（机械电子工程专业论文）船艇耐风性试验系统耦合风场分析.pdf

摘要 为了保证设计、建造的船舶具有良好的抗风特性，必须对船舶( 或模型) 进行抗风性能实验。自然风场的风速、均匀度无法调节和控制，无法满足实验 要求。必须建立人工模拟风场实验系统，实现在一定的区域范围内制造出一个 速度可调的均匀人工侧向风场以满足实验测试需求。该实验风场系统采用多个 具有一定功率的射流轴流风机组合成风阵，制造一个人工风场，在风场的射流 混合区域内产生速度可调的均匀风，以满足实验系统测试要求。 该实验系统的建立需要耗费很大的人力和物力，因此设计成本很高。所以 在设计该实验系统前，如果用计算机对多台射流轴流风机的耦合流场进行数值 模拟分析，得到风场相关数据，指导实验系统的设计，有利于最佳设计方案的 选择，具有很大实用价值和经济效益。 本文研究由多台射流轴流风机组合而成的风阵系统的耦合风场特性，射流 轴流风机作为本实验项目的核心动力输出元件，其性能指标将直接影响实验系 统的可靠性。 本文利用三维软件p r o e 建立风机叶轮模型，在前处理软件g a m b i t 中 建立风机整体模拟模型并进行网格划分，然后采用c f d 软件f l u e n t 对模型 进行计算。采用标准k - 8 双方程湍流模型，分离隐式求解法、s i m p l e 算法对 单台隧道轴流风机内部流场及多台风机的耦合流场进行了数值模拟计算。在对 模型进行网格划分时，布置合适的网格十分重要。网格尺寸过大，细小面的存 在会对网格的生成和计算的收敛产生一定的影响；网格尺寸过小，计算时间又 会增加。因此需要对模型作合理的简化，这些都需要设计人员在模拟过程中不 断的总结经验。 本论文在风机叶轮的建模和简化，以及模型网格的划分等方面进行了一定 的探索，在减少网格总数量及提高数值模拟数据精确度达到平衡，希望可以对 以后的风机数值模拟起到借鉴的作用。 关键词：轴流风机，耦合风场、数值模拟、流场分析 a b s t r a c t i no r d e rt oe n s u r et h ed e s i g n , t h ec o n s t r u c t i o no ft h es h i ph a sg o o dw i n d c h a r a c t e r i s t i c s ，w i n dr e s i s t a n c et ot h es h i p ( o rm o d e l ) e x p e r i m e n t s n a t u r a lw i n d f i e l d ，w i n ds p e e d ，u n i f o r m i t yc a l ln o tb ea d j u s t e da n dc o n t r o l l e d ，c a nn o tm e e tt h e t e s tr e q u i r e m e n t s m u s te s t a b l i s ht h ea r t i f i c i a ls i m u l a t i o no fw i n df i e l de x p e r i m e n t a l s y s t e mt oc r e a t eas p e e da d j u s t a b l eu n i f o r ma r t i f i c i a ll a t e r a lw i n df a r m t om e e tt h e d e m a n df o rl a b o r a t o r yt e s t si nac e r t a i nr e g i o nw i t h i n t h ew i n df i e l do ft h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m u s e st h ej e ta x i a lf a np o r t f o l i of i f ea r r a yh a sac e r t a i np o w e rt o c r e a t ea na r t i f i c i a l 诮n df i e l di nt h ej e tm i x i n gz o n eo ft h ew i n df i e l dt op r o d u c ea u n i f o r mw i n ds p e e da o j u s t a b l et om e e tt h et e s t i n gr e q u i r e m e n t so f t h ee x p e r i m e n t a l s y s t e m n ee s t a b l i s h m e n to ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw i t h o u tal o to fm a n p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r o e s ，h i g hd e s i g nc o s t s b e f o r et h ed e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m w i t ha c o m p u t e ro nt h ec o u p l i n go fm u l t i p l ej e ta x i a lf a nf l o wf i e l dn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h er e l e v a n td a t ao ft h ew i n df i e l d , g u i d i n gt h ed e s i g no ft h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h ec h o i c eo ft h eb e s td e s i g n , 、i t l lav e r yl a r g ep r a c t i c a lv a l u e a n de c o n o m i cb e n e 丘t s i nt h i sp a p e r , t h ew i n da r r a yf o r m e db yt h ec o m b i n a t i o no f m u l t i p l ej e ta x i a lf a n s y s t e mc o u p l e dw i n df i e l dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ej e ta x i a lf a np o w e ro u t p u ta st h ec o r e o f t h i se x p e r i m e n t a lp r o j e e tc o m p o n e n t s ，i t sp e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e r e l i a b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m i nt h i sp a p e r , t h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o ef a ni m p e l l e rm o d e l ，t h ef i r s t p r o c e s s i n gs o f t w a r eg a m b i t c r e a t e sf a no ft h eo v e r a l ls i m u l a t i o nm o d e la n dt h e m e s h , a n dt h e nc a l c u l a t e du s i n gt h ec f ds o f t w a r ef l u e n tm o d e l t h es t a n d a r dk e t u r b u l e n c em o d e l ，s e p a r a t i n gt h ei m p l i c i ts o l u t i o nm e t h o d ，t h es i m p l ea l g o r i t h mo n as i n g l et u n n e la x i a lf a ni n t e r n a lf l o wf i e l da n dw i n dt u r b i n ec o u p l e df l o wf i e l dw a s s i m u l a t e d m e s h i n go f t h em o d e l ，l a y o u to ft h e 鲥di sv e r yi m p o r t a n t t h eg r i ds i z e i st o ol a r g e ，t h ee x i s t e n c eo f t h es m a l ls u r f a c eo f t h eg r i dw i l lg e n e r a t ea n dt h e c o n v e r g e n c eo fc o m p u t a t i o nh a v ea c e r t a i ni m p a c t ；m e s hs i z ei st o os m a l l ，t h e c o m p u t a t i o nt i m ew i l li n c r e a s e n l e r e f o r em a k ear e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o no f t h e m o d e l ，w h i c hr e q u i r e st h ed e s i g n e rt oc o n s t a n t l ys u mu pe x p e r i e n c ei nt h e s i m u l a t i o n 珊st h e s i si st h em o d e l i n ga n ds i m p l i f i c a t i o no ft h ef a ni m p e l l e r ，a n dt h em o d e l g r i db yc e r t a i ne x p l o r a t i o n , r e d u c et h et o t a lg r i dn u m b e ra n di m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nd a t at ob a l a n c et h eh o p et h a tf a nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf r o m t h e t ol e a r nt h er o l e k e y w o r d s ：a x i a lf l o wf a n ，c o u p l i n gw i n df i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , f l o wf i e l d a n a l y s i s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第1 章绪论 改革开发以来，随着我国经济的飞速发展，海上权益的重要性日益突出； 中国拥有漫长的海岸线，极为丰富的海洋资源。随着陆地资源的不断开发利用， 海上资源的广阔前景被世界各国看好，国家的资源开发不断向海洋疆域延伸。 国家海洋权益包括海上交通运输安全、海洋区域划分、海洋相关产业开发，对 于国家的主权维护以及国家经济发展有着极其重要的作用；海上石油天然气开 发、海上物流运输、海上捕鱼等对于我国经济发展起着不可估量的作用。 舰船的抗风特性是船舶的重要性能之一，其直接影响船舶的航行安全。据 统计，我国东海区2 0 0 6 年第四季度共发生渔业船舶水上事故1 3 8 起，沉船3 3 艘，死亡( 失踪) 9 3 人，直接经济损失1 8 3 9 1 9 万元。与去年同期相比，四项 统计指标中事故起数和死亡( 失踪) 人数分别下降了1 5 3 3 和1 9 8 3 ，而沉 ( 毁) 船数和直接经济损失则分别上升了1 0 和4 1 1 。风灾事故共计9 起， 导致船舶沉毁8 艘，死亡1 4 人，同比略有上升，直接经济损失3 7 0 9 万元，增 长8 6 1 9 。从事故概况看，3 起是在锚泊时，受风浪袭击倾覆沉没，另6 起是 在航行中或作业中遭遇大风沉没。海上作业的安全性问题一直受到国家相关部 门的高度重视，尤其是舰船的抗风性能问题，一直是国内外海事部门关注的焦 点。 为了保证设计、建造的船舶具有良好的抗风特性，必须对船舶( 或模型) 进行抗风性能实验。自然风场的风速、均匀度无法调节和控制，无法满足实验 要求。必须建立人工模拟实验风场，实现在一定的区域范围内制造出一个速度 可调的均匀人工侧向风场以满足实验测试需求。 该实验风场系统采用多个具有一定功率的射流轴流风机组合成风阵，制造 一个人工风场，在风场的射流混合区域内产生速度可调的均匀风，以满足实验 系统测试要求。 本文通过对风阵耦合风场的数值模拟分析，得到风阵出口风速平均值以及 5 米处( 实验船停泊处) 风速平均值对应关系。通过抗风性能实验，测试舰船 的抗风特性，可实现舰船抗风性能的评估和改进。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状分析 本文研究由多台射流轴流风机组合而成的风阵系统的风场特性，射流轴流 风机作为本实验项目的核心动力输出元件，其性能指标将直接影响实验系统的 可靠性。 1 2 1 通风机及其主要性能参数 通风机按照其气体流动方向的不同，可以划分为离心式通风机、轴流式通 风机及混流式通风机等三大类型【l l ： 离心式通风机，其工作原理为动力机部分旋转运动带动通风机叶轮在蜗形 机壳内部做旋转运动，流体则经由风机叶轮中心处被吸入风机内部。经过这种 叶轮叶片循环吸引力的作用，以达到提高气体压力和速度的目的，最后在离心 惯性力的作用下流向机壳，然后从出气口流出。 轴流式通风机，其工作原理为动力机部分旋转运动带动叶轮及叶片在圆筒 形机壳内部随之旋转，流体从风机入口流入，通过叶轮快速循环旋转运动，以 达到提高流体压力和速度目的，并沿着风筒出口流出。轴流通风机的安装布置 目前主要有立式、卧式和倾斜式三种形式，轴流风机叶轮直径范围d , n1 0 0 毫 米，大到2 0 米都有应用。 混流通风机又称斜流通风机，其运行原理为，气体流入风机时与风机轴线 成一定角度，即与轴线倾斜，通过叶轮选择获得能量，并沿着轴向倾斜角度出 口流出。斜流式通风机的叶轮和风机机外壳的形状为圆锥形，这种形状结构原 理决定了斜流式通风机性能特点介于离心式通风机和轴流式通风机两者之间， 性能参数也介于两者之间。 通风机的性能参数主要包括：流量、风压、风机功率、风机效率和叶轮转 速；除此之外，通风机的噪音及振动，也是通风机的重要性能指标。流量即流 体容量，是指在单位时间内通过通风机的气体容积；风压是指气体在通风机内 由于旋转运动而导致压力升高的值，风压可以细分为静压、动压、全压三类； 通风机功率一般是指通风机的输入功率( 轴功率) ，全压效率是指通风机有效功 率相对于风机轴功率的百分比。 本文主要通过f l u e n t 软件对单台及多台( 本文四台) 风机进行数值模拟 计算，得出耦合风场相关数据，以上通风机的各个性能参数为风机模拟的重要 2 武汉理工大学硕士学位论文 初始条件，这些因素关系到风机模拟的准确性及可靠性。 1 2 2 轴流通风机性能的影响因素 决定轴流通风机性能优劣的因素有很多，如叶片安装角、叶轮的径向间隙、 叶轮叶片数、叶轮转速、风机的前后导叶等，以上全部因素决定了通风机性能 的鲫。详细的了解这些因素对通风机的影响有利于对通风机性能的把握，在对 风机进行数值模拟分析时，使风机性能达到最优，提高数值模拟结果的精确度 及可靠性，从而所得提高模拟风场的均匀度【z j 。 ( 1 ) 叶片安装角 通风机叶片的安装角度是风机叶轮设计过程中的重要几何参数，风机叶片 的安装角度大小直接关系到风机性能指标，在叶轮设计过程中其它几何参数保 持不变的情况下，改变叶片安装角的大小就可以决定风机的总体性能。若风机 叶片的安装角度过大，则会导致叶轮叶片上的阻力负荷加大，从而导致叶片表 面压力分布变化和压力脉动的增大，最后造成叶片噪音进一步增大。若风机叶 片的安装角度过小，由上可知其表面压力负载会减小，而且由负载引起的风机 噪音也会随之减小，但是，风机叶片安装角度过小将会降低风机的整体性能参 数。因此，综合考虑风机性能要求，任一型号风机的叶片安装角度都需要反复 计算实验求得，不可任意变动。 叶片安装角度的可变性是轴流风机区别于离心式风机的一个重要特点；所 以在轴流风机设计时，设计人员常常会通过改变叶片的安装角来达到改变风机 性能的效果。 ( 2 ) 叶轮径向间隙 为了保证通风机运行的安全，轴流通风机叶轮外径与机壳之间必须保持一 定的间隙，间隙的大小直接影响到通风机的综合性能。所以，进行风机设计时， 叶轮外径与机壳之间的必须保持合适的径向间隙，以保证设计出来的风机具有 良好的工作性能。如果叶轮径向间隙过大，在通风机运行过程中，会在叶轮叶 片尖端及机壳间隙的两边形成很大的压力差，导致轴线方向漏风( 即形成循环 风) ，形成循环风的这一部分功是无用功，既会导致泄漏损失，又会降低通风机 效率。如果径向间隙过小，在通风机运行过程中，若出现风机旋转轴的跳动、 灰尘或其它杂物阻塞间隙等不稳定工作状态，会导致重大安全事故的发生。所 以叶轮径向间隙对风机综合性能及安全性能有很大影响。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 转速 风机转速对其性能也有重要影响，在风机其他初始条件不改变的情况下， 风机流量比等于风机转速比；风机压力比为风机转速比的二次方；风机功率比 为风机转速的三次方。 因此可知，风机所需要的转速应与电动机的转速相匹配，才可以得到正常 工作状态下的风机风压和风机流量，风机所消耗的功率与电动机保持一致。如 果电动机转速低于风机本身所需转速，将无法得到正常工作状态下的风压及流 量；如果电动机转速高于风机本身所需转速，将会因为电动机功率过大超过线 路负荷引起线路故障，导致安全事故损坏风机。 风机转数作为通风机性能影响要素之一，其大小的变化将会对风机性能产 生怎样影响也是本文的一个关注点。 ( 4 ) 叶片数 通常在理论分析过程中，一般都会将通风机叶片数目假定为无限，然后对 最终结果运用系数修正法进行校核。欧拉方程就是在假定叶片数目无限及补给 流动损失等理想条件根据流体速度三角形下得到的，在这种理想状态下叶片上 每一点的相对流动速度方向都与叶片相切。然后在实际工程应用中，通风机叶 片数目一般为有限的几片或者十几片，相对于理想条件下，叶片对流束的约束 以及理论杨程都会减小。在叶片数目有限的流动情况下，叶片的流道上既存在 均匀的相对流动，又存在由于流体流动惯性而引起的轴向相对涡流运动。两个 运动流合成之后，则相对涡流增加了叶轮转动方向的流道前一部分原有的相对 流动速度，但是却抑制了后一部分原有的相对流动速度。合成运动将引起流体 相对流动速度在叶片的同一个圆周半径上分布不均匀，既会导致叶片两面产生 压力差，形成作用于轮轴的阻力矩，电动机需要做克服这一阻力矩的无用功； 又会引起叶轮出口处相对速度将沿着叶片旋转的反方向偏离切线。所以，风机 的叶片数目能直接影响风机效率及风压的大小。 3 特性船艇耐风实验系统 1 3 1 实验系统概述 本实验系统方案的设计是为了模拟验证特性船艇水上耐风强度等各方面的 实验，以此来评估及改进船艇耐风强度。本课题部分流体研究分析来自邹琳老 4 武汉理工大学硕士学位论文 师波浪型斜拉索涡致耦合震动与流动控制机理研究，国家自然科学基金项目 资助( n o 1 1 1 7 2 2 2 2 0 ) 。 1 3 2 系统主要功能、特点，技术性能指标 ( 1 ) 主要功能 ( a ) 模拟特性船艇真实水上耐风过程 ( b ) 验证特性船艇水上耐风强度及稳定性 ( 2 ) 主要技术要求 特性船艇耐风性能检测要求，确定实验装置主要技术要求如下： ( a ) 风阵的出口截面尺寸为：宽高= 1 2 m x 2 4 m ，距风阵出口5 m 处最大 风速可达3 5 m s 。测试船艇整体应能受到设定风速的吹拂。 ( b ) 采用多个具有一定功率的风机组合成风阵，风阵必须联接可靠，并易 拆卸。 ( c ) 距风机出风口5 m 处风阵中心标高上下1 0 0 0 m m 、左右5 0 0 0 m m 的截面上，风速的均匀 度控制在设定的风速的1 0 以内。 1 3 3 技术方案 ( 1 ) 风阵的方案论证 造风装置根据射流原理设计，射流速度区域，一般分为混合区和扩散区， 而造风装置所要达到的风场，必须处于射流的混合区域。混合区速度分布的特 点是：中间部分为速核区，在速核区内速度相等，在速核区外风速逐渐下降， 扩散角约为l l 。所以风阵的出风口截面设计为1 2 m 2 4 m 。 造风装置是由射流轴流风机、变频调速系统、导流管等组成的风阵： ( 2 ) 射流轴流风机 对于单台风机的轴向衰减的经验公式 u u 。26 1 3 x d 式中： u 0 一出口处的最大风速 u 一离风口5 m 处的风速 x - - - 一离风口距离 d 风机直径 从计算公式可见对单台风机的轴向衰减是比较快的，但对于个多台风机 5 武汉理工大学硕士学位论文 组成的风阵，其衰减实际速度要慢得多。根据现有的风阵的衰减特性推算，选 用射流式的隧道风机，选配4 5 台s d s 7 撑风机组成风阵。 选配s d s 7 撑风机的性能参数： q = 6 1 2 0 0 m 3 h n = 1 4 5 0 r p m出1 2 1 风速u o 4 0 t $ n = 3 0 k w l = 7 3 d b 整机性能参数： 总风量2 7 5 4 0 0 0 m 3 h ，总配置用功率1 3 5 0 k w ，总噪声约8 5 d b ，经适当处 理后总噪声可下降到8 5 d b 。 单台风机直径为0 8 m ，组成一个出口截面为1 2 m 2 4 m 的风阵，采用变频 调速系统来调节风速，使之距风阵出口5 m 处的风最大可达3 5 m s 。为了降低噪 声分贝，在风机的进风口上安装消声器。 1 4 本文研究内容 本文通过c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件( 本文使用f l u n e t ) 对多台风机外部耦合风场进行数值模拟分析，耦合流场分析及风场均匀化为最 重要环节，其数值模拟计算的精确程度关系到实验分析结果的可靠性。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 从关键部件轴流风机开始，设计s d s 硝风机叶片、建立单台风机模 型，并对单台风机性能进行数值分析。 ( 2 ) 研究分析多台风机( 本文为四台) 同时工作时外部流场耦合特性( 如 何利用f l u n e t 实现耦合风场数值模拟) ( 3 ) 确定射流风机模拟流场边界条件，以达到真实的模拟效果。 ( 4 ) 利用f l u n e t 对射出的均匀化流场进行风速分析，得出出风口风速 平均值和出口5 米处风速平均值对应关系。 ( 5 ) 分析4 台风机耦合风场及4 5 台风机耦合风场之间的相关性，验证4 台风机风场分析数据对整体风阵耦合风场的参考价值。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章流体动力学基础理论 本文模型选择湍流模型，文中对轴流风机流场进行数值模拟分析，需要对 流体动力学相关知识深入学习了解，本文数值模拟中流体的控制方程如何选择， 湍流模型的选取。 2 1 流体力学计算求解及数值模拟方法 流体力学问题研究中，常用方法有三种【3 l ： ( 1 ) 理论研究方法 理论研究方法的优点是可以清晰、广泛的揭露流体流动的运动特性，不足 之处是理论方法目前只能处理一些简单的模型，并且对研究人员流体理论素养 及数学能力要求较高。 ( 2 ) 实验研究方法 实验研究方法的优点是结果可靠性高，不足之处是实验不能将模型尺寸的 限制、相似准则和模型边界条件的影响等所有情况全部考虑进来；此外，实验 研究耗费时间较长，需要建造相应的实验场所、购买大量先进精密的仪器设备 和投入大量的研究经费。 ( 3 ) 数值计算方法 流体力学计算中，数值计算的优点是研究工作时间周期短，经费较少，且 精度较高，是目前流体力学研究的主流方法。数值计算方法则要求研究者利用 实验研究及理论分析想结合的方法来建立数学模型方程组。 本文对流体的研究就是采用数值计算方法，需要对数值模拟深入了解，从 流体力学理论角度研究本文。 经过研究学者的研究及探索，数值模拟可以分为一下几步。 ( 1 ) 建立模型的基本守恒方程组 即从流体力学及相关理论出发，建立质量、动量、能量、湍流特性等的守 恒方程组，下一节对这些方程组有所介绍。对于本文中的湍流模型，从不同的 理论角度考虑，守恒方程组也会有所区别，如何建立模型的基本方程组，是数 值模拟理论的一个重要环节。 ( 2 ) 建立模型及选择模型封闭方法 7 武汉理工大学硕士学位论文 对于本文选择的湍流模型，往往存在方程组不封闭情况，f l u e n t 中已经 预先设置了很多物理模型，研究者可以根据课题实际情况选择不同的模型，也 可以利用f l u e n t 中的u d f 功能自己编程，开发符合用户个人要求的物理模 型。 ( 3 ) 模型初始条件及边界条件的确定 数值模拟计算需要通过已知模型的尺寸及几何形状，由物理特征的为基础 进行分析，先确定模型计算域范围，并对计算区域进口、出口、对称面、模型 壁面及自由面处条件进行指定。对于本文研究的湍流模型，还需要确定模型各 个相关变量的脉动值和时均值的初始条件跟边界条件。模型边界条件的选择是 否合适，关系到数值模拟的成败，因此需要考虑全面。由于流体力学中定常问 题为稳态流动，所以初始条件通常忽略不考虑。 ( 4 ) 模型网格的划分 通过网格的引入，可以在空间计算域内将控制方程组进行离散化，而要进 行数值模拟计算，必须将控制方程进行离散，所以对于数值模拟计算，必须先 对模型进行网格划分。 ( 5 ) 离散化方程的建立 当使用数值方法对偏微分方程组进行求解时，则需要将模型计算域内网格 节点或者网格控制体中心点上的因变量视作基本未知量，然后在该基本未知量 的基础之上建立相关代数方程组，最后求解代数方程组，即可得到该节点因变 量的值。 ( 6 ) 选择求解的方法 当对方程组进行离散化之后，可以根据实际情况选择不同求解方法。 f l u e n t 主要求解方法有以下几种：基于压力的压力一速度修正算法( s i m p l e 系列算法) 、基于密度的耦合隐式或显式时间推进求解算法、涡量流函数算法、 矢通量分裂方法及通量差分分裂方法等。求解代数方程组的方法包括：三角矩 阵法、逐线迭代、松弛高斯赛德尔迭代方法等。深入了解算法和相应参数的意 义有利于在f l u e n t 中正确设置各种松弛因子、算法参数，以提高数值计算的 效率。 ( 7 ) 计算技巧的研究和计算程序的编写调试 在计算求解不同问题时，对于具体问题，对于一些计算方法细节的研究有 利于更高效的完成计算。研究者可以利用f l u e n t 中的用户接口u d f 函数， 自己编制程序来进行计算。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 数值模拟计算结果与实验对比分析 设置数值模拟迭代模拟计算次数，完成多次迭代计算后，对求解结果的收 敛性进行判定，如果解收敛，则可以得到一些相关变量的预报结果。对于解的 收敛性的判断，一般都依靠研究者的经验。常用判断收敛方法为残差值判定， 即通过残差图观察残差值是否小于预先设定的某个量( f l u e n t 中通常可以选 择默认量) ，工程应用过程中，通常要参照流经模型流体的总质量流量、模型某 个截面通量物理量或某点物理量的变化等进行综合判断；且某些时候，当所监 控的物理量不再变化或周期性变化是，可以认为结果收敛。若结果并不收敛甚 至发散，则需对松弛因子进行调节、降低差分格式，或者选择更为简单的模型 甚至重新对网格进行划分，再开始重新计算。数值模拟计算结果必须要求收敛。 最后将数值模拟计算的预报结果与实验测量结果对比分析，参照相关流体 理论知识，对数值模拟计算结果及理论结果进行评估，可以为研究者选用数值 模拟理论及方法提供选择依据。 2 2 流体控制方程 针对任何流体的流动，c f d 都必须通过质量守恒方程、动量方程来计算。 本文中流体属于可压缩气体，则还必须通过能量守恒来计算，这三个方程统称 为流体控制方程 4 1 。 2 2 1 质量守恒方程 詈+ 毒c 刚一 2 一， 害+ 昙c 脚昙c 肿孚一 2 2 质量守恒方程又被成为连续性方程，以上两个公式为其两种表示形式；由 上式可知，x 表示轴向坐标值，r 表示径向方向坐标值，u 表示速度轴向分量，v 表示速度径向分量，源项o m 是分散二级相增加到连续相中的质量，或者是用户 自己定义的源项。所有流体的流动都必须遵循质量守恒定律，无论是可压或不 可压流动都适用。 9 武汉理工大学硕士学位论文 所有流体的流动也必须遵循动量守恒定律，按照动量守恒定律推导出空间 动量方程。 惯性坐标系下，i 方向的动量守恒方程为： 扣，+ 毒c 酬一言+ a t _ _ a ，懈 式中，p 是静压；勺是应力张量，定义为：f 盯= k 考+ 鼍 - 詈p 等疣， p g ，e 是重力体积力和其它体积力( 如源于两相之间的作用) ，e 还可以包括 其它模型源项或者用户自定义源项。 以空间坐标轴表示的动量守恒方程分别为： 昙( ) + 吾去( 唧“) + 7 l 瓦a ( 咿“) = 一鲁 o tro xra r a ) c + 吾昙 叫( 2 瓦a u j 2c v 哥， + 三r 旦& r l ，( 考+ 塞) + e 2 4 和 昙( 川+ 吾昙( 例) + 三r 拿o r ( 例) = 一孚d ro tr 呶 + 吾昙 ，( 罢+ 等) + 吾昙 ，( 2 塞一詈c v 哥， 却砉专等c v 回+ p 等 ，一气 2 2 3 能量方程 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 本文涉及到流体为空气，是可压缩气体，则在使用c f d 软件进行计算是还 必须遵循能量守恒定律。能量守恒定律为热力学第一定律，所有涉及到热量流 动交换的模型都必须遵循此定律。 昙( 柳争( 胆协毒( f a r 渺心驴瓯2 6 在公式中，2 毛+ 七表示有效导热系数，湍流导热系数则根据湍流模型 来定义，j 是组分_ ，。的扩散通量。该公式右边前三项分别表示导热项，组分扩 散项和粘性耗散项。o h 则是化学反应热和其它体积热源的源项。其中， e ：办一旦+ 笠 p 2 2 - - 7 h = m ，h j ， 对于理想气体，焓定义为： 。一。 2 3 湍流模型数值模拟方法 自然状态中流体流动的状态主要包括两种，层流和湍流。湍流是很常见的 流动形式本文流动即为湍流流动，因此必须深入了解湍流模型的选择。在具体 项目研究求解过程中，对于湍流模型类型的选择要根据具体情况来确定。 本文选用f l u e n t 为分析软件，f l u n e t 软件中自带的湍流模型包括：单 方程( s p a l a r t - a l l m a r a s ) 模型、双方程模型( 标准佟模型、重整化群k - g 模型、 可实现( r e a l i z a b l e ) r - e 模型) 、雷诺应力模型和大涡模拟 5 】。 2 3 1 单方程( s - a ) 模型 y 为单方程( s a ) 模型的求解变量，它表示近壁区域以外的湍流运动粘性 系数。，的输运方程为： p 罢却寺陪卜噶卜p 剀 2 8 其中，u y 是湍流粘性产生项；j v 是表示壁面阻力及粘性阻尼导致的湍流粘 性的减少量；和乙b 2 是常数；v 是分子运动粘性系数。 湍流粘性系数用如下公式计算： 似= p 矾l 武汉理工大学硕士学位论文 上式中，工是粘性阻尼函数。 湍流粘性产生项瓯可用如下式表示： g v = c b l 茚矿 2 9 其中，善s + 吾工：，而工：21 一去。其中，c 。及k 是常数，d 表 示点到壁面之间的距离；s 暑2 q 口q 。q 驴定义为： 卟精皇o x j 2 州 因为平均应变率会对湍流产生有很大影响，f l u n e t 处理过程中，定义s 为： s - ( 2 ， + c p 。am i n ( o ，i s 口l - i - j 1 ) 其中，c 删_ 2 o ，刚暑厄酉， 驴精+ 考 黼脚l 器g j 1 l 6 其中， 十l 们 g = ，+ c ，2 ( ，6 - r ) 矿 厂暑虿k 2 d 2 s kd 2 一1 1 l 毛l 暑厩，平均应变率岛定义为： 2 一1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 2 1 6 其中，c 。，c ，：，c 。，是常数，s 兰s + 吾r _ 工：。由上式可知，平均应变其中，。，：，c 。，是常数，o 2 o 十萨万j w 。由上式可知，平均应变 率对s 的有一定的影响，因而对s 的计算也会有影响r 。 以上模型常数在软件f l u n e t 中具有默认值，分别为：g l 2 0 1 3 3 5 ， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 c 6 2 = 0 6 2 2 ，仃矿= 2 3 ，c v l = 7 1 ，c 。1 = c 6 l k 2 + ( 1 + c 6 2 ) a ，c w 2 2 0 3 ， c w 322 v ，k = 0 4 1 。 壁面条件 在壁面条件设置中，通常把湍流运动粘性矿设为零。若计算模型网格足够细， 可用来求解层流底层，壁面的切应力可以用层流应力一应变关系来求解，即： u p u f y 一= = 一 u r j l i 2 1 7 若网格过粗不可以用来计算层流底层， 边界层的对数区内，则根据壁面条件计算： 瓦u 叫1 kn e 降)“，l j l l 其中，k - - 0 4 1 9 ，e - - 9 7 9 3 。 可以假设壁面相邻的网格质心落于 2 1 8 2 3 2 标准k s 模型 标准k 一模型通过假设湍流流动为完全湍流，从而忽略粘性的影响，因此， 标准七一s 模型只适合用于模拟完全湍流的流动。 标准k s 模型的方程可表示为： p 瓦d k 二瓦0 陋+ 尝) 善 + q + 瓯一舻一场 2 一。9 p 瓦d e = 毒+ 尝) 毒 + q c q + g 。g ，一g s p 譬 2 2 。 由以上公式可知，g t 表示平均速度梯度所产生的湍动能，g 6 表示浮力影 响所产生的湍动能；表示可压速湍流脉动膨胀与总的耗散率的关系。湍流粘 一 后2 性系数“2 p 了。 在c f d 软件中存在默认值常数，c l 。：1 4 4 ，g 一1 9 2 ，c p = 0 0 9 ，湍动 能k 与耗散率的湍流普朗特数则为仉- - 1 0 ，以- 1 3 。这些常数值可以在“粘 性模型”面板中进行调整。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 重整化群k 一模型 重整化群k 模型方程中有新的函数与项，常数也有所不同，但是该模型 的湍动能方程和耗散率方程同标准模型有些共同之处： p 百d k2 毒卜t p ) 毒 + 瓯+ g b - p s - 2 2 。 p 瓦d e2 毒卜p 够) 毒 + c 乓c g 七+ g e g ，一q s p 譬 2 2 2 q 、g 6 、，这几个参数与上面公式中相同。a t 和口s 则分别表示湍动能 k 与耗散率s 的有效湍流普朗特数的倒数。 湍流粘性系数计算公式为： d i 磐i ：1 7 2 下，- 一d 矿 l 掣j 伊3 一l c v 2 2 3 其中，v “2 万儿，c 1 0 0 在f l u n e t 数值模拟中，重整化群k 模型中对于高雷诺系数流动，通常 采用默认设置，若是针对低雷诺数流动，则需要进行相应的设置。 2 3 4 可实现k 一模型 可实现k 模型的输运方程可以表示为： p 等= 毒 ( p + 尝 考 + g t + g 一胪一 2 2 4 p 告= 毒陋+ 等) 考 + 鹏一鹏蔷+ q 乓g 一 2 2 5 c ：m a x 0 4 3 ，卫i 其中， 1 l 7 7 + 5 3 ，叩2 鼬g 由以上方程可知，c ：和c l s 是常数；o k ，仃e 则分别代表湍动能和其耗散率 的湍流普朗特数。在f l u n e t 的默认值常数中，c l 。：1 4 4 ，c 2 ：1 9 ，仃= 1 0 ， 仃e = 1 2 。 可实现k 模型适合各种类型的流动，例如自由流动，有旋均匀剪切流动， 腔道内流动以及边界层流动。该模型对以上流动过程模拟结果都比标准k e 模 型的结果好，特别是可实现k e 模型对圆口射流和平板射流模拟中，能给出较 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 好的射流扩张角。湍流粘性系数公式为“2 簟p 了k ，与标准k 模型相同； n z 不但在可实现k 模型中，c 卢不是常数，而是通过下面公式计算得出： 铲毛墨u k厶+ 彳， 2 2 6 其中，u = 佤岛+ 孬口盈，磊驴= q 一2 s 毋执，q = 孬驴一执，孬嚎 示为角速度c o t 在旋转坐标系下的旋转当量率。模型常数a o 2 4 0 4 ， a ，2x 6c o s # ，而： 妒= 扣s ( 厕，式中w = 学，i ：瓜，岛2 j 1 百0 u j + 挈 由上可知，c p 是平均应变率与旋度的函数。在平衡边界层惯性底层，能够 得到c p = 0 0 9 ，与标准k 模型中采用的底常数相同。 湍动能产生项 q 叫珥瓦o u i 2 2 7 g 6 = 麾，雨g t , 瓦o t 2 2 8 上式中，p r t ( 默认设置值为0 8 5 ) 表示能量的湍流普特朗数。而重整化群 j c 模型中，p r t = 1 c t ，a = 1 p r = 七心p 。公式中热膨胀系数为 卢= 一吉( 等) p ，而对理想气体，二力导致的湍动能产生项则为： g n = - g t 篇毒 2 嘲 实验证明，湍流普朗特数随分子普朗特数以及湍流的变化而变化。 2 3 6 大涡模拟( l e s ) 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 大涡模拟是所有湍流模型中最精细的，精度最高，但是相对的网格数量需 求也很大，对于c p u 计算量及内存需求非常大，计算时间较长，实际工程中应 用较少。大涡模拟湍流流动，既要求计算域的尺寸足够大( 可以包含最大涡) ， 又要求网格尺度要能够辨别最小涡，所以只能通过n s 方程来计算尺寸大的湍 流，而通过建立模型来模拟小涡对大尺度运动的干扰。 大涡模拟通过对湍流的脉动部分进行直接模拟，在一个小空间域内对n s 方程进行平均化，从而去掉流场中小尺度涡，最后推导出满足大尺度涡的方程； 在大涡方程会体现出小尺度涡对大尺度涡的影响，可以利用建立亚格子尺度模 型来模拟小涡的影响。小尺度的涡所获得的能量是大尺度的涡相互作用传递给 小尺度涡的，耗散能量是小尺度涡的主要特点，小尺度涡几乎是各向同性的， 且流动不同的小尺度涡还会有共性的存在。但是流场的边界形状及边界条件决 定了湍流大涡的结构，对于不同边界特征的大涡结构很难找到与之对应的通用 湍流模型，来进行直接模拟。然而，小尺度涡与边界条件直径没有这种直接关 系，且小尺度涡一般具有各向同性性质。所以亚格子模型更具有普遍适应性， 而且构造容易，这是它比其他方法优越的地方。 2 4 本章小结 通过对本文研究结合对流体控制方程、湍流模型的分析可知，本文中射流 风机中流体可视为理想流体( 无粘流体) ；风机风速为u 。4 0 m s ，马赫数远 小于l ，可视为不可压缩气体；对射流风机叶轮运动进行分析，叶轮流体旋转 运动复杂无规则，可用湍流形态进行模拟；本文只考虑射流风机稳定工作时况， 风机正常稳定运转时可视为定常流动。 因此对于本文模拟的数值模拟，首先通过对湍流模型的分析，选择合适的 湍流模型进行模拟分析；再通过质量守恒方程、动量守恒方程及能量方程来对 模型进行数值计算。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章射流式轴流风机扇叶叶轮结构设计 对风机流场的分析是本文的研究重点，风机的几何形状参数关系到相关风 机流场的性能参数。课题要求对风机流场进行数值计算，则必须设计出风机的 关键部件叶轮，再导入f l u e n t 中进行流体仿真分析。根据已知风机型号 s d s 7 1 2 p 6 3 0 。，可得到风机的相关性能参数，再利用风机的相关性能参数 反向推导计算出叶轮的几何参数，并建立该型号的叶轮模型结构。 3 1 射流式轴流风机设计 射流式轴流通风机通常简称射流风机，工程主要应用于中短距离的隧道通 风；即射流风机沿着隧道纵向布置安装，靠射流风机出口气流的强劲推力来排 除污染气体，以确保隧道交通的安全运行。 射流式风机作为轴流通风机中的一种特殊用途风机，射流式通风机的气动 原理和设计方法与轴流通风机相同；但是，射流风机作为一种有着特殊用途的 轴流式风机，其气动设计的出发点又与普通轴流通风机有所不同，射流风机着 眼于推力和流量，轴流风机着眼于全压( 或者静压) 和流量。因此，下面先对 射流通风机的性能进行理论分析并给出性能相似换算的关系式，然后，对射流 风机的气动设计特点进行介绍。 图3 1 单级轴流风机结构简图 1 7 武汉理工大