【正文】 diagram of the boundary conditions 表 21 邊界條件設(shè) 置 Table 21 The setting of the boundary conditions 數(shù)值 模擬的收斂 判據(jù) 判斷數(shù)值計(jì)算是否收斂通常只看其殘差是否小于 某一個(gè)值 ，但研究發(fā)現(xiàn)若風(fēng)機(jī)的邊界條件的名稱(chēng) 邊界類(lèi)型 進(jìn)口（ inlet） massflowinlet 風(fēng)機(jī)進(jìn)口（ fanin） interior 葉輪進(jìn)口（ impellerin） interior 葉片（ blades） wall 輪轂（ hub） wall 整流罩（ axis） wall 葉輪出口（ impellerout） interior 風(fēng)機(jī)出口（ fanout） interior 靜壓監(jiān)測(cè)壁面（ Static pressuremonitor） wall 出口（ outlet） pressureoutlet 第二章 軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì) 及 數(shù)值 模擬 19 性能和工況不同，那么對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的收斂標(biāo)準(zhǔn)也是不一樣的。因?yàn)檫@兩種情況下風(fēng)機(jī)流場(chǎng)中的漩渦 會(huì)使連續(xù) 性 方程和湍能耗散率方程 中 的殘差不僅大而且波動(dòng)也較大， 同時(shí) 也會(huì)使軸功率系數(shù)和 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口總 壓值發(fā)生波動(dòng)。最后在 時(shí)間步數(shù)為 5000~5500 時(shí) ，要求監(jiān)測(cè)的 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口總壓 和軸功率系數(shù) 波動(dòng) 小于 1%~3%。 圖 210 殘差變化曲線 Residual changing curves 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 主要參數(shù)計(jì)算 若軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算已經(jīng)收斂，則可以根據(jù) Fluent 監(jiān)測(cè)的各計(jì)算面的總壓和靜壓來(lái)計(jì)算出風(fēng)機(jī)全壓和全壓效率 等，圖 211 給出了新 T35 軸流風(fēng)機(jī)的計(jì)算面，相關(guān)的計(jì)算公式可見(jiàn)式 222～ 式 232 所示。 將此圓環(huán) 4 等分，取 4 個(gè)環(huán)面靜壓的均值 作為出口靜壓 2SH ， 4 個(gè)環(huán)面 的 靜壓 值 也可以通過(guò)Fluent 監(jiān)測(cè)得到。根據(jù)以上對(duì)此軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了兩種不同的建模方案：方案一是在風(fēng)機(jī)的出口接一個(gè)長(zhǎng)管道，其中管道的長(zhǎng)度為 10d， d為管道的直徑，在遠(yuǎn)離風(fēng) 機(jī)出口 AA截面處測(cè)得的壁面靜壓作為風(fēng)機(jī)出口靜壓 。這種差別的原因 是兩建模方案中在風(fēng)機(jī)出口接的管道長(zhǎng)度不同，而且風(fēng)機(jī)出口靜壓的監(jiān)測(cè)位置也不同。以上述的兩種建模方式為例，方案一中在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)出口 處測(cè)定截面靜壓，測(cè)得的靜壓最小范圍為 ，最大范圍為，截面平均靜壓為 ，而此處圓環(huán)壁面上的靜壓均值是 ，具體的數(shù)據(jù)如表 23 所示。~2SH 表示風(fēng)機(jī)出口管道的平均截面靜壓 ， 39。（ 2）將 此 風(fēng)機(jī)的進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，風(fēng)機(jī)的出口設(shè)置為壓力出口 ， 具體的計(jì)算結(jié)果也見(jiàn)表 24。39。 本章小結(jié) 本章首先介紹了軸流風(fēng) 機(jī)氣流的進(jìn)出口方式，同時(shí)也介紹了軸流風(fēng)機(jī)的各組成部件，并且介紹了軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。 由此看出軸流風(fēng)機(jī)的不同數(shù)值建模、不同靜壓的確定以及不同邊界條件設(shè)置都會(huì)影響低壓軸流風(fēng)機(jī)的性能計(jì)算結(jié)果。 從表 24 中可見(jiàn)，這兩種不同邊界條件下計(jì)算結(jié)果 也不相同 ， 壓力進(jìn)出口邊界設(shè)置下的 風(fēng)機(jī) 全壓比 質(zhì)量風(fēng)量 進(jìn)口和自由出流設(shè)置下的風(fēng)機(jī) 全壓提高 了 ， 前者的全壓效率比后者的全壓效率提高了 %， 前者的風(fēng)機(jī)靜壓比后者的風(fēng)機(jī)靜壓提高了 ， 前者的 風(fēng)機(jī) 靜壓效率比后者的 風(fēng)機(jī) 靜壓效率方案 39。~2SH 表示風(fēng)機(jī)出口管 道上圓環(huán)壁面的平均靜壓 。另一方面是因?yàn)閷?shí)際性能測(cè)試是按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)機(jī)截面的管壁圓周上均勻開(kāi)四個(gè)孔，每個(gè)孔通過(guò)測(cè)壓管測(cè)定對(duì)應(yīng)位置處的靜壓 [37]， 由此可見(jiàn)風(fēng)機(jī)出口靜壓采用風(fēng)機(jī)出口截面 的 平均靜壓 是不可取的。 表 22 兩種方案 的數(shù)值模擬結(jié)果 Table 22 Numerical simulation results in two schemes 名稱(chēng) 建模方案 1 建模方案 2 風(fēng)機(jī)進(jìn)口總壓 （ pa） 風(fēng)機(jī)出口靜壓 （ pa） 風(fēng)機(jī)出口總壓 （ pa） 風(fēng)機(jī)全壓 （ pa） 全壓效率 （ %） 葉輪效率 （ %） 風(fēng)機(jī)靜壓 （ pa） 風(fēng)機(jī) 靜壓效率 （ %） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 24 不同靜壓 取值 的結(jié)果對(duì)比 在數(shù)值模擬中，以往風(fēng)機(jī)出口 管道 靜壓都是采用風(fēng)機(jī)出口截面的平均靜壓，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在低壓軸流風(fēng)機(jī)中這樣確定靜壓的方法會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。以上二個(gè) 建模 方案的進(jìn)出口邊界條件均用壓力條件給定， Fluent中監(jiān)測(cè) 靜壓的 位置與 實(shí)測(cè) 靜壓的位置相同，即在 AA和 BB截面的圓周上均分四個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。 2ds HHH ?? （ 228） 式中： sH —— 風(fēng)機(jī)靜壓 ， Pa； 軸功率的計(jì)算 軸功率 是 通 過(guò)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉片 以 及輪轂受到流體作用的扭矩 M 計(jì)算得到， Fluent中可以監(jiān)測(cè)到軸流風(fēng)機(jī)的扭矩 ， 具體 軸功率 的表達(dá)式可見(jiàn)式 229 所示 [35]。 將此圓環(huán) 4 等分， 4 個(gè)環(huán)面靜壓的均值 即為進(jìn)口靜壓 1SH ， 4 個(gè)環(huán)面 的 靜壓 值均 可以通過(guò) Fluent 監(jiān)測(cè)得到。 圖 210 為新 T35 軸流風(fēng)機(jī)數(shù)值計(jì)算的殘差曲線。同時(shí) 計(jì)算的時(shí)間步數(shù)為 5000~5500 時(shí)，要求監(jiān)測(cè)的 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口總壓 和軸功率系數(shù)幾乎保持不變，其波動(dòng)小于 1%。通過(guò)長(zhǎng)期的風(fēng)機(jī)數(shù)值計(jì)算，本文對(duì)于風(fēng)機(jī)的不同情況給出了對(duì)應(yīng)的收斂判據(jù)。 因內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 為實(shí)際 新 T35 軸流風(fēng)機(jī)的 出口靜壓為大氣壓力 ，這樣該 風(fēng)機(jī)的出 口 邊界應(yīng)該設(shè)置 為 壓力出口，具體此風(fēng)機(jī)的邊界設(shè)置可見(jiàn) 圖 29 和表 21 所示。 離散方法：本文采用 SIMPLE 算法來(lái)求解控制方程，對(duì)于動(dòng)量方程、湍流模式方程均采用一階迎風(fēng)格式，這樣既可保證迭代過(guò)程較快收斂，又可避免解的震蕩，從而得到符合實(shí)際物理規(guī)律的結(jié)果。但是由于存在計(jì)算機(jī)容量和計(jì)算時(shí)間的問(wèn)題，另外在風(fēng)機(jī)的研究中主要關(guān)注的是風(fēng)機(jī)總壓、軸功率以及風(fēng)機(jī)效率等這些整體的性能參數(shù)，而不是關(guān)注風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，所以可以忽略軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部實(shí)際流動(dòng)的不定常性，將風(fēng)機(jī)內(nèi)部 的實(shí)際流動(dòng)簡(jiǎn)化為不可壓定常流動(dòng)。 本文 將 優(yōu)化后 T35 軸流 風(fēng)機(jī) 的 數(shù)值模型導(dǎo)入 Fluent 中進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算 的結(jié)果監(jiān)測(cè) 了 葉片吸力面和壓力面的 y+值 ，上面 圖 27 和圖 28 分別 給出了 優(yōu)化后 T35軸流風(fēng)機(jī) 的 葉片吸力面和壓力面的 y+值 。若葉片近壁面的 y+值太 大，則對(duì)應(yīng)該近壁面的第一排網(wǎng)格將 超 出邊界層湍流充分發(fā)展區(qū)，這種情況下來(lái)計(jì)算壁面切應(yīng)力也是不對(duì)的。 與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格存在的以上缺陷，因此復(fù)雜的計(jì)算模型通常都采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。 第二章 軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì) 及 數(shù)值 模擬 15 圖 24 計(jì)算域 的放大圖 Enlarged figure of putational domain 網(wǎng)格的劃分 網(wǎng)格質(zhì)量直接關(guān)系 到 計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間以及計(jì)算的收斂性，劃分網(wǎng)格時(shí)要求單元體不能有大的畸變率，并限制畸變率超過(guò) 的單元體數(shù)目。 （ 1）進(jìn)口延伸區(qū)：管道長(zhǎng)度為 12m即 15d，其中 d 為管道的直徑。 所謂模型 的簡(jiǎn)潔性， 就是對(duì)風(fēng)機(jī)的三維模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化， 具體是要 減去對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響很小的、不必要的細(xì)節(jié)部分，比如 ： 風(fēng)機(jī)實(shí)際的一些小零件如螺絲，螺栓等 。 因?yàn)槔?國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù) 來(lái)考核模擬結(jié)果要滿(mǎn)足下面的條件，該條件是要在 風(fēng)機(jī)前 或后連接一段很長(zhǎng)的管道， 通過(guò)連接長(zhǎng)管道 去 得到一段均勻的流動(dòng)區(qū)域。對(duì)比葉片的圓柱面成型，葉片圓錐面成型是將葉片成型在一個(gè)圓錐面上，實(shí)踐證明葉片采用圓錐面成型時(shí)成型后葉片和原來(lái)設(shè)計(jì)葉片的差別會(huì)更小。 第二章 軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì) 及 數(shù)值 模擬 13 ??? ?? mA （ 220） 式中： A? —— 安裝角 ， 176。； 2221221 ]2/)[(]2/)[( uzzm CuuCCW ????? （ 216） 式中： mW —— 平均 氣流 速度， m/s； uzzm Cuu CCa r c tg22121 ?? ??? （ 217） 式中： m? —— 平均氣流角， 176。 ?? u2uCH? （ 28） 式中 ： ?—— 流動(dòng)效率，由經(jīng)驗(yàn)給出 。 2． 若 軸向速度 ??rCz1 均勻，則 有式 （ 25）和（ 26） ： 第二章 軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì) 及 數(shù)值 模擬 11 ??? th DD （ 25） 式中： hD —— 輪轂直徑， m； ? —— 輪轂比 。 （ 3）主要計(jì)算公式 1． 圓周速度 和 壓力系數(shù) 的表達(dá)式 分別 如 式 （ 23）和（ 24） 所示 ： 60/nDu tt ?? （ 23） 式中 ： tD —— 葉輪直徑， m； t —— 葉頂（ 葉 片 最大半徑 處 ） ； n —— 轉(zhuǎn)速 ， rpm； u —— 圓周速度， m/s； tu —— 葉 頂 圓周速度， m/s。 ? ?? ?? CC zu / 22? （ 22） 式中： ? —— 空氣的密度 ， kg/m3； zC —— 軸向速度， m/s； z —— 速度的軸向分量 ； Q —— 風(fēng)量， m3/h。 另外傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)軸流風(fēng)機(jī)要采用葉片徑向堆積成型技術(shù)，而現(xiàn)在設(shè)計(jì)軸流風(fēng)機(jī)時(shí)一般采用葉片非徑向堆積技術(shù) 。 （ 5）擴(kuò)壓 筒： 作用是將 軸流風(fēng)機(jī)中一部分 氣流 的軸流 動(dòng)壓 轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)機(jī)靜壓，同時(shí)也可以減少出口氣流的擴(kuò)散損失。與軸流風(fēng)機(jī)的前導(dǎo)葉對(duì)比，后導(dǎo)葉可以使軸流風(fēng)機(jī)的一部分周向 動(dòng)壓 轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)機(jī)靜壓，另外通過(guò)安裝后導(dǎo)葉也可以降低 氣流與外筒之間的摩擦損失。實(shí)踐證明安裝整流罩 可提高 風(fēng)機(jī)全壓和全壓效率，同時(shí)軸流風(fēng)機(jī)的噪聲也得到降低 。軸流風(fēng)機(jī)的工作流程是氣流經(jīng)過(guò)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入到風(fēng)機(jī)中，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)的導(dǎo)葉獲得預(yù) 旋，然后通過(guò)軸流風(fēng)機(jī) 的 動(dòng)葉獲得能量，最后經(jīng)過(guò)出口延伸區(qū)將氣流的周向動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，同時(shí)氣流的軸流速度也變得均勻。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 第二章 軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬 本文的目標(biāo)是研究 T35 軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要素對(duì)其性能的影響，為了很好的分析各設(shè)計(jì)要素的影響，需要了解軸流風(fēng)機(jī)的基本概念和氣動(dòng)設(shè)計(jì)。 圖 12 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 的工作流程 Working process of modern design method 本文的 研究?jī)?nèi)容及 技術(shù)路線 基于目前 T35 軸流風(fēng)機(jī)效率偏低的現(xiàn)狀， 本文 進(jìn)行了 新 T35 軸流 風(fēng)機(jī)的開(kāi)發(fā)，并且 利用工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 、 風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 和 已 有的 軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序 對(duì)其進(jìn)行了 整機(jī)數(shù)值模擬和性能優(yōu)化， 結(jié)果 得 到 了 性能明顯改 善 的新 T35 軸流風(fēng)機(jī)， 同時(shí)分析了 優(yōu)化后 T35 軸流風(fēng)機(jī) 的設(shè)計(jì)要素對(duì)其的性能影響，具體的研究工作如下 ： （ 1） 對(duì)已有的 T35 軸流風(fēng)機(jī) 進(jìn)行 了 整機(jī)數(shù)值建模，并且將該 數(shù)值建模 的計(jì)算結(jié)果與廠家 的 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行 了 比較。 1998年清華大學(xué) 朱之墀等 成功地將 CFD 應(yīng)用到了離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，同時(shí)也提出了現(xiàn)代風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，另外 邊曉東 博士又對(duì)現(xiàn)代風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了完善。與有限差分法和有限元法相比，有限體積法的計(jì)算速度 更 快，因此其成為了 CFD 常用的離散方法。 如果不收斂，就需要調(diào)整網(wǎng)格、邊界條件 和 其它計(jì)算參數(shù)設(shè)置， 最后 重新進(jìn)行計(jì)算。然后在計(jì)算域 的網(wǎng)格上將 已 建好的控制方程進(jìn)行離散， 離散時(shí)根據(jù)所要的計(jì)算精度去選擇相應(yīng)的離散格式， 這樣就將原控制方程 轉(zhuǎn)變成 變成對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的代數(shù)方程 組 。為了與實(shí)際 物理過(guò)程 相符， 需要對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行材料 屬性 的設(shè)置 ，并且針對(duì)不同的模型相應(yīng)進(jìn)行 不同的 邊界設(shè)置，另外根據(jù)計(jì)算 的 需要去設(shè)置檢測(cè)面，最后進(jìn)行 迭代求解計(jì)算?？梢哉f(shuō) Fluent 后處理器有豐富 的后處理功能 ， 這樣 該軟件得到了較廣泛的應(yīng)用，一般情況下 Fluent 軟件包括三部分 [16]： （ 1） 前處理： Fluent 中 常用的前處理軟件 包括 Gambit、 CAD 和 Solidworks 等 。 由此可見(jiàn)， 以上文獻(xiàn) 均 分析了軸流風(fēng)機(jī)中某一 個(gè) 設(shè)計(jì)要素對(duì)其性能的影響，并沒(méi)有分析軸流風(fēng)機(jī)的各設(shè)計(jì)要素對(duì)其性能的影響。 Fluent 計(jì)算結(jié)果表明， 在設(shè)計(jì)工況下該 風(fēng)機(jī)的效率會(huì)隨著輪轂比的降低而降低。 昌澤舟等 人 [14]提出利用葉片非徑向堆積技術(shù)來(lái)進(jìn)行 紡織軸流通風(fēng)機(jī) 的設(shè)計(jì)。 王巍雄 等人 [12]指出 軸流風(fēng)機(jī)葉片成型最好采用 不可展開(kāi)曲面的極值展開(kāi)方法 ，同時(shí)敘述了 極值展開(kāi)方法 的操作 步驟 。 E Benini[10]提出在軸流通風(fēng)機(jī) 設(shè)計(jì)時(shí)要采用區(qū)間流量而不是設(shè)計(jì)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的效率。 而若流型系數(shù)? ≠ 1 即可控渦設(shè)計(jì)時(shí)， 該設(shè)計(jì)葉片 吸力邊邊界層內(nèi) 的 流體徑向向外