（流体机械及工程专业论文）空调用贯流风机系统cfd分析及实验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 贯流式通风机又称横流式通风机、线流式通风机。现在被广泛应用于分体壁挂式 空调室内机中，空调用贯流风机系统的气动特性决定着家用空调器的风量、噪音、功 耗等性能指标。贯流风机的设计至今没有普遍公认的设计方法，对于影响贯流风机特 性的各个因素也不十分清楚。到目前为止，实验研究仍是贯流风机的主要研究方法， 但由于实验设备要求较高，且模具制造费用大，加上技术研究开发过程的反复性，所 以研究费用高。近些年来，c f d 计算机模拟仿真越来越受到人们的重视，同时随着计 算机硬件技术的发展，原来不太容易进行的c f d 仿真模拟在一般的工作站乃至p c 机 上都能够进行，所以仿真流体计算在空调器的研发中发挥越来越重要的作用。；， ， 本文应用基于有限差分模型的计算软件f l u e n t ，对分体壁挂式空调的室内机进 行仿真模拟，对贯流风机系统的内流特性进行数值分析，旨在寻求用c f d 方法进行 流体仿真和实验相结合的设计技术，并为空调器及其风机系统的流道开发服务并指导 开发实践提供依据。 论文首先探讨了c f d 在空调用贯流风机系统的应用方法，以便形成可行的计算思 路；继而对影响贯流风机系统性能的三个重要方面：蜗壳形状、尾部出口流线型式、 蜗舌间隙等问题加以分析，变化不同影响参数进行模拟计算。在此基础上根据不同条 件对风机性能影响的变化趋势，寻求改善风机性能的方法。文中针对壁挂空调的特点， 以美的某几款空调器开发为例，结合开发过程中空调各个关键参数的确定，运用c f d 分析与实验技术相结合，给出了数值仿真和实验结果，并进行了分析比较，可为后续 空调器及其贯流风机系统的研究开发提供依据。 关健词。空调寤贯流凤机流体仿真内流特性实验 ， i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec r o s s f l o wf a ni sw i d e l yu s e di na i r - c o n d i t i o n ，a n dt h ea e r o d y n a m i cp r o p e r t yo f i td e t e r m i n e dt h ei m p o r t a n tt e c h n i c a li n d e xo ft h ea i r c o n d i t i o n e r , s u c ha sv o l u m ef l o w , n o i s e e f f i c i e n c ya n ds oo n t h e r eh a sm o a 、a i l a b l ea n di n t a c td e s i g nm e t h o do fc r o s s f l o w f a nt h a t a l l r e c o g n i z e db ya l l t h e w o r l d ，a n dw ea l s oh a v en oc l e a ro p i n i o no fi t s c h a r a c t e r i s t i c ，e s p e c i a l l yt h ee x i to fa ne c c e n t r i cv o r t e x a tt h ep r e s e n t ，t h ec r o s s f a nw a s d e v e l o p e dm a i n l yb ye x p e r i m e n t s ，b u tt h ef e eo f e x p e r i m e n ti sv e r ) h i g h o nt h eo t h e rs i d e ， 州t 1 1t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r m o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e dp r o j e c ta n a l y s i sc a nb e c a r r i e dt h r o u g hc o m p u t e rw o r k s t a t i o ns oi ti s n e c e s s a r b 7t ou s et h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n m e t h o do n s t u d yi n t e r n a lf l o w o f t h ec r o s s f a n t h e p a p e rm a k e an u m e r i c a lc a l c u l m i o no fa r o s s n o ww h i c hu s e di na i 卜c o n d i t i o n e r t h et o o io fc a l c u l a t i o ni sf l u e n t w h i c ha r eb a s e do nt h ef i n i t ev o l u m e m e t h o d t h r o u g h t h es t u d y , w eh o p et os e t u pad e s i g nm e t h o di n b o t ht h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a tf i r s t ，t h ep a p e rh a ss t u d i e dt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sm e t h o do fa r o s s f l o w f a n t h e nw ec a r r i e do nf ls e r i e so fc a l c u l a t i o na i m e da tt h ec h a n g eo ft h e s ei n f l u e n c i n g f a c t o gs u c ha ss c r o l ls h a p e ，s c r o l lc l e a r a n c e t o n g u ec l e a r a n c e ，i m p e l l e rs h a p e f r o mt h e s e c a l c u l a t i o nr e s u l t ，w eg e ts o m eo r d e r l i n e s so ft h ei n f l u e n c eo ft h es l a u c t u r ep a r a m e t e r a t l a s t ，t h ep a p e ri sb a s e du p o nt h ee x p l o i t a t i o no fm i d e aa i r - c o n d i t i o n e r , a n ds e t t l ead e s i g n m e t h o dw h i c hc a n g i v es o m eg i s ti nl a t t e ra i r - c o n d i t i o n e rd e s i g n k e y w o r d s ：a i r - c o n d i t i o nc r o s s ，f l o w , c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， i n t e r - f l o w p e r f o r m a n c e ，e x p e r i m e n t 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 11概论 赁流式风机在工业上又常称为横流式风机、线流式风机。早在1 8 9 2 年，莫蒂尔 ( m o r t i e r ) 就描绘出了贯流风机的结构详图。在十九世纪末二十世纪初。这种风机被 广泛应用于矿井通风中，但不久就被在当时看来比较好的卡佩尔一拉托风机所代替。此 后这种风机的研究就一直停滞不前，直到1 9 5 2 年，德国人b 埃克( b e c k ) 发表了第 一篇相关的正式论文并第一次提出了“横流式通风机”这个术语。论文的发表促进了 人们重视研究横流风机的作用，并引起了对贯流( 横流) 风机更多的研究，取得了重 要进展。与轴流和离心风机不同，贯流风机内的气体流动具有非对称性，其相对速度 场和绝对速度场都不稳定，流动介质两次进出叶轮，转子叶片沿着周向的流动情况不 断改变。同时，在叶轮内存在一个影响整个气流流动的旋涡，它作用于叶轮圆周的一 边内侧( 偏心旋涡) 。涡流中心处在叶轮内周某处，并随着节流情况的不同而沿着圆 周方向移动。 由于贯流风机结构相对简单，具有薄而细长的出口截面，使它适合于装在扁平形 或细长形的设备里。相对于轴流风机和离心风机，贯流风机产生的总压系数高，而且 二：元性好，可以根据对风量的要求自由的选择叶轮长度，而且送风均匀集中，风量大， 广泛应用与农业物料清选以及空调等各种机械上。随着工业生产、科学技术，以及人 们对工作和生活环境的洁净度和舒适度要求的提高，贯流风机的应用越来越广泛。 由于贯流叶轮内的流动复杂以及流道对风机性能的较大影响，在现代设计技术 中，可应用数值计算的方法模拟并预测贯流风机的内流状况，用数值实验方法逐步替 代或减少实物的实验研究，现代计算机技术和数值技术的进步，为这种逐步替代或减 少提供了日益明显的可能。 1 2 国内外的研究现状 1 8 9 2 年莫蒂尔虽然描绘出了贯流风机的结构详图，但贯流风机真正的发展却始于 1 9 5 2 年德国人b e c k 发表的第一篇相关的正式论文并第一次提出了“横流式通风机” 这个术语。近年来，随着贯流风机在农工机械和空调领域的广泛应用，各国学者对贯 华中科技大学硕士学位论文 流风机的研究也愈加深入，相继发表了一些相关论文。综合来看，研究主要集中在以 下几个方面：1 贯流风机系统的几何参数对性能的影响：2 内部流场特性研究及相似 理论在其中的应用：3 贯流风机系统的设计理论；4 贯流风机系统内部流场的数值模 拟。以下对这几个方面分别进行简单介绍。 1 、贯流风机几何参数对风机性能的影响 贯流风机的主要几何参数有：蜗舌间隙e ；叶轮外径d 2 ；蜗壳间隙e 2 ；直径比 d l 仍2 ；扩压器高度h 等，参见图1 一l 所示。 一、 j 7 ，j j 图1 1 贯流风机主要几何参数 1 9 7 6 年，m u r a t a 等 5 使用一种简化的蜗壳和平板式蜗舌，就几何参数对风机性 能的影响进行了研究：1 9 8 2 年，d j a l i e n 等【1 0 】运用理论与实验相结合的方法，并确 定了几个主要几何参数对风机性能的影响；t f u k a n o 等1 4 1 ，【1 7 】【1 8 ，【1 9 1 对贯流风机的噪 音与蜗舌几何形状，舌部与转子间隙，蜗壳几何尺寸等进行了诸多实验研究。综合来 看，主要有以下几个结论： 1 ) 蜗舌间隙对风机性能影响较大，蜗舌间隙应尽可能的小，但蜗舌间隙太小 会引起较大的噪声。 2 ) 进口处蜗舌安装角在低流量时对性能基本没有影响，但中等流量时性能会 随着安装角的改变而改变。 3 ) 在其他参数保持不变的情况下，随着d l d 2 的减小，风机全压增加： 4 ) 蜗壳间隙的大小对性能基本没有影响不甚明显，但较大的间隙可以减小噪 声： 2 华中科技大学硕士学位论文 5 )直径比d l 仍2 对性能影响不大；一般取经验值o 7 0 0 8 5 1 4 1 1 ； 6 )扩压器的高度对性能影响不明显： 2 、内部流场特性的研究及相似理论的应用。 b 埃克首先通过流场显示气流流动的方法，发现在叶轮内缘存在一个能够控制整 个气流流动的偏一t b 涡流，它作用于叶轮圆周的一边内侧，而且几乎是一种规则的势涡， 涡流中- t b 处在叶片内边的某处，并随着节流情况的不同而沿着圆周方向移动1 4 “。 1 9 7 0 年，a m p o r t e r 1 】等对一外径6 英寸，内径4 8 英寸，长度9 英寸的转子的 内流场进行热线测量，并在水槽中对流场进行可视化研究。结论指出：贯流风机的蜗 壳和蜗舌可以被设计成这样的一种形式在整个运行工况范围内让偏心涡的涡心一 直保持在转子的外缘，涡通过调节自身的位置来适应系统阻力。由于涡强由涡心离转 子中心的距离有关，因此，让涡心保持在转子外缘可以提高风机的性能。研究表明， 总压系数不随流量的改变而改变，但静压系数根据系统阻力的不同而发生变化。 1 9 7 5 年，y a m a f u j i 3 】等详细研究了涡的形成，他采用流场显示技术详细拍摄了从 转子开始转动到形成一个稳定的偏心涡的整个过程。文中指出：当转子转动后，许多 小涡从转子内外侧脱落，脱落涡聚合起来便形成了一个大的偏一t b 涡：根据b 埃克贯流 风机偏心涡理论，如果此涡的中- t b 与叶轮中，t b 相同，则不会产生贯流。当雷偌数 r e 1 0 4 时，在整个工作区都有相似性。 19 9 4 年，t a n a k a t 坨1 等对三个几何尺寸相似的转子( d l i ) 2 = 0 8 5 ，l d 2 = 1 0 ) 进行 相似性研究后指出：在r e 较低的区域，风机性能主要受r e 的影响：当r e 达到( 1 0 1 5 ) + 1 0 4 时，无因次性能曲线不遵循相似准则，它既受r e 的影响，也受转子尺寸的影响。 1 9 9 5 年，t a n a k a 和m u r a t a f l 3 等用激光多多谱勒测速仪( l d v ) 测量了几何尺寸 相似的贯流风机转子的速度场和静压分布，他们发现：当内部流场相似时，即使对于 4 华中科技大学项士学位论文 不同尺寸的风机，其压力流量特性曲线几乎一样；但当性能曲线相似时内部流场并不 致。 3 、贯流风机的设计理论 贯流风机的研究相对于其他风机而言，起步比较。目前，包括空调企业等各方面 的研究主要是处于实验验证阶段。研究人员主要是对其进行简单的内流场测试，和对 外部特性进行实验研究，而且大部分的工作集中在大直径、高噪声的风幕机和农业用 贯流风机上，而对于小直径，低噪音的贯流风机研究更少。由于流动的复杂性及众多 的因素的影响，使得叶轮内部流场的分析研究大多还处于定性的阶段：同时，目前没 有被普遍接受的完善的设计理论和方法。 魏民【2 6 】采用位势流理论，提出了冷热风器贯流叶轮结构设计和气动参数的计算方 法。屠仁勇【4 ”对流动做如下假设：涡核位于叶轮内周靠近蜗舌处；涡核之外是势涡流 动，即：c r = 常数。根据以上假设，给出了风幕机用贯流叶轮的设计公式。 但是，这二者都不具有普遍性，不能作为通用设计的方法。 4 、叶轮内部流动的数值模拟： 由于贯流叶轮内的流动复杂以及流道对风机性能的影响，因此在设计中，应用数 值计算模拟的方法来模拟风机内部流场越来越引起重视。数值模拟的方法能预测贯流 风机的内流状况，减少实际的实验。通常数值模拟时认为贯流风机系统的气流在进出 口时是近似的稳态流，而在贯流叶轮内的流动是非稳态的。 田附1 2 0 】等在叶轮出口处流动沿着叶片表面的边界条件下，用奇点分布法计算了贯 流风机的内部流动，但没有考虑从叶轮流出的自由旋涡。 多a t 2 ”等用c l o u d s i n - c e l l 法进行了计算，将叶片作为增压器处理，忽略叶片数 和叶片形状的影响。 芒本【2 2 】等用奇点分布法和c l o u d s i n c e l l 法，并且考虑了叶片流出的自由旋涡及其 衰减，但奇点分布在叶片中心线上，不考虑叶片表面形状的影响，同时假定分布在叶 片中心线上的旋涡直接流出而形成自由旋涡。 陈次昌p l m 2 】假设流体无粘性，不可压缩，流动为二元流动，采用直接边界元法 和离散旋涡法相结合的方法来计算风机的内部流场，同时考虑了蜗室上部壁面边界层 的影响。实际计算了两种不同蜗壳的风机。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 目前，贯流风机包括空调企业等各方面的研究主要是处于实验验证阶段，大多的 设计都是根据实验数据和经验，进行选型匹配改进。由于模具制造费用高，所以反复 实验的设计成本也高。因此，我们期望能借助于c f d 和实验手段的结合，通过数值 计算和流场显示方法综合考虑多种几何参数的影响，模拟出内部流场和优化流道结 构，并结合实验验证对比，试图建立并开发一套c f d 分析辅以性能实验的系统设计 方法。 在c f d 计算软件方面，笔者采用f l u e n t 流体计算软件，它是美的空调技术中 心于2 0 0 0 年1 2 月引进的，现已成熟运用。在实验手段上，风机性能测试使用美的空 调技术中心风机性能实验台，它是于2 0 0 0 年1 0 月委托我校流体机械教研室设计制造 的；风机噪音测试使用美的空调技术中心噪音实验室，它是于2 0 0 1 年7 月由德国b k 公司设计制造的。在图形处理方面，笔者选用p r o e ，它是目前现有模具设计制造的 最佳工具。本文的主要工作如下： 1 、c f d 流体仿真在空调器室内机内流分析中的应用方法。 2 、贯流风机系统关键部位变化与内流特性变化的模拟计算： 1 ) 蜗壳形状的变化 2 )蜗壳尾部形状的变化 3 )蜗舌间隙的变化 4 )叶轮形式的变化，非等距叶轮与等距叶轮比较。 5 )空调蒸发器形式的变化 3 、由计算得到的内部流场数据，针对不同参数引起的流量、噪声、效率等风机外部 特性的变化与内流机制进行探讨。 4 、应用与开发：以某款分体壁挂式空调室内机为对象，变化其几何参数和运行参数， 用c f d 仿真和实验验证相结合，为寻求最佳设计及其实际应用提供依据。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 贯流风机的基本流动原理 ，畿 嬉入 ? 。群。瀚 1 、漆霞7 ， 2 、进出口速度三角形 陟n ， 图2 - 2 进出口叶栅的速度三角形 华中科技大学硕士学位论文 把叶栅拉直并将气流的出口和进口相互紧挨着画出。图示可见，如内周叶片进1 ：3 角为9 0 度时，气流可无冲击的通过叶栅。如图2 2 所示e 根据动量方程，只有进口和出1 3 才是整个叶栅总能量传递的决定性因素。而在此 之间的情况如何实际上是无关紧要的。也就是说，我们只需要研究叶轮进出口绝对速 度圆周分量之差ac 。 下面，将讨论不同进口条件的速度三角形。 ( 1 ) 气流径向进口( 没有预旋) c l 。= c 2 。，即进口与出口弧长相等对于所有的 b 值，其速度三角形的顶点均处在一个垂直线上。就是说，选择哪一个角 度都无关紧要。每种情况都是c 。= 2 u 。b 值变为1 3 时，流量会产生相 当大的变化。如图2 3 上所示。 图2 3 气流径向进口时的速度三角形 气流径向进口( 没有预旋) c l 。c 2 。，即进口弧长大于出口弧长，出1 ：3 的 径向速度比出口的径向速度大。速度三角形如图2 3 下所示。 气流与叶轮转向一致的正预旋出1 ：3 ，c 】。= c 2 。要调整叶片角度，使之 与同叶轮转向一致的预旋方向a 角相适应。此时c 。的值随b 值的增大 而减小，所以，正预旋进口时压力有明显的减小。如图2 4 ( a ) 所示。 气流与叶轮转向相反的负预旋进口，c l 。= c 2 。此时，c 。 2 u 随着叶 片角的增大而增大。如图2 4 ( b ) 所示。 气流与叶轮转向相反的负预旋进口，c - 。 c 2 。n = 常数，叶片角度应当 8 ) ) ) ) 华中科技大学硕士学位论文 改变，使进出1 3 的弧度比保持常数，随着叶片角度b 的改变，c 。 3 u 增加。此时压力系数特别高。如图2 - 4 所示。 迫f 二卷：、 、 、c 。一15 2 0 、c u 、 ( a ) ( b ) 图2 4 气流正预旋进口时的速度三角形 上图是进口弧等于出口弧下图是进口弧大于出口弧 、漆| 紫之、二一 ? j i 激 、 i 图2 5 气流负预旋进1 3 时的速度三角形 9 华中科技大学硕士学位论文 以上分析结果可以看出：有正、负预旋时，叶片角度的改变会引起压力变化。预 旋方向与叶轮方向相反时，压力随叶片角度增大而上升；预旋方向与叶轮方向致时， 则下降。在无预旋的径向进口的情况下，叶f l - # j 度的改变不会引起压力变化。 2 ，2 叶轮内腔旋转流场的形成分析 气体二次地进出叶轮叶栅的流动状态，十分复杂。德国的b e c k 最先使用实验方 法1 4 ”，看到气体运动的整个全貌。从实验图象中，可发现叶轮内腔中存在一个能控制 整个气体流动的旋涡区域，其涡流核一d 位于叶轮内腔的一边侧面上，且与叶轮旋转方 向一致。 我们可以通过模拟计算的方法，得到整个旋涡流场的形成过程，如图2 7 所示， 初期仅有时轮速度高，所以颜色有所区别。 仁0 0 0 2 秒 仁o 0 4 秒 t = 0 0 2 秒 t = 0 0 6 秒 o 华中科技大学硕士学位论文 t = o 0 8 秒 t = o 1 2 秒 t = o 1 6 秒 图2 7 偏心涡的形成过程 t = o 1 秒 t = o 1 4 秒 t = o 1 8 秒 1 1 华中科技大学硕士学位论文 由涡核所形成的强烈的环流，必然会导致气体倒流回叶轮内部而形成很大的能量 损耗，这种回流流量在总流量中所占的比例，直接地影响到叶轮的效率。 2 3 贯流风机的性能及评价 实际贯流风机应用，如在分体壁挂空调室内机中的应用，大多关心两个问题：风 量是否大，噪音是否低。在研究开发中，其性能评价的5 个参数为：流量系数中、总 压系数1 l r 、功率系数 、效率n 、比噪音k s 。 1 总压系数l g = 二2 丽a p 2 流量系数中= i 啬瓦 3 功率系数 2 i 6 1 面2 0 呖l i 瓦 4 效率n ；掣 5 比噪音k s = s p l 一2 0 l o g p c o 6 气动噪声的略算公式：厶，= 5 + l o l s q + 2 0 b 其中u 2 为出口圆周速度，o 为气体的体积流量，单位m 3 s ；d 2 为叶片外径，单 位为m ；l 为叶轮的长度，单位为m ；p t 为风机系统的全压升，单位为m m a q ；l i 为电机的输入功率，单位为k w ；p 为气体密度，单位k g m 3 。 2 4 本耄小结 本章首先探讨了叶轮二次横向流动的形成；接着分析了贯流风机不同进气条件下 的进、出口速度三角形；继而分析了叶轮内部旋转流场和偏心涡，最后给出了贯流风 机的性能评价参数，为后面实际计算中风机系统的对比给出了评判标准。 下章将探讨贯流风机系统的c f d 分析方法。 华中科技大学硕士学位论文 3 计算流体力学和贯流风机系统的c f d 分析方法 3 1计算流体力学和c f d 流体仿真模拟计算简述 计算流体动力学是一门新兴的学科。随着电子计算机的发展，流体流动的计算和 计算机模拟已成为研究流体力学和流体工程设计的重要手段。理论研究，模型实验和 数值计算三者相互结合，不仅推动了流体力学理论的新发展，而且大大加强了流体力 学的工程应用，流体力学的理论解析只能求解简单的流动问题，实验可以研究一些复 杂的流动现象，但耗费昂贵，时间周期长，在实际的应用和工程中受到限制。计算流 体力学是根据流体力学理论、计算数学方法和现代计算机技术数值模拟理论上尚不能 求解，实验上还难以测定的流动现象。 计算流体力学把连续的流动问题在时间、空间上离散成有限的形式在计算机上求 解。它是建立在物理上合理，数学上适定并适合于在计算机上进行计算的有限数值模 型1 4 9 】。 c f d 流体仿真模拟计算，其核心理论是在空调风机系统的应用上，c f d 流体仿 真模拟计算可以直观的让我们分析风机系统的内部流场，定性的、一定程度上定量的 分析问题。总的说来c f d 分析对于工程分析有以下几个优点： l 、通过数值技术进行快速参数化设计和局部优化，尽可能的减少昂贵的实验费 用： 2 、产品性能好坏决定的一个重要方面取决于设计人员对产品性能的认识和理解 程度，c f d 分析有助于加深设计人员对工程问题机理的洞察力； 3 、c f d 分析能够减少产品开发的环节，缩短产品上市周期。 3 2c f d 分析方法概述 已发展的c f d 分析方法又很多种，一般可以分成两大类，即有限单元法和有限 差分法 1 、有限单元法 其基本思想是：将一个连续的弹性体进行离散化，分割成彼此用节点想连接的有 限个单元，然后对单元进行分析，用节点位移来表示结构的变形，再建立整个结构总 华中科技大学硕士学位论文 位能关于结构位移的表达式：根据变分原理，可以得到以节点位移为未知数的线性方 程组，用人们所熟知的消元法或迭代法，即可以求出各节点处的位移近似值，进一步 可求出各节点的数值。这种先分后合，以有限的单元体代替连续的弹性体的方法就是 有限元的基本思想。有限元法计算具有单元划分简便，可适用于复杂的结构形状，计 算量小等优点，先用于固体力学和逐渐应用于流体力学的计算中。 2 、有限差分法 其特点是直接求解基本方程和相应的定解条件的近似解。一个问题的有限差分法 求解步骤是：首先将求解域划分成网络，然后在网格的结点上用差分方程近似微分方 程。当采用较多的结点时，近似解的精度可以得到改进。借助于有限差分法，能够求 解相当复杂的问题，特别是求解建立于空间坐标系的流体流动问题，因此在流体力学 领域，它至今仍占支配地位。 3 。3 基于有限差分模型的f l u e n t 分析软件简述 f l u e n t 软件是由美国f l u e n t 公司开发的著名的c f d 计算分析软件，用来模 拟从不可压缩到可压缩范围内的复杂流动。目前该软件己发展到6 0 版本，在航空、 航天、透平机械、汽车、船舶、机械、化工、石化、计算机、半导体、能源、医学等 领域得到了广泛的应用。能够解决流动、传热、化学反应、燃烧、多相流、旋涡流动 等问题。 就模块构成而言，f l u e n t 软件分为三部分：前处理模块、解算模块和后处理模 块。前处理模块有专门的建模及网格划分软件g a m b i t ，其几何内核为a c i s ，它提供 流体区域内面、体的网格划分，边界及体类型设置。其中网格划分尤为丰富，面网格 有四边形、三角形网格，体网格有六面体( 方形) 、四面体、菱形( 楔形) 、金字塔形， 可以快速完成结构化、非结构化或混合网格的划分，可满足各种工程分析的需要。另 外，还能接受一些专业建模软件及前处理软件的文件格式，如s o l i de d g e 、s o l i dw o r k 、 u g 、a u t o c a d 、a n s y s 、p a t r a n 、n a s m m 等。f l u e n t 求解器有许多模型，其中湍流 模型有标准k 8 模型、修正后的( r n g ) k 一模型和r n g 旋转k 一模型，完全雷诺应 力模型( r s m ) ，大涡模拟( l e s ) 的亚网格尺度模型，另外还有多相流、颗粒轨道、 传热、辐射等模型，可供用户选择、组合。由于它具有自动优化求解策略，因而迭代 收敛速度快、稳定性好。f l u e n t 的后处理模块，可以给出所有迭代变量，如流场、 4 华中科技大学硕士学位论文 压力( 静压、动压、全压) 场、温度场、浓度场等各种可视图，供用户分析处理。 概括说来，f l u e n t 软件具有以下特点： f l u e n t 软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法。 f l u e n t 软件具有强大的完全非结构化网格能力，能够生成不连续的网格，并支 持变形网格和滑动网格。另外，f l u e n t 软件还拥有多种基于解算的自适应网格技术。 f l u e n t 软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法。 从而使f l u e n t 软件适用于低速不可压流动、跨声速流动乃至可压缩性强的超声 速和高超声速流动。 f l u e n t 软件包含丰富的物理模型，使得用户能够精确的模拟无粘流、层流、湍 流、传热和传质、多孔介质、化学反应、颗粒运动、多相流、自由表面流、相变 流等复杂的流动现象。 f l u e n t 软件具有高效率的并行计算功能，提供自动分区功能；内置的m p i 并行 机制可以大幅度的提高分布式并行效率。 f u j e n t 软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口( u d f ) 。 这些特点在后面的计算中都有所体现。 3 4 基于f l u e n t 软件的c f d 分析方法及其步骤 1 、确立对象t 实现的目标、需要解决的问曩 2 、几何建模 包括两种途径，一是自己建立点、线、面、体的模型；二是从其他c a d c a e 系 统中导入几何和图形，如p r o e 、u g i i 、i d e a s 、c a t i a 等，对其进行适当的简化 使之适应c f d 分析。 3 、罔格划分 4 、进入解算模块 1 ) 确定流体状况：是可压流还是不可压流体；定常计算还是非定常计算等等 2 ) 确定计算算法：如非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法 3 ) 定湍流模型：这一点在下节祥述 4 ) 定边界条件 5 、解算及结果分析 华中科技大学硕士学位论文 f l u e n t 可以给出所有迭代变量点、线、面数据，和各种变量包括流场、压力( 静 压、动压、全压) 场、温度场、浓度场等各种可视图。 6 、计算模型修正，重复计算 3 5c f d 分析中的湍流模型选择 1 、粘性流体动力学统一方程 掣+ d v ( 却矿) ：d v ( 1 - g r a d # ) + s 式中： 击一方程类型变量，r 一扩散系数，s - 源项 若：西= 1 ，s = 0 则为连续方程 若：庐= v ，f = = c o n s t 则为n s 方程 2 、f l u e n t 中提供的溜流模型及选择 1 ) 1 方程模型：s p a l a r t a l l m a r a s 模型 舻p _ 燕 p 害：胁葡+ 专毒 c + 而萼) + ( 割2 一风l 暑 式中：湍动能 i 1 - v ，虬- = 耗散率刮等拳 m 戚 c k = o 0 9 ，c s = 0 15 ，c s l = 1 4 4 ，c 。2 = 1 9 2 在f l u e n t 软件模型中，k 模型又分为三种 1 6 ，一七 c 占 钆一 也饥莎 石 巳 堕堕竺鲨 旷一占矿一占 h 魄 旦旦 = = 丝怎、堕奶 q q 船一西越一西 华中科技大学硕士学位论文 a ) 标准的k e 模型 b ) 修正后的( r n g ) k 一模型 堡三e 醒n e r a t i o + n 盐型一d g i s s i p a t i o n 僦”馥i皑7 一二，o 、：一二二 础毒= q 。( 丢 “s2 + 若一以理言 _ p ( 爿 s ；，厢两，；! fo u _ _ m s+ 塑1 拈擒, j 5 主【现+ ij 这种模型适合于高扭曲率计算，并且适合于传热计算。 c ) r e a l i z a b l ek 一模型 p詈5醒+一毒卜詈jdgissoxgeneration d i s s i o a t i o n 0 鞋。v lo jjlj 竺童2 丛塑竺+ 圭生竺割一兰塑麓；。删 这种模型适合于旋转机械和大曲率叶片计算，在本论文计算中，大都采用这种模 型。 3 ) 雷诺应力方程模型( 3 - 2 程模型) 户叽百a u i u j = 忍+ 中，+ 瓦c 2 1 # , - - e #户叽百2 忍+ 中”+ 瓦 d 一了o u _ a u ， 0 三虬_ + 材导 卟叫睁割 华中科技大学硕士学位论文 毛；z 瓦a u , 瓦t g u j卟叫睁刳 j 吐= u i “i t l k + p 。 j k u 。+ 6 l k “i 1 这种模型适合于旋气流和喷射气流以及二次流计算 4 ) 大涡计算( 7 方程模型) 该模型认为，湍流的能量和雷偌应力主要由大涡来传递，小涡则接受从大涡获得 的能量并将它耗散，对大小旋涡给予分别处理。这种算法在f l u e n t 上实现也不成熟 3 6 本章小结 本章探讨了计算流体力学的发展和应用；4 1 - 绍tc f d 流体模拟计算的基本原理： 接着简述了流体分析软件f l u e n t 以及基于f l u e n t 软件的流体分析方法与步骤； 最后给出了各种湍流模型，它们为后面实际计算模型的选取做好了准备。 接下来的一章，将就贯流风机系统的参数变化对性能的影响进行分析，着重考察 两个方面，一是蜗壳流型变化对风机性能的影响：二是蜗舌间隙变化对风机性能的影 响。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = 目= = = 目= d = = = = 4 影响贯流风机系统性能的两个参数的分析 在这一章，将就贯流风机系统的参数变化对性能的影响进行分析，主要考察两个 方面，一是蜗壳流型变化对风机性能的影响：二是蜗舌间隙变化对风机性能的影响。 4 1蜗壳形式变化对风机系统性能的影响 为了研究蜗壳形状对贯流风机性能的影响，本文在蜗壳进出口条件相同且边界条 件不变的情况下，分别改变风机蜗壳形状和出口部位流型进行计算并对结果进行分 柝。 l 、蜗壳形状变化影响研究 本文针对如图4 1 所示贯流叶轮对应五种不同的蜗壳流道( 图4 2 示) ，通过c f d 分析给出了风机系统内部流场的流动图谱，讨论蜗壳形状变化对贯流风机系统性能的 影响。 o 0 图4 - l 贯流叶轮主要尺寸 9 图4 - 2 五种不同的计算流道图形 1 ) 计算模型 如图4 3 所示，对风机系统的进口和出口都做延长边界处理，以利于计算中边界 条件的设定。 图4 3 解算模型图 2 ) 网格划分 以流道r 1 2 0 为例加以说明，分三个区建立网格模型，叶轮内部设为静区，构造 四边形网格；叶轮区为动区，生成三角形网格；其他设为外部静区，生成四边形网格。 网格图形如图4 4 所示。 2 0 华中科技大学硕士学位论文 。：= = = 2 = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = 图4 4 计算网格图 3 j 解算条件 选用r n gk - e 模型，进口条件给出总压为0 ，出口静压从o 一3 0 不等变化；动静 区之间用滑移网格处理；叶轮外径为1 5 0 m m ，转速为1 0 0 0 r p m ，进行非定常计算，时 间步长o 0 0 2 秒。 4 ) 解算结果 以下表格分别给出了五种不同流道r 1 3 5 ，1 2 7 ，1 2 0 ，1 1 2 ，1 0 5 t u r n 时，风量( 流 量系数) 及压升( 压力系数) 的计算结果。 流道r 1 3 5 静压设定值 q ( k g s ) p ( p a ) 中v ，0 0 8 8 0 7 4 7 2 5 3 2 o 6 1 0 3 1 2 5 0 7 50 8 6 6 05 0 1 5 3 1o 6 0 0 l1 3 2 7 4 1 0 0 7 8 7 54 6 9 1 8 50 5 4 5 61 2 4 1 8 1 50 6 9 2 24 3 0 4 8 40 4 7 9 61 1 3 9 4 2 00 5 6 7 63 8 7 6 0 90 3 9 3 31 0 2 5 9 2 50 3 5 6 23 2 8 0 1 90 2 4 6 80 8 6 8 2 3 00 0 3 4 42 9 1 3 3 60 0 2 3 80 7 7 1 1 流道r 1 2 7 静压设定值 q ( k g s ) p ( p a ) 巾v 0 0 9 6 0 35 1 2 2 3 6 0 6 6 5 4 1 3 5 5 7 。5o 8 9 1 64 9 9 3 7 50 6 1 7 91 3 2 1 7 1 00 7 9 4 44 5 4 1 6 60 5 5 0 51 2 0 2 1 】5 0 6 3 9 63 8 9 2 1 40 4 4 3 21 0 3 0 2 2 00 3 7 5 43 0 6 7 7 10 2 6 0 1o 8 1 1 9 2 20 3 4 4 32 8 6 8 1 50 2 3 8 6 0 7 5 9 l 2 华中科技大学硕士学位论文 流道r 1 2 0 静压设定值 q ( k g s ) p ( p a ) 中掣 o1 1 4 0 46 9 9 4 1 10 7 9 0 21 8 5 1 0 51 0 2 0 35 7 0 0 0 30 7 0 6 81 5 0 8 6 j 00 9 3 1 35 3 9 8 0 60 6 4 5 31 4 2 8 6 1 50 7 8 0 54 7 6 6 1 70 5 4 0 81 2 6 1 4 1 80 5 2 1 73 4 7 6 0 30 3 6 1 50 9 1 9 9 2 00 1 1 8 62 2 4 4 3 60 0 8 2 205 9 4 0 流道r1 1 2 静压设定值 q ( k g s ) p ( p a )中平 0 1 1 2 9 5 5 1 1 9 6 8o 7 8 2 61 3 5 5 1 、5 1 1 0 4 05 4 9 3 1 20 7 6 4 91 4 5 3 9 1 01 0 6 2 85 5 2 4 5 20 7 3 6 4 1 4 6 2 2 1 51 0 1 2 7 1 25 6 ，2 2 5 4 0 7 0 1 714 8 8 2 2 0 0 8 5 0 05 0 7 4 7 30 5 8 9 01 3 4 3 2 2 4 0 6 9 1 l4 8 3 3 8 70 4 7 8 9 1 2 7 9 4 流道r 1 0 5 静压设定值 q ( k g s ) p ( p a ) 中 o 1 0 9 6 34 4 8 3 4 8 0 7 5 9 71 1 8 6 7 51 0 5 4 84 8 1 7 5 l 0 7 3 0 91 2 7 5 l j o 1 0 4 0 85 0 6 7 5 5 0 7 2 1 71 3 4 1 3 】5 1 0 2 8 45 6 0 2 7 20 7 1 2 6 】4 8 2 9 2 0 0 9 9 8 65 5 9 9 8 6o 6 9 1 9 1 4 8 2 l 2 50 9 8 7 7 6 3 4 9 6 70 6 8 4 41 6 8 0 6 3 5 0 8 0 4 25 8 5 9 5 90 5 5 7 2 1 5 5 0 9 5 ) 各种流道速度 在图4 - 5 至4 9 中给出了5 种流道的速度等值线分布。 图4 5 流道r 1 0 5 速度等值线闰图4 - 6 流道r 1 1 2 速度等值线圈 图4 7 流道r 1 2 0 速度等值线圈图4 8 流道r 1 2 7 速度等值线图 图4 - 9 潦遴r 1 3 5 速度等壤线圈 2 3 6 ) 各种流道速度云图 图4 一l o 流道r 1 0 5 速度云图图4 - 1 1 流道r 1 1 2 速度云图 圈4 1 2 流道r 1 2 0 速度云图图4 1 3 流道r 1 2 7 速度云图 图4 1 4 流道r 1 3 5 速度云图 华中科技大学硕士学位论文 = # = = = = = = = _ ；= = = = = = = = _ _ = = = = = 7 )各秘流道速度矢量黼 篷4 - 1 5 流遴r 1 0 5 速度矢爨图 图4 1 6 滚遒r 1 1 2 速度矢爨匿 囤4 - 1 7 流道r 1 2 0 速度矢景图 图4 - 1 8 流道r 1 2 7 速度矢擞图 图4 1 9 流道r 1 3 5 速度矢量圈 2 5 华中科技大学硕士学位论文 8 )计算性能曲线 2 1 8 1 6i 1 4 1 2 ” 1 。 0 8 。 0 6 0 4 0 2 0 o 1 5 3 0 2 5 2 0 邑1 5 1 0 5 0 0 3 5 o 0 5 5 a ) 流道形状对性能的影响 + r l l 2 静一r 1 0 5 0 7 5 0 2 5 0 4 5 0 6 50 8 5 1 0 5 q ( k g s ) b ) 不同流道时性能的变化 图4 2 0 计算得的性能曲线 2 6 华中科技大学硕士学位论文 9 )结果讨论 从图4 2 0 中都可以看出，五种不同的流道中，流道r 1 2 0 的中间流道与贯流叶轮 匹配较好。 再从图4 5 到图4 - 1 9 的内流场图谱中可以看出，随着从流道r 1 0 5 到流道r 1 3 5 的变化，蜗壳流道更凸向远离叶轮，此时偏心涡也不断的向上移动，偏心涡越向上， 意味着偏心涡离蜗舌部位越远，从速度矢量图中可以看出，当涡核更接近于蜗舌时， 由于蜗舌的阻挡作用，偏心涡引起的回流受到蜗舌的限制，使得偏心涡运动对流场的 影响有所减小。 2 、出口部位流道形状变化的影响 在本次分析中，选用流道r 1 2 0 进行计算，同时将出口段的流线形状改为直线处 理，通过计算和实验数据对比，分析两种流道的优劣及判断流道选择原则。 1 ) 两种流道结构图 图4 2 l 蜗壳出口流道分析模型图 如图2 2 2 所示，两者的差别只是在于出口段流道形状的不同