畢業設計_貫流風機的數值模擬(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 解區域組成靜態網格區，其網格單元為 10424 個；第二個求解區域為動態網格區，其網格單元為 16168 個。所生成的網格見圖 32。網格是應用 GAMBIT 軟件生成的。由網格圖可以看到，在模型的入口 和出口處的網格比較稀疏，接近風機葉輪時網格開始加密，在葉片與葉片之間的流道內網格是最密的。網格由疏到密的過渡基本平滑，沒有明顯的跳躍。 學士學位論文 目錄 圖 32 計算網格的劃分 學士學位論文 目錄 圖 33 風機周圍局部網格放大 學士學位論文 目錄 圖 34 葉片附近網格細節的放大 167。 求解方法與過程 本次數值計算應用的是 計算流體力學軟件，進行 2DSIMPLE方法求解，采用 ??k 湍流模型。計算時，解的初始條件和邊界條件 基本上是都是參考實際的工作條件和測試條件給定的。但為了使數值計算的結果能與實驗值相符合，設置邊界條件和初始條件時，在允許的范圍內作了部分的修正。初始條件與邊界條件的具體設置為：取進口和出口的邊界類型都為壓力條件的邊界類型，采用一階穩定分離計算，取空氣的密度為： 3mkg ，進口和出口處都取 水力直徑： ；湍流密度： 5%；靜壓都為： 1atm；給進口處一點動壓： pa4101 ?? ；出口動壓為： ；轉速為： rpm900 。計算的收斂條件為：連續性： 310? ； X、 Y 方向速度： 310? ； k： 310? ； epsilon： 310? 。 第四章 計算結果與分析 按照第三章中所給的初始條件及邊界條件，迭代 2838 步，結果收斂。其各個參數的圖像表示見以下各圖。 167。 壓力場的結果與分析 在流場壓力的等值線圖像之中，紅色代表高壓區，藍 色代表低壓區（見圖41）。 由等壓力線圖可發現，在靠近蝸舌偏右下方處有一個很明顯的低壓中心，這說明在此處有回流，回流和入流的分離處是高壓，回流所卷成的渦就形成了低壓，氣體的回流在速度矢量圖上將會很清楚地看到。入氣端遠離蝸舌側的邊界和葉輪交界處有一個高壓中心。由于高壓中心的存在，將導致氣流在此高壓中心的后側（來流方向）產生回流，使得由此處進入風機葉輪的流量將非常少。學士學位論文 目錄 這種情況和實驗的結果完全符合，在速度矢量圖上也有很清楚的表現。 圖 41 貫流風機流場等壓力線圖 圖 42 為局部放大的等壓力線圖，在進風口靠近蝸舌的地方，葉片左側的壓力大于右側的壓力，根據風機旋轉的方向（逆時針旋轉），可以推出此處的葉片對氣流做的是正功。 對于遠離蝸舌的一側，其葉片兩側的壓力基本相當，從壓力角度來分析做功的情況，此處是風機的做功無效區。這一點也可以通過后面的速度矢量圖看出來。 學士學位論文 目錄 圖 42 局部放大的等壓力線圖 167。 流場的結果與分析 圖 4圖 44 為數值計算的速度矢量圖。 由以下兩個圖可發現，在靠近蝸舌的一側，有一個渦，在此處產生了回流 。而在入氣端遠離蝸舌的地方，也產生了回流，迫使氣流涌向蝸舌處，使得氣流在靠近蝸舌處的流量為最大。在遠離蝸舌一側的上游部分，幾乎沒有氣流流進風機葉輪。出現了這種情況，正好與對壓力場的分析相一致。即在遠離蝸舌的地方是做功無效區，無氣流流入；而在靠近蝸舌的地方，風機做正功，氣流主要由此處流入風機葉輪。不僅如此，由于靠近蝸舌處存在旋渦，氣流在靠近蝸舌處進入風機葉輪時又做了一個旋轉運動，使得氣流進入葉片的方向性變得很差，加大了與葉片之間的攻角，又進一步導致了能量的損失。 由于所形成的低壓中心，并不在蝸舌與風機葉輪中心 的連線上，偏向于出氣口的方向，導致在蝸舌附近形成了很強的壓力梯度。因此，當氣流流過蝸舌后，并不是直接都流向出口，而是有很大一部分要形成回流，與蝸舌上游的氣學士學位論文 目錄 流相混合，進入風機葉輪。 圖 43 貫流風機流場的速度矢量圖 學士學位論文 目錄 圖 44 局部放大的速度矢量圖 圖 45 為其他人對貫流風機流場的計算結果。 圖 451 流場的等壓力線圖 學士學位論文 目錄 圖 452 流場的速度矢量圖 本文計算的結果與圖 45 相比較，結果是一致的。葉輪出口處，靠近蝸舌的部分都形成了一個低壓中心，形成回流區。渦心的位置看上去 有一些差別，這是由于蝸殼的形狀不同造成的。在葉輪入口處，遠離蝸舌的地方也都有產生了回流，只是本文所計算結果所顯示的此處回流區的渦不如圖 45 顯示的那么明顯。 此次計算的結果與實驗結果也是完全符合的（如圖 46）。靠近蝸舌處流量很大；遠離蝸舌處，由于背側回流，葉輪內部無煙跡，表明氣流無法進入。 圖 461 出煙口放在靠近蝸舌處 圖 462 出煙口放在遠離蝸舌處 學士學位論文 目錄 167。 流量的分析 風機的兩個性能參數是：流量系數（ ?Q ）、全壓系數 （ ?tP ），它們的定義見式 （ 26） 和（ 21）。 工程經驗是：在 0??Q 處附近， ?tP 隨 ?Q 的增大稍有下降，在 ~??Q 的范圍內， ?tP 隨 ?Q 的增加線性增加，當 ??Q 時， ?tP 迅速下跌。 通過本次的數值計算，其流量可以直接由 FLUENT 讀出，比較方便。在當前所設的初始條件和邊界條件下，貫流風機的流量為： （即 ）。此流量值符合實際情況。 167。 小結 貫流風機的數值模擬計算，對于空調工業的發展是十分重要的。利用數值計算所計算出來的流場的結果，可以為風機葉輪葉片及流道的形狀設計提供新的方案，充分適應流場，來減少貫流風機在工作時產生的噪聲。噪聲問題也同樣是貫流風機的發展所遇到的非常 棘手的問題，如能充分利用對貫流風機流場的精確模擬來減少噪聲，將是非常有前途的。充分利用數值計算，還可以減少對貫流風機進行技術改進的成本，有利于我國空調工業的發展，增強我國空調工業在國際市場上的競爭能力。 第五章 雙葉輪風機的數值計算與結果分析 167。 工業背景 隨著空調工業的發展，廣大的空調用戶已經不再滿足于，目前普通的家用壁掛式空調單向送風的現狀。而是希望空調能按自己的意愿采用上下雙重送風冷卻，或是選擇其中的一種情況。這也為降溫提供了一種可以考慮的選擇。 為滿足廣大空調用戶的這種要求，空調廠家采用以 下幾種解決方法： 學士學位論文 目錄 一種是：采用單風機的形式，只是把風機葉輪的每一節作了變動，每隔一節葉輪的葉片方向就做一次翻轉。采用了這樣的葉輪后，當風機沿著一個方向旋轉的時候，其中一部分的葉輪起作用。而當風機沿著反方向旋轉時，剩下的那一部分的葉輪起作用，這樣做節省了原材料和空調機的體積，但其缺點也是不言而喻的，那就是其流量將受到很大的影響。 另一種是：對風機葉輪葉片的形狀作修改，這種方法也同樣是采用單風機的形式。普通風機葉片的形狀見圖（ 51）。只有沿著某一特定的方向旋轉時，此種 圖 51 普通葉型 圖 52 改進的葉片模型 葉片才起作用。而對于改進的葉片形狀 (見圖 52)，風機沿著任意一個方向旋轉，葉片都能起作用。但這種設計也同樣是存在著缺陷的。此種葉片設計形狀，只考慮了氣流流出葉輪時的情況，即沿著任意的旋轉方向，都能保證氣流順利流出。但卻忽略了對于貫流風機來說，葉片的一端既是出口，同時也是入口。此種改進的葉片，當其分叉端旋轉到流道的出口方向時，為出口端。但當其分叉端旋轉到入口方向 時，他又變成了入口端。作為出口端這種設計是可以接受的，但作為入口端，此種設計就不利于進氣，導致了流量的減少。 還有一種方法就是采用雙葉輪風機模型。即在空調的室內機部分，裝有兩個葉輪，其葉片的方向正好相反。對于不同的出氣方向，選用不同的葉輪讓其旋轉，就可以達到上述用戶的要求。此種設計方案的缺點就是需要兩個葉輪，提高了成本。但其流量是不會受到很大的影響的。隨著生產原材料的降價，此種方案還是可以應用的。 下面就是對雙葉輪風機系統的數值計算與結果分析。 學士學位論文 目錄 167。 雙葉輪風機系統的數值計算與結果分析 167。 數值計算 雙葉輪風機系統模型的建立如圖 5 54 所示。仍然采用非結構的三角形網格，建立以轉子、流道和邊界為類型的動、靜和邊界的三層網格。 圖 53 雙葉輪風機系統模型 數值計算，仍然進行 2DSIMPLE 方法求解，采用 ??k 湍流模型。邊界條件如下給出：取空氣密度 mkg 。進口和出口仍然設置為壓力邊界條件，水力直徑： ，湍流密度： %5 。工作環境的壓力為 atm1 。入口動壓為： pa1 ，出口動壓為： pa27 ，葉輪轉速為： rpm1215 。計算的收斂條件為：連續性： 310? ；X、 Y 方向的速度： 310? ； k： 310? ； epsilon： 310? 。迭代了 2078 步， 計算結果收斂了。 學士學位論文 目錄 圖 54 雙葉輪風機模型網格的劃分 學士學位論文 目錄 圖 55 網格的局部放大 167。 計算結果及分析 如圖 56 為雙葉輪風機系統的壓力場。對于每一個風機葉輪附近的壓力場來說，其與單葉輪風機的壓力場基本相同。出口處靠近蝸舌的地方存在一個很明顯的低壓中心，在此處也將產生回流。 圖 56 雙風機系統的等壓力線圖 然而對于左右完全對稱的模型（其 邊界條件也是完全對稱的），其流場卻不是穩定的，偏向某一個方向。在兩個葉輪中間，其等壓力線產生了彎曲和變形，這是引起不穩定的主要區域。在速度矢量圖中，左右葉輪附近的流場基本相同，與單葉輪風機的情況也基本一樣。圖 57 只給出了右輪附近的流場。很明顯能看到和單葉輪風機一樣的回流區，在入口處遠離蝸舌的邊界處也有一個回流區，由于此回流區的存在，阻礙了氣流由此處流進風機葉輪。氣流絕大部分是由靠近蝸舌處一側的葉輪部分流入的。但在兩輪的中間部分產生了非穩定性。如圖學士學位論文 目錄 58 所示，在兩輪中間，靠近右輪的中上部，有一個比較小的速度 渦，使得有一部分氣流由左輪流向右輪，導致了非穩定性。在實驗中，也明顯的發現了非穩定性。在做雙葉輪風機的煙氣實驗中，把發煙器的出口放到兩葉輪之間的中上部，發現煙氣一會偏向左輪，一會偏向右輪，出現周期性的左右擺動。但其流動性比較差，在此處停留的時間較長（見圖 59）。如果把發煙器的出口放到某一葉輪的上方，則其流動與單風機時一樣，穿過葉輪流出（見圖 510）。雖然有非穩定性，但其兩側出口的流量差別還是比較小的。在數值計算中，左側出口的流量為： ，右側出口的流量為： 。 圖 57 右輪附近的速度矢量圖 學士學位論文 目錄 圖 58 兩輪中間部分的速度矢量圖 圖 59 發煙器出口在中間