（制冷及低温工程专业论文）轴流换气扇翼型优化研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 通风机械的效率不高是造成目前建筑物通风能耗大的主要原因 轴流换气扇作为 通风机械的一种也存在着效率不高的问题 且轴流换气扇也存在夜间持续运行产生较 大噪声的问题 而轴流换气扇设计技术落后是造成这些问题的主要原因 论文以某型 号轴流换气扇为研究对象 并对该轴流换气扇模型进行改造 结合计算流体力学 fluent 软件对该轴流换气扇及其改造模型的整机流域的流场分布进行了模拟计算 并对比分析结果得到相应改造手段对流体域压力场分布 速度场分布 性能曲线的影 响 论文利用数值计算方法对轴流换气扇改造前后流域内的压力场和速度场进行了 模拟 模拟过程中对轴流换气扇的整机模型做了适当的简化 如省略了轮毂内部的复 杂结构 未考虑实际模型的倒圆角等 轴流换气扇整机流域采用 k 模型进行计算 不采用能量守恒方程 模型全部采用四面体网格 弧度较大的叶片处由于速度场与压 力场变量梯度较大 网格划分较细 文中详细分析了轴流换气扇添加前缘尾缘凸台模型及叶片进 出口角度调整模型 的数值模拟结果 计算结果显示了改造前后轴流换气扇的流场分布及性能曲线 通过 对比分析 得到添加前后台的改造手段能够有效的减小入口速度梯度 抑制叶根流线 分离 且在一定程度上加强叶片的刚度使叶片振颤较小 但通风量会有所下降 安装 角的改变对换气扇性能具有一定的影响 且存在一个最佳的角度使得风机性能最优 且较微小的制造误差都会影响性能 因此在制造过程中要保证生产精度 论文的研究 表明 文中探讨的改造方案都对流场起到了或积极或消极的影响 这些经验成果可为 下一步优化设计轴流换气扇提供理论基础 关键词 轴流换气扇 优化 数值模拟 流场分布 i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract low efficiency of the ventilation machinery is the main reason which caused the high energy consumption of the building ventilation currently ventilation fan which widely used has is also the problem of low efficiency and its operation noise has affected the living environment of people s because of the bad design the ventilation fan has a common problem of low efficiency and high noise in this paper a particular fan model and its optimized models have been studied the computational fluid dynamics software fluent was used to study the whole flow field distribution of the original and modified fan model at the same time the effect of the modify methods on pressure distribution velocity distribution and the performance curve of the flow field are all taken in considerate pressure and velocity distribution of the flow field before and after modification of the ventilation fan were simulated using the numerical method in this paper proper simplification has been done to the whole model of the axial flow fan during the simulation process such as omitted the complicated internal hub structure and take no consideration about the round of actual model the whole flow field of axial flow fan was calculated base on the k model the conservation of energy equation was not used tetrahedral mesh was used in all models the mesh of the blade which has large curvature is smaller as a result of larger variables of the velocity and pressure gradient in this paper a detailed analysis has been done to the numerical simulation results of the model adjustment in fan blades import or export installation angle and adding front or back platform model the results display the flow field distribution and performance curve before and after optimization of the ventilation fan it is summarized that adding front and back platform would minish the velocity and pressure gradient and streamline separation and enhance the stiffness of the blades so that leaves a smaller tremor but the ventilation declined the installation angle adjustment has an impact on the flow field distribution and performance curve and there is an optimal angle making the fan performance best adding a small manufacturing error will affect the performance of products so there is a need to ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ensure the accuracy of product during the manufacturing both the positive and negative impact of modification methods the on the flow field distribution has been discussed in this paper which provided the theoretical foundation to the optimal design of the fan for the next step keywords axial ventilator optimization numerical simulation distribution of flow field iii 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 尽我所知 除文中已经标明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做 出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到 本 声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 随着人们环保意识的提高 建筑通风产品正在逐步体现强势的市场增长需求 2007年建筑通风产品的市场需求价值达到了180亿元人民币 并且今后每年以10 的速 度增长 有关数据也显示 人们对室内环境保护的认知度已由1999年的29 5 上升到 现在的81 5 而目前市面上的通风产品普遍具有效率偏低 噪音高的问题 严重影 响着人们的生产 生活环境 轴流换气扇作为一种重要的通风产品在日常生活中得到 了广泛的应用 且换气扇往往是日夜持续工作 所以对环境的影响显得尤为突出 目 前还没有完善的换气扇设计体系能够保证换气扇的性能达到最优 且其性能受到翼 型 安装角 外径 风道形状等多方面因素的影响 因此需要更进一步的研究分析这 些因素的对换气扇气流组织的影响 包括速度场 压力场及性能曲线等 1 1 研究目的和意义 1 1 1 研究目的 换气扇作为一种换气产品在建筑物通风中得到了广泛的应用 我国平均每年新建 住宅 60 亿平方米 按每 50 平方米需要安装一个换气扇计算 每年约需要 1 2 亿个换 气扇 换气扇应用量大面广 夜间也持续工作 其运行产生的噪声严重影响人们的睡眠 无时无刻不影响着人们的生产生活环境 由于换气扇本身性能上的一些尚未解决的技 术弊端导致了换气扇噪声已成为生产 生活中噪声污染的主要来源之一 叶轮是轴流换气扇的主要工作部分 叶轮设计的好坏将直接影响换气扇的性能 若叶片设计合理 叶型参数选择恰当 就可获得较好的流场分布 从而得到较好性能 的换气扇 本文以某型号换气扇为研究对象 采用 k 模型对简化后的轴流换气扇模型及其 改造模型进行数值模拟 针对数值模拟的结果 对换气扇流动图谱进行理论分析 得 到各改造手段对换气扇性能曲线及流场分布的影响及产生这样的影响的可能原因 为 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 今后设计高效低噪的轴流换气扇提供重要参考依据 1 1 2 研究意义 轴流换气扇是一种结构简单 使用方便的风机 它与离心式通风机相比具有大流 量低扬程的特点 被广泛地用于通风换气系统中 轴流换气扇作为一种能改善室内空气品质的通风器具 在建筑通风中得到了广泛 的应用 而轴流换气扇噪声较大的问题对人们工作 生活造成了一定的影响 其较低 的效率也给工业或家庭用电带来了较大的消耗 因此 低噪高效换气扇产品的研究和 开发就显得更为迫切 轴流换气扇的扇叶是轴流换气扇的关键部件 其性能直接影响着轴流换气扇的工 作性能 因此轴流换气扇的设计最主要的就是要设计出满足各项性能要求的高效率扇 叶 传统的轴流换气扇扇叶的研制和开发是设计计算和模型试验的两者反复过程 需 要消耗较大的成本 因此 传统的风机设计方法已不能满足高效 节能和静音的要求 利用 cfd 进行模拟和优化逐步成为了解风机内部流动状况的重要手段 而风机内部 流场的流动状况直接决定了风机的性能 因此弄清风机内部流场对改进和开发高性能 的风机产品有着非常重要的意义 本文通过改造已有风机模型并对改造模型进行模拟计算分析 得到不同附加结构 及叶片安装角对流场及性能的影响 为以后轴流换气扇的优化改造方向奠定一定的理 论经验基础 1 2 国内外研究现状与发展 自从上世纪70年代中国批量生产换气扇开始 换气扇行业经历了三十多年的风 雨 而随着国内经济的发展 人民对生活舒适性需求的提高以及政府政策的推动 换 气扇行业出现了强劲的发展势头 在未来的几十年中 换气扇行业将朝着高效化 小 型化 低噪声的方向发展 轴流换气扇的传统设计方法是设计人员根据用户的要求 通过经验提出设计方 案 并对给出的方案进行分析 计算 然后作出所设计的风机的样机 再进行大量的 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 试验来检验设计样机的性能 并针对试验结果进行相应的修改 再进行试验 最终找 到一个最优的设计方案 在这种设计模式下 要求设计者有丰富的设计经验 花费很 多时间进行计算 设计周期很长 且设计费用较高 随着计算流体力学的发展 传统 设计的反复计算部分可以采用cfd技术来取代 已有研究表明数值模拟分析具有较高 的正确性 1 利用计算流体力学进行数值模拟来了解流体机械内部流动状况既省时也 省花费 通过数值模拟的手段可以充分认识轴流换气扇的内部流场 为改进设计提供 有效的可靠的依据 对于叶轮机械来说 流动损失是由叶型损失 环壁面损失及二次流损失三部分组 成 叶型损失包括叶型附面层内气体的摩擦 附面层的分离损失 高速情况下激波和 附面层干扰引起的损失 尾迹损失 尾迹掺混损失等 环壁面附面层损失包括二次流 动和间隙损失 最为复杂的是二次流损失 包括各种二次流动之间的掺混引起的损失 如通道二次流 通道涡 和间隙流动 间隙涡 掺混引起的损失 2 而轴流通风机噪 声产生的原因不外乎以下三种 空气动力噪声 机械振动噪声 混合噪声 由机械振 动产生的噪声 只要在设计上结构合理 结构联接牢靠 就可以使机械振动产生的噪 声降至最小限度 风机产生的噪声主要来自空气动力噪声 空气动力噪声涉及的因素 很多 主要是结构几何参数和气动参数 3 4 因此 合理地选择结构几何参数和气动参 数是降低风机噪声的有效途径 国内外很多学者都对换气扇性能的优化进行了理论与实验的研究 他们经过理论 分析提出改善换气扇结构的方法 结合数值模拟结果和实验测试数据 提出了性能优 化的具体措施 如 根据长耳鸮翼前缘非光滑形态降噪特性 设计了仿生前缘非光滑 轴流风机叶片 实验研究表明该翼型的模型机在 50 2000 hz的频段上噪音明显降低 5 并已有研究表明机翼型叶片的全压效率 通流能力和做功能力等方面比相应的板 型叶片具有优越性 6 游斌对空调用轴流风轮叶片吸力面设置凹窝和不设置凹窝的的 内流特性进行了三维数值模拟及实验研究了风量噪音特性 发现在叶片吸力面设置凹 窝没有改善风轮的整体流量压力特性 小流量时 风扇吸力面设置凹窝反而增加风机 噪音 大流量时 凹窝对风机的噪音没有影响 7 欧阳华 8 9 李杨 10 等的研究也表明动 叶前弯技术可以较大幅度提高气动效率 降低气动噪声 beiler 11 和 carolus 12 谢军龙 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 等对采用前缘弯掠的风机进行数值模拟 发现该种翼型能使风机具有较好的气动性 能且气动噪音也较低 同时也有学者研究周向前弯叶片 结果表明不论是正弯曲 还 是反弯曲 叶片的弯角愈大 损失系数愈大 效率低 在同样的弯角下 反弯曲比正 弯曲损失大 效率低 14 也有学者采用了piv 技术试验研究风机性能 15 16 刘宝杰 17 18 等指出数字式 piv 技术可以在瞬间记录下整个测量截面内的流动信息 对一小 展弦比高负荷跨音风扇转子尖部的非定常瞬态流场进行了成功测量 测量结果显示了 叶尖泄漏流的瞬态结构和非定常特性 虽然前人的研究都获得了一定的结果 但在换 气扇设计中如何实现噪声控制 效率提高和小型化的完美结合是下一步需要解决的课 题 目前 对噪声的控制主要分为主动控制和被动控制 主动控制从噪声产生的机理 出发 控制噪声的产生 19 被动控制从噪声的传播途径和介质出发 通过设置消声器 和吸声材料等方式吸收声波能量消除噪声 20 前者难度比较大 国内外都已开展了不 少工作 但是技术还不太成熟 而对后者中低频噪声还无法消除 通过对气动噪声源 的研究 采用主动方式控制气动噪声是最根本的途径 因而 现有的研究多是集中于 流道的优化设计方面 换气扇运转时 产生的噪声主要有空气动力性噪声 机械噪声以及两者相互作用 产生的噪声 王嘉冰 黄震伍 21 采用逐步回归分析对大量实验数据进行拟合 从叶轮 结构参数及性能参数方面得出了影响柜式空调器中多翼离心风机噪声的因素有 流量 系数 压力系数 叶片进出口安装角 叶片数 轮毂比 叶轮外圆周速度 并给出了 它们的拟合关系式 杨樱 22 得出在风机的设计中 应尽量减小风机叶片的安装角度 不能过于保守 选择过于安全的叶片安装角度 这样就会无形地增加风机的轴功率 降低风机的效率 对于风机的使用来说是不经济的 沈国民 23 也研究了轴流通风机的 叶片形状和安装角对噪声影响 同时叶片造型的弯掠扭曲程度等对风机性能也产生了 较大的影响 24 25 陈海生 26 研究了轮毂间隙对轴流风机性能和流场的影响 结果表明 轮毂间隙对风机性能的影响很大 轮毂间隙增大使风机全压和静压都有较大幅度的下 降 叶顶间隙 27 及叶顶泄露控制 28 尖端间隙涡 29 是目前研究的热点与难点 李杨 30 31 的研究表明叶顶泄漏涡是低能流体的集聚区和能量的耗散区域 它是造成叶顶流场能 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 量损失的主要根源 且得到叶顶的周向前弯会造成泄漏涡与周围主流剧烈混合 因此 在设计风机时 不能孤立地确定各种结构参数 而需要综合考虑 优化搭配 32 在紊流噪声影响因素中 其中尾迹宽度dk是由旋转速度 叶片尾缘厚度 叶片弦 长 叶片来流速度等决定的 作用在叶片上的非线性脉动力对噪声的影响类似尾迹宽 度 因而 对紊流噪声的影响是其他几个因素综合的结果 33 a maaloum 34 对轴流风机 给予叶片表面非定常压力场进行了气动声学性能分析 模型中采用二维非黏性流体 在不考虑噪声音调的情况下 得出离散频率噪声的预估只与叶片和内部流动的相互作 用有关 thomas carolus 35 在对轴流风机宽带噪声预测的研究中 比较了低压轴流风 机在噪声预估中常采用的模型大涡模型les和半经验预测模型sem 对同一台风机的 噪声模拟中的优缺点 les相对来说耗费较多 但在叶片压力不连续时与实际符合较 好 sem中不能得到风机几何外型以及流量图 但在声压级上能与实验值符合较好 也有研究表明室外机轴流风机噪音的产生机与预测方法中叶片出气边间距是一个重 要参数 36 此外 hyungki shin 37 等提出在低噪声轴流风机种采用新型自由尾迹模型 考 虑到叶片之间的相互扰动 在常规模型中很少用到 分析风机流场 叶片表面压力脉 动与导叶在互动旋涡作用 该模型能实现低噪声叶片平面优化 结合rsm方法能实现 风机系统的优化设计 同时有学者针对轴流风机的失效断裂研究找到了叶片断裂的原 因是材料存在缺陷 异型设计存在缺陷 发现采取改变叶片材料及增加叶片根部厚度 避开共振的改进措施能有效避免断裂 38 而在数值模拟的研究中 也存在种种影响因 素 例如边界层条件的选取 wan ho jeon 39 提出了在lowson模型中应考虑风机壳体 的噪声散射和衍射现象 提出了kirchhoff helmholtz边界层 网格的划分方法也各有 千秋 andrea toffolo 40 在分析风机的设计参数和实际性能之间的理论联系时 采用 了动网格 使得数值模拟计算得更加精确 1 3 本文主要工作 本文以改造某六叶轴流换气扇为五叶高效低噪换气扇为目的 选择市面上较佳的 五叶模型为基础模型进行前后缘添加凸台的改造及进出口角的调整 共获得 8 个改造 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 模型 采用 k 模型对简化后的五叶轴流换气扇模型及其改造模型进行数值模拟 针 对数值模拟的结果 对换气扇流动图谱进行理论分析 本文的主要工作包括以下几个方面 1 以流体动力学为理论基础建立 5 叶及 6 叶轴流换气扇相应的数学模型与简 化后的物理模型 2 对上述两个轴流换气扇进行整机流体域的数值模拟 研究其大流量与小流 量时的压力面 吸力面速度场分布 压力场分布和性能曲线 3 针对以上分析结果提出多个优化改造方案 并对这些方案进行数值模拟 4 对比改造前后的模拟结果 得出这些改造手段对轴流换气扇内部流场分布 及性能曲线的影响 并分析产生这些影响的可能原因 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 轴流换气扇整机数值模拟 2 1 概述 本章对两个已有轴流换气扇进行数值模拟分析 其中包括一个六叶模型及一个五 叶模型 模型一的六叶模型是某厂依然在生产的较老的早期产品 本文的目的便是对 它进行改进 使之性能得到较大的提高 从而取代老产品进行大批量生产 而六叶模 型在新一代的轴流换气扇中以极少采用 目前使用较多的是五叶模型 不仅能够节省 大量的材料成本 性能也有所改善 模型二是目前市面上性能较优的五叶模型之一 本文的工作便是对它进行改造 并对改造前后的模型进行数值模拟 分析改造手段带 来的影响 为设计出六叶模型的取代产品做好前期工作 基础模型一为某六叶轴流换气扇 叶轮外径 236mm 轮毂直径 95mm 轮毂厚度 为 49 8mm 以叶轮中心点作为坐标轴原点 并选择气流来流方向为 z 方向 建立风 机模型简化图如图 2 1 所示 计算流域模型如图 2 2 所示 其中进口直径为 254mm 出口直径为 216 8mm 呈喇叭状 图 2 1 六叶模型图 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2 2 六叶模型及其流道图 基础模型二为某五叶轴流换气扇 叶轮外径 200mm 轮毂直径 95mm 轮毂厚度 为 44 5mm 以叶轮中心点作为坐标轴原点 并选择气流来流方向为 z 方向 建立风 机模型简化图如图 2 3 所示 叶片在坐标轴上的投影长度分别为 z 61 6 mm 包括叶 片厚度 x 102 4 mm 计算流域模型如图 2 4 所示 其中进口直径为 270mm 出 口直径为 210mm 呈喇叭状 换气扇通电运行时产生抽气作用 气流由较大面积的进 风口进入 然后从较小面积的出风口排出 图 2 3 五叶基础模型图 图 2 4 五叶基础模型及其流域图 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 2 模拟使用的软件 在进行模拟计算之前 需要先将实物模型绘制为三维实体图并生成计算域 划分 网格 轴流换气扇结构虽然简单 但其主体部分叶片是不规则曲面 为此 在网格划 分前 还需选用三维建模软件proe来对它进行建模 导出文件可为 stp 或 igs 等多种格式 选择gambit作为网格划分软件 41 上述两种文件格式可导入gambit 中进行生成计算域及网格划分等处理 由于换气扇模型叶片的不规则性 采用三维四 面体网格 建立好模型并划分好网格后再进行模拟计算 模拟计算时采用fluent软件 fluent软件是gambit的后处理软件 它是基于有限元方法的一个功能强大的通用 流体分析软件 42 fluent软件能推出多种优化的物理模型 如定常和非定常流动 层流 湍流 不可压和可压缩流动 传热等等 42 对于换气扇模型采用的便是定常湍 流不可压流动 为了取得fluent的计算结果 如压力场 速度场分布及性能曲线等 可使用其 自带的数据图形输出功能 也可采用tecplot软件来进行图形的美化加工 tecplot后处 理软件 43 可以直接读入 cas 和 dat 文件来绘制数据图 另外对于每个模型多个计算点的数据整理还需用到数据曲线绘制软件 origin 该工具软件具有很强的曲线绘制能力 且使用方便 2 3 流体域的生成及网格划分 利用数值方法求解控制方程时 都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散 然后求解得到的离散方程 44 一般使用网格在空间域上离散控制方程 而网格划分的 质量对计算速度 精度及收敛性都有很大影响 对于该论文中的结构较复杂的换气扇 模型 网格划分的质量对计算结果精度有较大的影响 2 3 1 流体域的生成 在本课题中 经过三维建模软件建立的模型并不是计算所需的流体域 而是实物 模型 所以需对之前所建模型进行一些处理 使其成为计算所需的流体域 针对本课 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 题中的轴流换气扇模型 导流罩内除掉轴流换气扇的部分便是计算所需的流体域 流 体域的生成可使用gambit中的布尔运算来实现 用导流罩的体减去轴流换气扇的体 便可得到流体通过的流域 2 3 2 模型网格划分 轴流换气扇模型确定以后 需要进行网格划分 网格质量一般由网格种类与网格 数量决定 实体网格种类有六面体和四面体 使用skewness 网格扭曲度 来评价网格 质量时 hex 六面体 方法生成的网格质量最好 但是其使用有较严格的实体外型限制 44 tet 四面体 方法的网格质量较差 但使用灵活 限制少 能很方便地对复杂外型 的实体进行网格划分 44 从网格的构造来说 可以分为结构化 块结构化及非结构化三种 44 轴流换气扇 模型由于求解区域的复杂性 划分的网格不可能全为结构化网格 因此采用非结构化 网格 由于轴流换气扇模型的叶片结构的不规则性 全部采用四面体网格 且考虑到叶 片弧度较大的问题 在叶片上的网格需要加密 加密后的效果可参见图 2 4 所有的 网格扭曲度根据要求控制在 0 97 以下 且大于 0 85 的均不应超过 1 一般情况下 相同网格类型时 网格数量越大 就能得到越精确越详细的计算结果 而由于计算机 硬件条件的限制 模型网格数量需要控制在一定范围内 针对该课题实际情况 总网 格数控制在 200 万以内 2 4 边界条件设置 1 以进风口作为计算入口边界 进风口 速度进口 送风速度分别根据实际风机 试验流量 570m3 h 510 m3 h 440 m3 h 361 m3 h 255 m3 h这五个试验点换算得到 具体数值如表 2 1 所示 模型分别依照这五个速度分别进行 5 次模拟计算 进口送风 为标准大气压下的空气 温度为 20 空气密度为 1 2kg m3 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 2 1 入口速度表 zone name 流量点 1 m s 流量点 2 m s 流量点 3 m s 流量点 4 m s 流量点 5 m s 6f 3 13 2 8 2 417 1 984 1 4 original 2 752 2 462 2 1255 1 744 1 232 另外 为了得到模型的最大流量 每个模型均加算一个压力入口为 0pa 的计算 2 以出风口作为计算出口边界 出风口 压力出口 出风口处的压力根据外界的 情况由系统自动定义 3 叶片旋转流域的设置 运动类型设置为动坐标系 旋转方向根据实际情况设置为逆时针旋转 转速设置为 1224rpm 4 叶片设置为 moving wall 2 5 三维流动的控制方程 轴流换气扇模拟采用k 三维紊流模型方程 为了简化问题 作如下假设 省略 轮毂内部的复杂结构 未考虑实际模型的倒圆角 气流流动满足理想气体状态方程 由于基础模型及其改造模型均不考虑其传热问题及温度场分布 所以在模拟过程中不 使用能量守恒方程 收敛条件 各流动项残差 10 3 整机模拟的数学模型可由连续 性方程 动量方程以及k 方程描述 2 5 1 连续性方程 任何流动问题都必须满足连续性方程 对固定在空间位置的微元体 连续性方程 可表示为 单位时间内微元体中流体质量的增加 等于同一时间间隔内流入该微元体 的净质量 45 据此 可以得出以下的连续性方程 45 又称质量守恒方程 mass conservation equation 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 0 uvw txyz 2 1 式 2 1 引入矢量符号 y xz a aa div a xyz 并考虑到本文中的流体介质为空气 假设为不可压缩的状态 对于不可压缩流体其流体密度为常数 连续性方程简化为 45 0div u 2 2 2 5 2 动量方程 动量守恒定律反映了流体流动过程中的动量守恒性质 是任何流动系统都必须满 足的基本定律 该定律实际上是牛顿第二定律 流体流动中的表现形式为微元体中流 体的动量对时间的变化率等于外界作用在微元体上各种力之和 45 式 2 3 至 2 5 为粘 性为常数的不可压缩流体的navier stokes方程 46 1 grad u div uudiv vu tx p 2 3 1 grad v div vudiv vv ty p 2 4 1 grad wp div wudiv vw tz 2 5 2 5 3 方程 湍流是自然界非常普遍的流动类型 湍流的特征是运动过程中液体质点具有不断 的互相混掺的现象 速度 压力等物理量是在空间和时间上具有随机性质的脉动值 本文所研究的模型的内流均为湍流流动 47 48 以下两个方程叫雷诺时均n s方程 46 求解变量用时均值代替 0 i i u tx 2 6 2 3 j iil ijij ijjili u duuu uu dtxxxxxx u 2 7 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 6 计算结果 6叶模型和5叶基础模型分别按照表2 1所示的进风口送风速度设置 各模型分别依 照这五个速度各进行5次模拟计算 风机的主要性能参数是风机的流量 压力 功率 效率和转速 下面主要介绍一下本课题中所关心的轴流换气扇的相关性能参数 2 6 1 静压流量 由于5叶换气扇在上述速度第1点和6叶换气扇的1 2 3点的静压已大大的低 于0 所以将这些点对应的数据省略时 可绘制静压流量性能曲线如图2 5所示 其 中6叶的第三个点的数据来自于0压入口设置时的结果所得流量换算为入口速度后的 模拟数据 250300350400450500550600 20 15 10 5 0 5 10 15 ps pa q m3 h original 6f 图2 5 基础模型静压流量图 注 original 五叶基础模型 6f 六叶模型 气体的静压是气体在平直流道中流动时 流道某一截面上垂直于壁面的气体压 力 而风机的静压指的是风机的动压与风机的全压之差 2 风机的流量一般是指单位 时间内流过风机流道某一截面的气体容积 也称风机的送风量 2 静压流量图反映了 风机静压随着流量变化而变化的趋势 因此由上图可以看出随着流量的增大 静压首 先达到一个峰值后开始下降 直至小于0 当静压为零时 便得到该轴流换气扇的最 大流量 由图可得到五叶轴流换气扇的最大流量为490m3 h 六叶风机的最大流量为 381 5m3 h 两者相差了整整108 5 m3 h 由此可见该六叶模型与五叶模型在最大流量 上就有很大的差距 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 6 2 全压流量 根据轴流换气扇5个不同流量点的模拟结果绘制的全压流量性能曲线如图2 6所 示 250300350400450500550600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 pt pa q m3 h original front adjust 图 2 6 基础模型全压流量图 注 original 五叶基础模型 6f 六叶模型 气体的全压是同一截面上气体的静压和动压之和 风机的全压是指风机出口截面 上气体的全压与进口截面气体的全压之差 2 全压流量图反映了风机全压随着流量变 化而变化的趋势 而同一流量 转速下轴流换气扇的全压大小往往反映的是这个轴流 换气扇的通风能力的好坏 由上图可以看出五叶模型 六叶模型的全压随着流量的增 大先达到一个峰值后开始下降 六叶模型多个计算点的全压均比五叶模型小10pa以 上 因此 六叶模型的通风能力较差 2 6 3 压力场 速度场分布 六叶模型经过之前的建模及模拟计算 采用后处理软件tecplot对设置进口全压 为0 出口静压为0时的模型运算结果如图2 7 2 8 2 11至图2 13所示 2 9 2 10 为第4点的小流量时的模拟结果 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2 7 压力面压力分布图 单位 pa 图 2 8 吸力面压力分布图 单位 pa 图 2 9 小流量压力面压力分布图 单位 pa 图 2 10 小流量吸力面压力分布图 单位 pa 图 2 11 x 0 截面速度矢量图 图 2 12 x 0 截面速度矢量图局部放大 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2 13 x 0 截面 z 方向速度分布图 如图2 7与图2 8所示为轴流换气扇叶片压力面 吸力面的压力分布云图 由图 可以清晰地看出压力面叶顶的压力较大 在翼面中部压力减小 到叶根和前缘部分 压出现负值 而叶片尾缘部分压力升高 这是因为叶尖 前缘与叶顶交合处 气流受 到翼面的阻扰 随着流动方向速度降低 故压力增高 而流至后缘时 气流的分离在 后缘产生分离涡 导致速度损失 压力增加 如图2 9与图2 10所示为轴流换气扇小流量时的叶片压力面 吸力面的压力分布 云图 由图可以清晰地看出小流量时压力面叶顶存在环形压力区 吸力面压力明显下 降 压力分布较为紊乱 如图2 11至图2 12所示为x 0截面 即轴截面 的速度矢量图及其局部放大图 由图可看出气流由面积较大的入口流经叶片再从面积较小的出口排出 在轮毂后方的 背压区有较多的回流 且在叶片与导流罩之间入口处有大量的回流 这个回流将对流 场产生极其恶劣的影响 如图2 13所示为x 0截面z方向 即轴向 速度分布图 由图可看出流体自叶 轮叶顶外侧流向叶轮吸力面 一部分流体形成回流 一部分流体速度降低后从出口排 出 五叶模型经过之前的建模及模拟计算 可得到轴流换气扇设置进口全压为0 出 口静压为0时的模型运算结果如图2 14 2 15 2 18至图2 20所示 2 16 2 17为第 4点的小流量时的模拟结果 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2 14 压力面压力分布图 单位 pa 图 2 15 吸力面压力分布图 单位 pa 图 2 16 小流量压力面压力分布图 单位 pa 图 2 17 小流量吸力面压力分布图 单位 pa 图 2 18 x 0 截面速度矢量图 图 2 19 x 0 截面速度矢量图局部放大 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2 20 x 0 截面 z 方向速度分布图 如图2 14与图2 15所示为轴流换气扇叶片压力面 吸力面的压力分布云图 由 图可以清晰地看出叶片表面压力梯度变化的趋势 并可得到叶片前缘部分存在一个较 大的压力梯度 吸力面 压力面的静压均呈现一个叶根到叶顶增大的趋势 而在压力 面的叶顶处存在一个高静压区 圆形包围的压力区域 说明在压力面的叶顶处存在 一个气流滞留区 气流在叶片压力面将容易产生分离 如图2 16与图2 17所示为轴流换气扇小流量时叶片压力面 吸力面的压力分布 云图 由图可以清晰地看出叶片压力面气流滞留区压力明显增大 且吸力面叶顶的负 压区面积更大 压力更低 且与6叶基础模型的小流量压力分布相比 该模型的吸力 面与压力面的压差要大得多 因此 该模型应具有更好的通风能力 如图2 18至图2 19所示为x 0截面 即轴截面 的速度矢量图及其局部放大图 由图可看出气流由面积较大的入口流经叶片再从面积较小的出口排出 在轮毂后方的 背压区有少量回流 该流线分布比六叶模型明显要好 如图2 20所示为x 0截面z方向 即轴向 速度分布图 由图可看出流体自叶 轮叶顶外侧流向叶轮吸力面 吸力面与压力面的速度梯度表明 气流被压力面挤向吸 力面沿径向流出 2 6 4 轴功率 风机的功率可分为风机的有效功率 轴功率和内部功率 有效功率是指风机所输 送的气体在单位时间内从风机所获得的有效能量 轴功率是指单位时间内原动机传递 给风机轴上的能量 内部功率为风机的有效功率与风机内部的流动损失功率之和 也 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 为风机的轴功率与外部机械损失所耗功率之差 2 针对本课题的实际情况 采用轴功率来判断风机的性能优劣 六叶基础模型与五叶基础模型在进口全压为0 出口静压为0时的轴功率的对比 表格如表2 2所示 从表中可以看出 同一转速下 六叶模型的轴功率是五叶的1 5 倍 而由上几节的分析可知该转速下六叶模型的流量远不如五叶模型 因此 可得出 五叶模型要远远优于六叶模型 表 2 2 轴功率表 zone name blade wall n m p face n m s face n m z 力矩和 n m 转速 rad s 轴功率 w 6f 0 0446927 0 00421020 00421020 0531856128 2 6 8172 original 0 0287928 0 00142740 005116900 0354262128 2 4 5408 2 7 本章小结 本章主要结合fluent软件对原始的五叶 六叶轴流换气扇模型进行了数值模拟 计算 并对采用的物理模型 数学模型作了说明 同时对模拟计算过程的控制方程 湍流模型等进行了简单介绍 并运用后处理软件得到了两个模型整机流体域的压力场 分布 速度场分布 并通过多流量点计算得到了静压流量图和全压流量图 最后分析 对比了两模型的模拟结果得出了五叶轴流换气扇模型在各项性能指标上都要优于六 叶模型 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 翼型前后缘改造模拟 3 1 概述 轴流换气扇的噪音及功率问题 都受到风机的前后缘翼型及叶片厚度的影响 本 章通分析轴流换气扇五叶基础模型模拟结果提出了相应的优化改造模型 并采用与基 础模型相同的模拟方法得到改造模型的数值模拟结果 结合tecplot软件对结果进行 进一步可视化处理 通过对比分析改造前后的模拟结果 包括速度场 压力场分布等 得到相应改造手段对轴流换气扇性能的影响 3 2 前缘改造模拟 从基础模型的模拟结果可以看出轴流换气扇的前缘处存在一个较大的压力梯度 这个压力梯度的存在将会导致流场的恶化 为了缓解这个较大的梯度 提出了如下两 个改造模型 通过数值模拟计算并对比分析其结果 得出流场性能的变化 3 2 1 前缘改造方案 为了解决前缘压力梯度大的问题 提出了如下两个改造模型 如图3 1所示为改 造方案 模型图 所作的改造手段是在前缘加了一个沿前缘型线的半圆柱形凸台 直 径为2mm 凸台从叶根处沿伸到径向80mm处 图 3 1 方案模型图 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 如图3 2所示为改造方案 模型图 所作的改造手段是把方案1的5叶减为了3 叶 然后均匀分布在轮毂外周上 该种模型的目的是为了检验在减少材料成本的情况 下 该种翼型的性能将如何变化 图 3 2 方案模型图 3 2 2 前缘改造模拟结果 针对修改模型 采用5叶基础模型的建模及模拟计算方法得到数值计算结果 最后可得到轴流换气扇进口全压为0 出口静压为0时的模型运算结果如图3 3 3 4 3 7至图3 9所示 3 5 3 6为第4点的小流量时的模拟结果 图 3 3 压力面压力分布图 单位 pa 图 3 4 吸力面压力分布图 单位 pa 21 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 3 5 小流量压力面压力分布图 单位 pa 图 3 6 小流量吸力面压力分布图 单位 pa 图 3 7 x 0 截面速度矢量图 图 3 8 x 0 截面速度矢量图局部放大 图 3 9 x 0 截面 z 方向速度分布图 如图3 3至图3 4所示为轴流换气扇叶片压力面 吸力面的压力分布云图 将这 两图与基础模型的压力分布图 即图2 14与图2 15 比较 可看出改造后轴流换气 扇压力面的叶顶处存在一个高静压区 且该压力面在叶顶处存在的气流滞留区的压力 22 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 比改造前明显更高 气流在叶片压力面将更容易产生分离 但可以清晰地看出叶片前 缘表面压力梯度变小 流场压力分布更加均匀 且吸力面叶顶处低负压区面积更大 具有更好的通风能力 且压力面的压力分布更趋近于最佳的c型分布 如图3 5至图3 6所示为轴流换气扇小流量时叶片压力面 吸力面的压力分布云 图 将这两图与图3 3 图3 4分别比较 可看出小流量时压力面叶顶气流滞留区压 力更大 分流损失更大 吸力面压力分布无较明显变化 如图3 7至图3 8所示为x 0截面 即轴截面 的速度矢量图及其局部放大图 将这两图与基础模型的速度矢量图 即图2 18与图2 19 比较 可看出气流由面积 较大的入口流经叶片再从面积较小的出口排出 在轮毂后方的背压区有少量回流 叶 尖与导流罩间隙处回流较少 整体流动状况与5叶基础模型基本一致 如图3 9所示为x 0截面z方向 即轴向 速度分布图 可看出流体自叶轮叶顶 外侧流向叶轮吸力面 气流被压力面挤向吸力面沿径向流出 将该图与基础模型的压 力分布图 即图2 20 比较 可看出改造后出口速度部分区域要大于原始五叶模型 针对修改模型 采用5叶基础模型的建模及模拟计算方法得到数值计算结果 最后可得到轴流换气扇进口全压为0 出口静压为0时的模型运算结果如图3 10 3 11 3 14至图3 16所示 3 12 3 13为第4点的小流