论分析的方法考虑到每个因素的影响及其之间的相互作用关系几乎是不可能的因此,仅利用理论分析的方法研究离心式通风机整机内部流动,是不够精确甚至不可行的。实验研究是早期研究叶轮机械内部流动的另一种重要方法,使用这种方法可以在与所研究的问题完全相同,或大体相同的条件下对实际问题进行观测,从而能够综合的考虑影响流动的各种因素。但是实验研究方法往往要受到模型尺寸的限制,此外还有边界影响,相似准则不能完全满足等问题的困扰。实验的手段!数据的精度和可靠性,受测试仪器仪表性能和环境的制约和影响,直接导致了实验研究的方法对流场的整体分析能力!以及对细微流动结构的认识!分析能力非常有限同时,实验研究成本高!周期长,对于离心风机内部流场的研究有着很大的局限性。数值模拟是在特定的条件下利用计算手段把数学模型蕴藏的定量关系展示出来。它以电子计算机为手段,通过数值计算和图形显示的方法,对工程问题和物理问题进行研究。相比实验研究,数值模拟所需的时间和费用都少的多。另外,它具有很好的重复性,条件易于控制,可以重复模拟过程。数值模拟逐渐演变为计算流体动力学,即CFD技术。上世纪八十年代以来,随着计算机技术和计算技术的发展,叶轮机械内部流动解析和气动设计的手段,逐渐由模型实验转变为数值模拟,流体机械CFD已成为当前国际上最活跃的研究领域之一,并且正朝着实用化!商品化的方向发展,数值模拟分析方法将成为一种研究离心式通风机内部复杂流动的有效而强大的工具,是理论分析和实验研究不可替代的主要研究方法。第2章 理论基础及软件介绍2.1风机基本概念11气体在离心通风机内的流动如图2-1所示，叶轮安装在蜗壳1中，当叶轮旋转时，气体经过进气口4轴向吸入，然后气体约转90流经叶轮叶片构成的流道间（简称叶道），而蜗壳将叶轮甩出的气体集中、导流，从通风机出气口排出。图2-1 DGF3.55A装配图1. 蜗壳部件2. 左右侧板3. 蜗壳板4. 集风圈5. 底座6. 支架部件离心通风机的工作原理：已知气体在离心通风机中的流动先为轴向，后转为垂直于通风机轴的径向运动，当气体通过旋转叶轮的叶道间，由于叶片的作用，气体获得能量，即气体压力提高和动能增加。当气体获得的能量足以克服其阻力时，则可将气体输送到高处或远处。离心通风机的叶轮和蜗壳大都采用钢板焊接或铆接结构。其转速较低，一般nExportMesh.命名为fengji.msh。关闭软件，按提示保存任务。划分好的网格如图3-8所示，局部放大图如图3-9所示。图3-8 整体网格划分图图3-9网格划分局部放大图类似的可以在ICEMCFD中进行三维网格划分，当然也可以在GAMBIT中进行三维网格划分，但是由于软件的建模能力有限，故在中划分三维网格比较吃力。3.4设置求解网格划分完成后就要对模型进行边界条件的定义，建立相应的物理模型，为后面的数值求解奠定基础。 1.简化假设为了计算的方便，以及节约计算时间和计算空间，还需对计算流体做一定的假设和简化处理：a. 流体运动可看作是连续的；b. 流速的粘性扩散，与流速梯度成比例，或与切变率成比例；c. 流体是均匀的；d. 进口为无穷远均匀来流，则入口速度端面分布均匀；e. 假设控制体内流体的速度与时间无关，所以流体是稳态流。2.定义条件。a. 选择求解器模型：DefineModelsSolver保持默认的选项，即压力基求解器，绝对速度方程，格林高斯单元梯度，隐式方程，时间为定常。选择粘度模型：DefineModelsViscousk-epsilon（eqn）选择Standard模型，标准近壁面函数。操作条件：按照风机试验时候的压力输入数据。材料设置：空气。边界条件设置：DefineBoundary Conditions。对in、out、moving等进行设置。movingMotion TypeMoving Reference Frame (MRF)在Speed（rpm）中输入试验数据，940。b. 设置求解器：ControlsSolution默认即可。计算域设置：SolverInitializeInitializeCompute Fromall-zonesInitclose。设置残差图：MonitorsResidual把Plot选项勾选上。迭代运算：SolveIterate在迭代次数里写入1000次。（次数是根据收敛情况定的）。c. 建立观察面:Surface point/line/plane分别为建点，线，面。d. 后处理，将在下一章阐述。3.5模型比较与选取三维模型与二维模型相比较具有模拟全面，可选取任意面等优点。但是由于三维模型划分网格后网格数量多（大概140万个网格），计算量大（本例大概要运算3-4个小时），不适合于改变参数快速得出结果。并且，由下文可以看出，三维模型多计算了很多我们不关心的区域。二维模型具有结构简单，网格数量少（大概20万个网格），区域集中等明显优势，尤其在计算速度上更是效果显著。因此我们可以用二维模型代替三维模型。图3-10为三维模型各截面总压云图、速度云图和二维图形的总压云图、速度云图。截面总压云图速度云图Z=-50Z=-300Z=-250Z=-180Z=-1002D图3-10 各截面云图、二维图比较图从图3-10中可以看出，如各截面云图所示，各截面总压分布趋势和速度分布趋势基本相同，和二维对应图像亦相同。图3-11为出口处平均动压、静压和速度值。