空调用轴留风机内部流场CFD数值模拟研究.pdf

空调用轴流风机内部流场 CFD 数值模拟研究 收稿日期2010-05-18;修订日期2010-05-20 作者简介潘冬玲 （1070- ） 女， 广西蒙山人， 学士， 讲师， 工程师， 主要研究方向 机械工程与暖通工程。 潘冬玲，刘义军 （ 广西机电职业技术学院，南宁 530007 ） 摘要运用 FLUENT 软件对轴流风机内部三维粘性流场进行了数值模拟， 通过模拟分析得到了内部流动的一些 规律， 为风机的内部结构优化提供了依据和方向。 关键词轴流风机；CFD；数值模拟 中图分类号TD724文献标识码A文章编号1008-8725 （2010 ） 06-0182-03 Research on CFD about the Inside Flow Field Axial-flow Fan in Air-condition PAN Dong-ling, LIU Yi-jun （Guangxi Technological College of Machinery and Electricity, Nianning 530007, China） AbstractNumerical simulation is carried out on axial fan internal 3 -D viscous fluid using FLUENT software. We got some laws about the flow field inside the axial fan by the research of numerical simulation. The results offer important foundation and direction for inner flow optimization. Key wordsaxial fan; CFD; numerical simulation 0引言 地铁车站和隧道区间内通风通常都是用专用的轴流风 机， 这类轴流风机具有流量大、 功率大和压头高等特点， 也是 主要耗能设备， 它的各项性能指标备受人们关注。 风机内部 流场的流动状况直接决定了风机的性能， 因此了解风机内部 流场可以改良和研制高性能的风机产品。 由于传统的风机设 计方法已不能满足高效、 节能和静音的要求， 利用 CFD 进行 模拟和优化对轴流风机的流场进行模拟， 得出指导性和方向 性的结果， 可以帮助选择性能最佳的设计方案， 具有明显的 应用价值和经济效益。 1数学模型的建立 1.1控制方程 根据研究的对象是湍流流体， 具备高 Re 数， 因此， 此次 第 29 卷第 6 期 2010 年6 期 煤炭技术 Coal Technology Vol.29,No.06 June,2010 图 3D-A 模型对两煤在高压区拟合值与实测值比较 ◆中马村煤实测值； ■王家河煤实测值； 模型拟合曲线 图 2L-F 模型对两煤在低压区拟合值与实测值比较 ◆中马村煤实测值； ■王家河煤实测值； 模型拟合曲线 D-A 模型。 （2 ） 各模型在高压区段下模拟预测最大吸附量较为准 确， 应选择高压区段进行试验， 各模型在小压力区间段的拟 合精度比大压力区间要高， 实际试验中应选择小压力区段进 行拟合预测。 （3 ） 煤吸附瓦斯的过程可能是综合作用的结果， 只是在 不同压力区间某种吸附原理起主导作用， 不同的生产条件和 生产目的应选用不同的模型进行拟合预测。 参考文献 [1]张冬丽， 王新海.煤层气解吸机理数值模拟研究[J].天然气工业， 2005， 251 7780. [2]马东民.煤层气吸附解吸机理研究[D].西安， 西安科技大学， 2008． [3]于洪观， 范维唐， 孙茂远， 等.煤中甲烷等温吸附模型的研究[J]. 煤炭学报， 2004， 84 463467. [4]周亚平， 周理.超临界氢在活性炭上的吸附等温线研究[J].物理 化学学报， 1997， 132 119126. [5]崔永君.煤对 CH4、 N2、 CO2及多组分气体吸附的研究[D].西安， 煤 炭科学研究总院西安分院， 2003. （责任编辑徐艳杰 ） ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 模拟选用的数学模型为 k-ε 模型。 所用的方程如下 dk dt ≡ 坠k 坠t v 軃 i 坠k 坠xi 坠 坠xi ckk 2 ε 坠k 坠xi v 坠k 坠xi 軃軃 -vivl 坠vi 坠xi -ε （1 ） 其中 ckk 2 ε 坠k 坠xi v 坠k 坠xi 为湍流动能扩散项； vivl 坠vi 坠xi 为湍流 动能生成项； ε 为湍流动能耗散速率。 ck0.090.11 dvivj dt 坠 坠xi ck P 2 ε 坠vivj 坠xi v 坠vivj 坠xi 軃軃Pij- 2 3 δ ij ε -c 1 ε k vivj 坠vj 坠xm vjvm 軃軃 -c2Pij- 2 3 δijPk 軃軃 其中Pij- vivm 坠v j 坠xm vjvm 坠v i 坠xm 軃軃 Pk-vnvm 坠vn 坠xm PPij c10.090.11c11.52.2c20.40.5（2 ） dε dt 坠 坠xi ck k 2 ε 坠ε 坠xl v 坠ε 坠xl 軃軃 -cε1 ε k vivj 坠vi 坠xj -cε2 ε k cε0.090.11cε11.411.45cε21.91.92 （3 ） 以及 dviT dt 坠 坠xl cT k 2 ε 坠viT 坠xl α 坠viT 坠xl 軃軃 - vlvj 坠T 坠xi vlT 坠vi 坠xl 軃軃 -cT1 ε k viT cT2vmT 坠vj 坠xm 其中 cT0.07cT13.2cT20.5（4 ） 1．2数值模拟计算方法选择 该风机模型包含旋转的动边界和静止不动的静边界， 因 此将整个计算域划分成定子和转子 2 个子区域。 转子区域的 网格在计算时保持静止， 在惯性坐标系中以作用的科氏力和 离心力进行定常计算， 定子区域是在惯性坐标系里进行定常 计算。 文中旋转叶轮和静止泵壳之间的耦合采用了多参考坐 标系模型 （MRF ） 。 采用了 SIMPLE 算法和 k-缀 湍流模型， 非 耦合隐式求解器， 求解三维时均雷诺 N-S 方程。 1．3边界条件设置 边界条件是在求解区域的边界上所求变量或其一阶导 数随地点及时间的变化规律。 操作条件 设工作压力为 1 个大气压， 即所求的压力值 均为相对于大气压的表压力。 气流进口 一般要求给出流体在叶轮进口的速度， 压力， 密度或相应的相容条件， 文中采用质量入流边界条件， 作为 整个流体区域气流的入口， 入流参数随不同的工况变化。 气流出口 取压力出口边界条件， 作为整个流体区域气 流的出口。 定义出口压力相对大气压力为 0， 即没有附加的 压力作用。 风道内壁、 龙骨、 支撑及叶片均取壁面边界条件。 轴流风机的进、 出口气流方向均为轴向， 气流为稳定流， 气体不可压缩。 叶轮和泵壳与流体相接触的所有界面采用了 无滑移固壁条件， 在近壁区采用标准壁面函数。 计算中忽略 重力对流场的影响。 1．4网格划分 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的 大小。 通常， 网格数量增加， 计算精度也增加，计算规模也增 大。 所以要综合权衡这 2 个因素来确定网格数目。 由于风机 的结构胶复杂且属于不规则形状， 结构化网格在控制体内不 宜布上，而非结构化网格在处理复杂结构上有其特殊的优 点， 因此选择非结构化网格。 在划分过程中， 将网格控制在 60 万以内， 并且细化了风机段的网格， 以求保证关键段的计 算精度。 2计算结果分析 在既定的转速下， 风压 P， 效率 η， 与流量 Q 之间的关系 曲线即为轴流风机的特性曲线。 以风机直径 1 m，轮毂比 0.4 的 No.10 型轴流风机为例， 对于每一个工况， 在计算平台为CPUP43.0， 2G 内存， 收敛准则 为 10-3的情况下，大约需要 500 次迭代的计算才能达到收 敛， 计算时间约为 1 h。 图 6 为 1 500 rpm， 风量 13 m3/s 工况时 计算残差收敛曲线，较大的振荡现象在循环 10 次后基本未 出现， 表明求解循环还是相当稳定的， 也说明先前选择的网 格划分和计算思路是正确的。 2.1计算可靠性的检验 由图 1 所示，1 500 rpm， 风量 13 m3/s 的工况， 进口面的 气流速度基本与进口面的叶高方向垂直，气流速度大小均 匀， 方向一致。 越接近筒壁部分， 气流速度则越小。 由图 2 所 示， 经过叶轮作功之后， 在出口截面上的气流出现了较大的 偏转， 气流方向与主流方向偏转了约 90， 向轮毂处压去， 气 流方向在靠近筒壁部分偏斜更大。 由图 3 可看出， 气流速度 方向在叶片吸力面前缘部分不一致， 有较大的偏倾， 其速度 大小与均匀性都不理想。 气流流过叶片前缘后， 速度大小、 方 向以及均匀性逐渐一致。 这表明该叶型在前缘部分也许是前 缘太尖， 也许是不光滑， 造型设计中不够完美， 才出现了这样 的流动现象。 压力面上气流速度向轮毂处倾斜， 速度大小由 轮毂沿叶高方向逐步加大。轮毂面上气流绕翼面平滑地流 过， 分离和旋涡等现象没有出现， 表明该风机根部型面与安 装角设计合理。 （1 ） 全压模拟 图 7、 8 表明， 在最佳工况点附近， 风机全压模拟和实验 值吻合较为理想， 当风量降低时， 则风机处于不稳定工作状 态， 模拟值和实验值差距增大， 但总体趋势还是一致。 图 1进口面流场速度矢量图 潘冬玲， 等 空调用轴流风机内部流场 CFD 数值模拟研究第 6 期 183 图 71 000 rpm， 风量-全压图 图 81 500 rpm， 风量-全压图 图 2出口面流场速度矢量图 图 3吸力面流场速度矢量图 煤炭技术第 29 卷 184 图 91 000 rpm， 风量-效率图 图 10 1 500 rpm， 风量-效率图 （2 ） 效率模拟 图 9， 图 10 表明， 在标准风量处模拟效果最好， 这说明 叶轮的能量性能可以用数值模拟的方式反映出来， 在低风量 工况时， 虽然流场的复杂化程度的加大使得模拟值和实验值 有一定的差距， 但相对误差仍小于 18。 模拟值和实验值总 体趋势还是一致。 误差的存在表明风机在实际运行中数值模 拟还需要改进。 3结论 通过分别改变风机的转向和转速， 对轴流风机的气流场 进行模拟， 看到 FLUENT 可以很好地对不同风量下的流场很 准确描述； 同时通过对计算结果和实验数据的对比， 证明其 模拟结果精度良好， 可靠性较高。 风机内部流场的流动是很复杂的， 各结构参数之间也有 着相互影响， 要考虑的是所有参数对风机的综合影响。 可以 通过 CFD 数值模拟对各主要因素的分析，给轴流风机设计 提供指导和方向， 优化设计方案。 参考文献 [1]田诚,张欢,由世俊,等.利用 FLUENT 软件模拟地铁专用轴流风 机一对称翼叶片轴流风机[J].流体机械， 2003. [2]田彬， 席德科， 徐艳飞.轴流风机内部流场数值研究[J].风机技 术， 2004. [3]段江南， 蔡兆麟.离心通风机内部流场模拟中的几何建模[J].风 机技术， 2001.6 38-42. [4]王军， 金培耕， 吴光辉， 等．空调用轴流风扇系统内流特性分析与 应用[J]．工程热物理学报， 2002， 3. [5]刘松， 吴树福， 张立祥.基于 CFD 轴流通风机三维建模及内部流 场的探讨[J].风机技术 2009. （责任编辑徐艳杰 ） 图 4压力面流场速度矢量图 图 5 轮毂面流场速度矢量图 图 6计算残差收敛曲线