毕业设计（论文）-贯流风机的数值模拟.doc

学士学位论文 目录中国科学技术大学本科毕业论文本科生姓名 指导教师姓名 专 业 工程热物理 学 制 五 年 学 号 论 文 题 目 贯流风机的数值模拟 二零零二年 六月2002年5月20日 摘 要 贯流风机以其流量大，低噪声，送风平稳等优良特性在空调设备和小型送风设备中广为应用。本文针对家用壁挂式空调器室内机部分，采用贯流风机进行送风的特点，运用fluent软件，对2d贯流风机流场模型进行了较成功的数值模拟计算。并与实验和他人的计算结果进行了比较，与实验结果吻合。同时，对双叶轮风机的流场模型进行了数值计算，并与实验数据进行了比较。对比发现，计算结果与实验结果相吻合。本文试图通过数值模拟的方法，为贯流风机的设计提供新的方法。关键词：贯流风机、数值模拟、非结构网格、压力场、速度场。 abstractsince its well compact design and low noise characteristics, cross-flow fan are increasingly used in rear cooling units of minivans. in this thesis, for using the cross-flow fan to send air in the family hanging air conditioner, we use the fluent software to simulate the flow-field of 2d cross-flow fan. and the numerical simulation work was successfully done. compared with the result of experiment and of others, this result of numerical simulation is according with the experiment.at the same time, we simulated the flow-field of the double-fan model, and compared with the result of experiment. we found that the result of simulation is according with experiment.in this thesis, we want to supply a new method for the design of cross-flow fan, using the numerical simulation.keyword: cross-flow fan, numerical simulation, unstructured grid, pressure field, velocity field.目 录 致谢 摘要第一章 绪论 1 1.1 问题背景 1 1.2 数值计算方法 2 1.3 本文的主要工作 3第二章 贯流风机的工作原理 4 2.1 风机的概述 4 2.2 贯流式风机的工作原理 5 2.3 贯流式风机叶轮内的流动分析 9 第三章 数值计算 11 3.1 模型的建立及网格的划分 11 3.1.1 结构的简化和求解区域的划分 11 3.1.2 求解区域网格的划分 12 3.2 求解方法与过程 14第四章 计算结果与分析 15 4.1 压力场的结果与分析 15 4.2 流场的结果与分析 16 4.3 流量的分析 19 4.4 小结 19第五章 双风机的数值计算与结果分析 20 5.1 工业背景 20 5.2 双风机系统的数值计算与结果分析 21 5.2.1 数值计算 21 5.2.2 计算结果及分析 23 5.3 小结 27第六章 经验与总结 28参考文献 30 第一章 绪 论1.1 问题背景贯流风机是一类特殊的通风机械，与离心式风机、轴流式风机相比较，贯流风机具有结构简单、体积小、产生的气流平稳、动压系数较高而作用距离较长及噪声低等特点，近来被广泛应用于家用电器和空调设备等低压通风换气的场合，特别是在分体式空调的室内机中。然而由于贯流风机的特殊结构，加上其流动的非对称性与复杂性，使得对其性能的影响因素不甚明了，至今没有公认的设计理论。目前，国内的很多空调厂家都直接引进国外成熟的技术，进行copy，独立开发的新产品很少，即使凭经验采用实验手段进行开发尝试，也会因为模具成本过高、开发周期过长而造成了巨大的浪费，显然不能满足国内空调市场对其性能提出的要求，更阻碍了国内空调厂家参与国际竞争。因此，对贯流风机的流场从理论上进行分析，搞清其性能的影响因素已成为迫切需要。近年来，围绕着贯流风机的研究，日本发展的相对较多。村田 暹1等人曾进行实验研究，在流场中取几百个点进行多次测量，此项工作大约耗了几千个工作人时，但其结果却不甚理想，得到的只是局部平均和统计意义上的流场信息，缺少对细致和瞬态流场结构的认识，难以有较强的说服力。在数值分析方面有赤池 茂2等人所做的工作，采用结构网格，通过映射对圆形求解域进行计算，计算结果尚可。受我国空调工业现状的的限制，近几年，国内在这一问题上开展的工作较少，且大多是进行工程化的、应用层的半定量的测量与分析，而不是理论上的研究。华中理工大学的游斌、区颖达4采用工程分析方法，在大量测量数据的基础上，方差分析得出各参数对性能的影响。上海交通大学制冷研究所的顾健明、陆明琦3在空调用贯流风机设计中的几个问题文中，用较简单的进出口速度三角形分析，对各参数的选择给出了半定量的确定方法。不过由于贯流风机与轴流风机或离心风机不同，气流流经叶轮时总有一部分处于大攻角流动状态，后缘损失严重，故速度三角形分析给出的结果误差较大，采用一些工程修正可望得以改善。这些研究仅关注进出口的流动状态，未能对内部流场进行分析，因此对总体流动情况缺乏完整的刻画。各大风机叶轮生产厂家，采用纯工程的手段也对其进行了不少的分析，研究，积累了大量的数据和经验。例如，安徽省天长市的天大集团属下的工程塑料厂，拥有较完备的测试实验室，对每一款新产品进行各方面的测试，积累了大量的数据。这些数据是以后对这一问题进行深入研究的宝贵资料。1.2 数值计算方法一、有限差分法在非线性微分方程的数值求解中，有限差分以其基础深厚、简便高效、计算量小等优点而占计算流体力学的主导地位，并且其基本理论已发展的较为完善。各种差分格式也发展的较为成熟，比较经典的有以lax-windroff格式为代表的中心格式，非中心的maccormac格式、warming-beam格式、tvd格式、eno格式、通量分裂格式等。由于有限差分格式本质上是使用这样的差分来代替，这种近似是在正交基础上进行的，为了满足贴体性、光滑性，一般要将物理空间的非正交网格进行变换，变换到正交空间进行计算。这种变换的要求使有限差分法对复杂边界条件下的求解难以运用自如，从而限制了有限差分法的应用。二、有限体积法有限体积法是一种介于有限差分和有限元之间的方法，其原理是将微分方程在控制体上积分，根据green定理，将梯度项的体积积分化为面积分，此面积分可用近似代数式来代替，从而使微分方程组离散为代数方程组，求解这个方程组来近似原方程的解。因有限体积法在离散过程进行了较大的近似，所以一般来说，有限体积法的精度没有有限差分的高。但这可通过构造高精度格式、采用预估校正等手段来进行改善。有限体积法的一个突出优点就是有限体积法与非结构网格有机的结合在一起之后，对于复杂几何边界具有良好的贴体性和相当高的计算效率，并能很容易的实现自适应。这是有限差分及一般的结构网格所无法比拟的。三、非结构网格在空间离散方面，总体可分为结构网格和非结构网格，（也有两种方法结合的使用，采用多重网格，在近边界区用非结构网格，其它区还用结构网格）结构网格在拓扑上将节点定义在矩形内的格线交点上，他与有限差分与生俱来，对于简单边界，具有良好的适用性，其发展也较为完备。到80年代中期，对于简单边界问题，欧拉方程采用结构网格，用差分法求解已经相当准确高效。但对于复杂边界，结构网格要做到良好的贴体与光滑极不容易，数值求解法遇到了困难。解域空间的合理离散成为问题的关键。由三角形单元（对3d是四面体）构成的非结构网格则完全克服了结构网格的局限，三角形具有天然的贴体性，因而其能较好的覆盖任意不规则的边界区域的单元。由于这一优点，非结构网格处理复杂边界变得十分简单，不仅如此，非结构网格还很容易控制网格的节点密度，甚至可以动态的进行自适应调整，具有结构网格与之难以相比的灵活性。一般说来，对于需要自适应的计算，应考虑采用非结构网格。1.3 本文的主要工作本文是以fluent软件为计算工具。首先，对fluent软件进行了较为系统的学习与研究，对fluent软件有了比较深入地了解。其次，运用该软件，根据实际的情况来建立贯流风机的模型，设置了边界条件和初始条件，对贯流风机的流场进行了数值模拟计算。第三，把本次数值计算的结果，与实验数据和其他人做过的数值计算结果进行了对比，总结了在运用fluent的过程中的所得与所失，得出了一些结论。最后，又把贯流风机的模型进行了扩展，改为双风机的模型，对双风机的模型也进行了数值计算，并与实验数据相结合，对比单风机与双风机性能的优缺点。第二章 贯流风机的工作原理2.1 风机的概述风机是用于输送气体的机械。从能量的角度来说，风机的是一种把原动机的机械能转化为气体能量的一种机械装备。目前，在分体式空调中，主要使用离心式风机、轴流式风机和贯流式风机。这三种常见的风机，其特征、性能的对比见表2-1。 表2-1 离心式、轴流式及贯流式风机的特征、性能对比 名 称特 征 性 能离心式风机轴向进气，径向排气静压适中，风量较大轴流式风机轴向进气，轴向排气 静压较小，风量较大 贯流式风机气流从一侧叶栅进入，穿过转子内部，从另一侧叶栅排出 静压较小，风量适中如离心式风机结构示意图（图2-1）所示，它的工作原理是：气流先沿旋转轴由轴向进入叶片通道，叶片旋转，在离心力的作用下，气体被压缩并抛向叶轮外缘，沿外壳流出。气体在离心式风机中的流动先为轴向，后转变为垂直于通风机轴的径向运动。当气体通过旋转叶轮的叶道时，由于叶片的作用，气体获得能量，也就是气体的压力提高，以及动能增加。 图2-1 离心式风机结构简图如轴流式风机结构示意图（图2-2）所示，它的工作原理是：气流沿轴向进入旋转叶片通道，由于叶片与气体相互作用，气体被压缩并沿轴向排出。气体从集风器进入，通过叶轮使气流获得能量，然后流入导叶，导叶将一部分偏转的气流动能变为静压能，然后从扩散孔流出，输入管路。相对于离心式通风机而言，轴流式风机具有流量大，体积小，压头低的特点。 图2-2 轴流式风机结构简图如贯流式风机结构示意图（2-3）所示，它的工作原理是：气流横贯旋转叶道，受到叶片作用而升高压力。相比离心式和轴流式风机，它具有较大的出风面积，动压较高，气流较稳定，而它细长的出口截面尤其适用于家用壁挂式空调器中。 图2-3 贯流式风机结构简图 2.2 贯流式风机的工作原理贯流式风机与轴流式或离心式风机不同，是按另一种方式工作的风机。有一个筒形的多叶叶轮转子，气流沿着与转子轴线垂直的方向，从转子一侧的叶栅进入叶轮，穿过叶轮内部，通过另一侧的叶栅将气流排出，如图2-4所示。蜗舌、蜗壳是贯流式风机的两个重要的组成部分。单纯的叶轮转动时，在无扰动的情况下，由于各向同性，气流在轴心处形成蜗心，这时并无气流流出，由于蜗舌的存在，使得在叶轮中靠近蜗舌的地方出现了旋涡，从而气流可以在叶轮内部扭转，实现了气体从进口截面到出口截面的流动。在蜗舌、蜗壳的共同作用下，气流可以沿着较为集中的方向流出。侧视图轴向剖面 图2-4 贯流式风机的工作示意图（一） 速度三角形速度三角形方法对于在理论上分析离心式和轴流式风机的流动特性，是比较不错的，但对于贯流式风机来说误差比较大。虽然如此，速度三角形法仍是分析贯流风机特性的基础理论，如果加上一些工程修正可以改善分析的结果，得到比较理想的结果。下面就用速度三角形法分析一下气体流过贯流风机时的一些特征。我们可以画出第一叶栅和第二叶栅的进出口速度三角形。若取内圆周的叶片角，可得速度三角形如图2-5所示。 图2-5-1 叶栅进口的速度三角形 图2-5-2 叶栅出口的速度三角形根据动量定理，就整个叶轮的能量转换而言，只取决于叶轮叶栅总的进口和出口因素，而不需要去研究发生在叶轮内的气流情况。为此，可把贯流式风机简化为对于总的叶轮进、出口速度三角形的研究。由于进出口通道的叶栅具有相同的叶片角，为研究方便起见，将叶轮叶栅进口段（第一叶栅）和出口段（第二叶栅）展开成直线，并画在一起。从而使问题的研究得以简化，借助于速度三角形，即可求得扭速。下面我们来讨论两种情况：1 气流径向进入叶轮，叶轮进口弧线和出口弧线相等。这种情况的气流具有两个特点：（1） 子午速度；（2） 当叶片角改变时，扭速不变，即 const2 气流径向进入叶轮，叶轮进口弧大于出口弧。在这种情况下，排气速度比进口速度高，当叶片角改变时，满足下列情况： 并且扭速不变，即 =const若进口弧线比出口弧线小，亦可得到类似的速度三角形。（二） 压力系数和流量系数1 贯流式风机的压力系数可定义为： （2-1）试中： - 平均全压； - 叶轮圆周速度； - 气体密度。根据欧拉方程和式（2-1）有： （2-2）所以理论压力系数为： （2-3）实际气流穿过叶轮时，流动情况复杂，因此，必须对上式进行修正，实际压力系数变为： （2-4） 试中： - 全压效率； - 考虑有限叶片影响的修正系数。 若平均取，则 （2-5） 利用试（2-5）可以求出各种情况下的值， 一般 所以2 贯流式风机的流量系数可表示为： （2-6） 试中 -叶轮的宽度。 流量系数的范围一般为： 小流量风机 中流量风机 大流量风机 （三） 反应度 （2-7）试中 、 - 气流进、出叶轮时的绝对速度。试（2-7）是近似的，利用试（2-7）可估计出上述情况的反应度大小。一般，贯流式风机的反应度值在零附近，而流量较大的贯流式风机，其反应度一般为负值。可以看出，贯流风机的动压相对而言比其他风机高。2.3 贯流式风机叶轮内的流动分析前面提到过的离心式风机及轴流式风机，其内部气流的流动情况较为简单。然而，贯流式风机叶轮内的气流的流动情况则较为复杂。人们通过长期的观察，发现在叶轮内部存在一个旋涡，该旋涡的中心位于叶轮内圆周附近靠近蜗舌的一侧，如图2-6所示。图2-6 叶轮内部旋涡示意图 其中 1-蜗舌，2-蜗壳涡心距叶轮轴心的距离用表示，其中为系数。叶轮内的旋涡控制着整个速度场，而随着流量的变化，旋涡中心沿圆周方向移动。叶轮内部涡结构的发现，对于贯流式风机的研究具有重大的意义。现在以叶轮进、出口圆弧相等的简单情况为例，来研究叶轮内的气流模型。设涡心位于叶轮内圆上的一点，即取，在内圆上取一点a，其中距o点的半径为。按照前面的分析，假定在圆周上存在一个为常数的速度，又三角形aoc知： 又因 所以 （2-8）因此，该旋涡运动是一个简单的位涡。由a点的速度三角形知 （2-9）从试（2-8）、试（2-9）可以看出，速度是按照正切规律变化的，而且流线成圆弧形。从上述流动模型可以推断出，叶轮外圆周上各点的流体速度也是不一样的，越靠近涡心， 其速度越大，相反的，靠近壳体一侧的速度变小。而贯流式风机的压力系数等均为其平均值。人们从实验中发现，旋涡的位置接近内圆周，即时，性能较好。并且循环流的区域越小，性能越好。涡心位置不同时，流线的分布也不同。为了控制旋涡位置，并减小循环流的区域，可以在叶轮采用导向装置。导叶的厚度对性能没有什么大的影响。第三章 数值计算本次数值计算应用的是fluent 6.0计算流体动力学软件，模型的建立用的是gambit 2.0。3.1 模型的建立及网格的划分3.1.1 结构的简化和求解区域的划分由于贯流风机的叶轮为一轴向很长的筒状结构，当不考虑扇叶斜向分布的情况并忽略边缘效应时，可忽略空气的轴向流动。因此，就可以把实际贯流风机的3d流动问题，简化为2d问题进行数值计算。所以，在建立模型时，只要取贯流风机的任意截面作为建模的对象就可以了，这样建立的模型就是2d的了。在建模的时候，把整个风机外壳的进口和出口的流道加长，并且加大进口和出口处的流道的宽度。这样会使流入的气流，在到达风机叶轮之前，其各项参数在垂直于流道的截面上就已经基本保持均匀。对于出口处，由于真实的贯流风机系统，气体流过贯流风机后，经过很短的流道就射入室内。为了能比较真实的模拟气流的运动，所以把出口处的流道也加长，也加宽，这样气流在流过风机后，就会有一段扩张段，比较符合实际的情况，便于初始条件的给定和求解（见图3-1）。建立模型时，求解区域的划分采用如下办法：把整个贯流风机系统化为三个求解区域。风机叶轮以外的流动区域为第一个求解区域；风机叶片在旋转时所形成的环形区域为第二个求解区域（这次建模的时候，考虑了叶片的形状，所以 图3-1 贯流风机的2d计算结构与求解区域的划分这个环形区域去除了叶片自身截面的面积）；风机叶轮的内部流动区域为第三个求解区域（见图3-1）。由以上的三个区域联合起来组成整个贯流风机系统的求解区域。3.1.2 求解区域网格的划分在以上所建立模型的基础上，根据此模型中，风机是要转动的特点，建立以转子、流道及边界为类型的动、静和边界的三层网格。由于模型边界的复杂性，为了保证在边界处网格良好的贴体和光滑，采用非结构三角形网格。整个求解区域共计生成了26592个网格单元。其中，由第一个求解区域和第三个求解区域组成静态网格区，其网格单元为10424个；第二个求解区域为动态网格区，其网格单元为16168个。所生成的网格见图3-2。网格是应用gambit 2.0软件生成的。由网格图可以看到，在模型的入口和出口处的网格比较稀疏，接近风机叶轮时网格开始加密，在叶片与叶片之间的流道内网格是最密的。网格由疏到密的过渡基本平滑，没有明显的跳跃。 图3-2 计算网格的划分图3-3 风机周围局部网格放大图3-4 叶片附近网格细节的放大3.2 求解方法与过程本次数值计算应用的是fluent6.0计算流体力学软件，进行2d-simple方法求解，采用湍流模型。计算时，解的初始条件和边界条件基本上是都是参考实际的工作条件和测试条件给定的。但为了使数值计算的结果能与实验值相符合，设置边界条件和初始条件时，在允许的范围内作了部分的修正。初始条件与边界条件的具体设置为：取进口和出口的边界类型都为压力条件的边界类型，采用一阶稳定分离计算，取空气的密度为：1.225，进口和出口处都取 水力直径：0.05m；湍流密度：5%；静压都为：1atm；给进口处一点动压：；出口动压为：；转速为：。计算的收敛条件为：连续性：；x、y方向速度：；k：；epsilon：。第四章 计算结果与分析按照第三章中所给的初始条件及边界条件，迭代2838步，结果收敛。其各个参数的图像表示见以下各图。4.1 压力场的结果与分析在流场压力的等值线图像之中，红色代表高压区，蓝色代表低压区（见图4-1）。由等压力线图可发现，在靠近蜗舌偏右下方处有一个很明显的低压中心，这说明在此处有回流，回流和入流的分离处是高压，回流所卷成的涡就形成了低压，气体的回流在速度矢量图上将会很清楚地看到。入气端远离蜗舌侧的边界和叶轮交界处有一个高压中心。由于高压中心的存在，将导致气流在此高压中心的后侧（来流方向）产生回流，使得由此处进入风机叶轮的流量将非常少。这种情况和实验的结果完全符合，在速度矢量图上也有很清楚的表现。图4-1 贯流风机流场等压力线图图4-2为局部放大的等压力线图，在进风口靠近蜗舌的地方，叶片左侧的压力大于右侧的压力，根据风机旋转的方向（逆时针旋转），可以推出此处的叶片对气流做的是正功。对于远离蜗舌的一侧，其叶片两侧的压力基本相当，从压力角度来分析做功的情况，此处是风机的做功无效区。这一点也可以通过后面的速度矢量图看出来。图4-2 局部放大的等压力线图4.2 流场的结果与分析图4-3、图4-4为数值计算的速度矢量图。由以下两个图可发现，在靠近蜗舌的一侧，有一个涡，在此处产生了回流。而在入气端远离蜗舌的地方，也产生了回流，迫使气流涌向蜗舌处，使得气流在靠近蜗舌处的流量为最大。在远离蜗舌一侧的上游部分，几乎没有气流流进风机叶轮。出现了这种情况，正好与对压力场的分析相一致。即在远离蜗舌的地方是做功无效区，无气流流入；而在靠近蜗舌的地方，风机做正功，气流主要由此处流入风机叶轮。不仅如此，由于靠近蜗舌处存在旋涡，气流在靠近蜗舌处进入风机叶轮时又做了一个旋转运动，使得气流进入叶片的方向性变得很差，加大了与叶片之间的攻角，又进一步导致了能量的损失。由于所形成的低压中心，并不在蜗舌与风机叶轮中心的连线上，偏向于出气口的方向，导致在蜗舌附近形成了很强的压力梯度。因此，当气流流过蜗舌后，并不是直接都流向出口，而是有很大一部分要形成回流，与蜗舌上游的气流相混合，进入风机叶轮。图4-3 贯流风机流场的速度矢量图图4-4 局部放大的速度矢量图图4-5为其他人对贯流风机流场的计算结果。图4-5-1 流场的等压力线图图4-5-2 流场的速度矢量图 本文计算的结果与图4-5相比较，结果是一致的。叶轮出口处，靠近蜗舌的部分都形成了一个低压中心，形成回流区。涡心的位置看上去有一些差别，这是由于蜗壳的形状不同造成的。在叶轮入口处，远离蜗舌的地方也都有产生了回流，只是本文所计算结果所显示的此处回流区的涡不如图4-5显示的那么明显。 此次计算的结果与实验结果也是完全符合的（如图4-6）。靠近蜗舌处流量很大；远离蜗舌处，由于背侧回流，叶轮内部无烟迹，表明气流无法进入。图4-6-1 出烟口放在靠近蜗舌处 图4-6-2 出烟口放在远离蜗舌处4.3 流量的分析风机的两个性能参数是：流量系数（）、全压系数（），它们的定义见式 （2-6） 和（ 2-1）。工程经验是：在处附近，随的增大稍有下降，在的范围内，随的增加线性增加，当时，迅速下跌。通过本次的数值计算，其流量可以直接由fluent读出，比较方便。在当前所设的初始条件和边界条件下，贯流风机的流量为： （即）。此流量值符合实际情况。4.4 小结贯流风机的数值模拟计算，对于空调工业的发展是十分重要的。利用数值计算所计算出来的流场的结果，可以为风机叶轮叶片及流道的形状设计提供新的方案，充分适应流场，来减少贯流风机在工作时产生的噪声。噪声问题也同样是贯流风机的发展所遇到的非常棘手的问题，如能充分利用对贯流风机流场的精确模拟来减少噪声，将是非常有前途的。充分利用数值计算，还可以减少对贯流风机进行技术改进的成本，有利于我国空调工业的发展，增强我国空调工业在国际市场上的竞争能力。第五章 双叶轮风机的数值计算与结果分析5.1 工业背景随着空调工业的发展，广大的空调用户已经不再满足于，目前普通的家用壁挂式空调单向送风的现状。而是希望空调能按自己的意愿采用上下双重送风冷却，或是选择其中的一种情况。这也为降温提供了一种可以考虑的选择。为满足广大空调用户的这种要求，空调厂家采用以下几种解决方法：一种是：采用单风机的形式，只是把风机叶轮的每一节作了变动，每隔一节叶轮的叶片方向就做一次翻转。采用了这样的叶轮后，当风机沿着一个方向旋转的时候，其中一部分的叶轮起作用。而当风机沿着反方向旋转时，剩下的那一部分的叶轮起作用，这样做节省了原材料和空调机的体积，但其缺点也是不言而喻的，那就是其流量将受到很大的影响。另一种是：对风机叶轮叶片的形状作修改，这种方法也同样是采用单风机的形式。普通风机叶片的形状见图（5-1）。只有沿着某一特定的方向旋转时，此种 图5-1 普通叶型 图5-2 改进的叶片模型叶片才起作用。而对于改进的叶片形状(见图5-2)，风机沿着任意一个方向旋转，叶片都能起作用。但这种设计也同样是存在着缺陷的。此种叶片设计形状，只考虑了气流流出叶轮时的情况，即沿着任意的旋转方向，都能保证气流顺利流出。但却忽略了对于贯流风机来说，叶片的一端既是出口，同时也是入口。此种改进的叶片，当其分叉端旋转到流道的出口方向时，为出口端。但当其分叉端旋转到入口方向时，他又变成了入口端。作为出口端这种设计是可以接受的，但作为入口端，此种设计就不利于进气，导致了流量的减少。还有一种方法就是采用双叶轮风机模型。即在空调的室内机部分，装有两个叶轮，其叶片的方向正好相反。对于不同的出气方向，选用不同的叶轮让其旋转，就可以达到上述用户的要求。此种设计方案的缺点就是需要两个叶轮，提高了成本。但其流量是不会受到很大的影响的。随着生产原材料的降价，此种方案还是可以应用的。下面就是对双叶轮风机系统的数值计算与结果分析。5.2 双叶轮风机系统的数值计算与结果分析5.2.1 数值计算双叶轮风机系统模型的建立如图5-3、5-4所示。仍然采用非结构的三角形网格，建立以转子、流道和边界为类型的动、静和边界的三层网格。图5-3 双叶轮风机系统模型 数值计算，仍然进行2d-simple方法求解，采用湍流模型。边界条件如下给出：取空气密度。进口和出口仍然设置为压力边界条件，水力直径：，湍流密度：。工作环境的压力为。入口动压为：，出口动压为：，叶轮转速为：。计算的收敛条件为：连续性：；x、y方向的速度：；k：；epsilon：。迭代了2078步，计算结果收敛了。图5-4 双叶轮风机模型网格的划分图5-5 网格的局部放大5.2.2 计算结果及分析如图5-6为双叶轮风机系统的压力场。对于每一个风机叶轮附近的压力场来说，其与单叶轮风机的压力场基本相同。出口处靠近蜗舌的地方存在一个很明显的低压中心，在此处也将产生回流。 图5-6 双风机系统的等压力线图然而对于左右完全对称的模型（其边界条件也是完全对称的），其流场却不是稳定的，偏向某一个方向。在两个叶轮中间，其等压力线产生了弯曲和变形，这是引起不稳定的主要区域。在速度矢量图中，左右叶轮附近的流场基本相同，与单叶轮风机的情况也基本一样。图5-7只给出了右轮附近的流场。很明显能看到和单叶轮风机一样的回流区，在入口处远离蜗舌的边界处也有一个回流区，由于此回流区的存在，阻碍了气流由此处流进风机叶轮。气流绝大部分是由靠近蜗舌处一侧的叶轮部分流入的。但在两轮的中间部分产生了非稳定性。如图5-8所示，在两轮中间，靠近右轮的中上部，有一个比较小的速度涡，使得有一部分气流由左轮流向右轮，导致了非稳定性。在实验中，也明显的发现了非稳定性。在做双叶轮风机的烟气实验中，把发烟器的出口放到两叶轮之间的中上部，发现烟气一会偏向左轮，一会偏向右轮，出现周期性的左右摆动。但其流动性比较差，在此处停留的时间较长（见图5-9）。如果把发烟器的出口放到某一叶轮的上方，则其流动与单风机时一样，穿过叶轮流出（见图5-10）。虽然有非稳定性，但其两侧出口的流量差别还是比较小的。在数值计算中，左侧出口的流量为：，右侧出口的流量为：。 图5-7 右轮附近的速度矢量图 图5-8 两轮中间部分的速度矢量图 图5-9 发烟器出口在中间 图5-10 发烟器出口在左轮上方 由计算所得的流场图像，非稳定性是由于在两个叶轮中间存在着两个叶轮的相互影响区域，如果把这个区域排除掉，那么流场就应该是比较稳定的了。计算和实验结果都证明了这一点。如图5-11、5-12，原双叶轮风机的模型中，在两个叶轮中间加了一个竖板，正好能把两轮的相互影响区分开。计算结果就有了很强的稳定性，其流场的左右对称性也有了很大的改善，这就证明了以上关于非稳定性的分析是正确的。实验中此种现象也是很明显的。对于双叶轮风机的应用，有时并不需要两个叶轮同时转。在一个叶轮转动时，其流场的情形，及左右出口流量的关系也是厂家很关心的。在左轮转时，右侧出口不加挡板，则气流由右侧出口的损失大小是多少。计算结果表明，其损失量很少，而且其流场与单叶轮风机时基本相同。 图5-11 中间加了竖板的等压力线图图5-12 中间加了竖板的速度矢量图 图5-13 只有左轮旋转时的等压力线图如图5-13、5-14所示，只令其左轮旋转，右轮保持静止。可以很清楚地看到，气流绝大部分都流向了左侧的出口，和单叶轮风机的流场基本上是相同的。右轮的存在不会对左轮旋转产生的流场，有很大的影响，满足工业上的要求。由fluent直接读取其流量值，在此种工作条件下，左侧出口的流量为：，右侧出口的流量为：。很明显可以看出只有极小一部分的气流从右侧出口流出，保证风机能正常工作。 图5-14 只有左轮旋转时的速度矢量图5.3 小结根据以上的计算结果及实验结果，表明可以应用双叶轮风机系统解决空调上下两个方向的送风问题。采用双叶轮风机系统，能保证对空调流量的要求。而且也可以根据送风量的要求，只让其中一个叶轮转动，成为单叶轮风机的模式。双叶轮风机模型是一个比较有新意的设计模型，目前的还没有空调厂家对此进行生产，还在摸索和研究。随着风机理论的进一步研究，双叶轮风机模式的空调器将会在空调领域占有一席之地。第六章 经验与总结贯流风机内的空气流动属于复杂边界条件的复杂流动问题。又由于叶轮是在转动的，属于动边界问题。并且由于流动的非对称性，因此不管是对理论分析，还是对数值计算都产生了很大的困难。本次数值计算所应用的是fliuent6.0计算软件。在应用过程中，对模型的处理，主要的难题在于如何设置，才能使风机叶轮转动起来，建立起动边界问题。在本次的计算当中，采用了两个坐标系，一个是绝对坐标系，另一个是相对转动坐标系。也就是说，把转动的叶轮放到相对转动坐标系中，使之处于相对静止的状态，这样就把运动的问题也看作是“静止”的。这样就成功地实现了动边界条件问题的建立。fluent6.0是一个很方便的流体力学的计算软件，它应用的范围非常之广，而且可视化程度高。现在国内好多家单位都应用了这个软件对流场进行数值模拟，而且，在网上已经有专门的fluent讨论专区、fluent论坛，便于交流学习心得。由于使用fluent的时间还比较短，对其中的许多精华部分还没能充分的体会。因此，在计算的过程中，遇到了不少的困难。为了得到与实验结果比较接近的数值解，反复多次对初始条件和边界条件作了修改，最终得出了以上所阐述的结果。但此结果与实验的值还是有一定的差距的，有些实验中所得到的一些细节的结果，在本次的数值计算中并没有很清晰地反映出来。实验的主要现象，在数值解中还是比较不错的反映出来了。如果对fluent有更深一步的学习与研究，相信贯流风机流场的数值解将会更加的完美。进行数值计算，其计算结果与实验相符合，并不是数值计算的最终目的。与实验结果相符合，说明模型的建立和求解过程是正确的、可信的。而且，对于数值计算来说，对其模型、工作条件的修改都是很方便的。而空调厂家为了改进风机的性能，需要重新铸模，作出成品来进行试验，如果不成功还要再重复上面的工作。这样做的成本无疑是非常高的，而且浪费了许多的时间。因此，空调厂家迫切需要贯流风机的数值模拟计算。当对一个模型的数值计算，其结果符合空调厂家的要求时，空调厂家就可以根据数