【正文】 diagram of the boundary conditions 表 21 邊界條件設 置 Table 21 The setting of the boundary conditions 數(shù)值 模擬的收斂 判據(jù) 判斷數(shù)值計算是否收斂通常只看其殘差是否小于 某一個值 ，但研究發(fā)現(xiàn)若風機的邊界條件的名稱 邊界類型 進口（ inlet） massflowinlet 風機進口（ fanin） interior 葉輪進口（ impellerin） interior 葉片（ blades） wall 輪轂（ hub） wall 整流罩（ axis） wall 葉輪出口（ impellerout） interior 風機出口（ fanout） interior 靜壓監(jiān)測壁面（ Static pressuremonitor） wall 出口（ outlet） pressureoutlet 第二章 軸流風機的氣動設計 及 數(shù)值 模擬 19 性能和工況不同，那么對應風機的收斂標準也是不一樣的。因為這兩種情況下風機流場中的漩渦 會使連續(xù) 性 方程和湍能耗散率方程 中 的殘差不僅大而且波動也較大， 同時 也會使軸功率系數(shù)和 風機進出口總 壓值發(fā)生波動。最后在 時間步數(shù)為 5000~5500 時 ，要求監(jiān)測的 風機進出口總壓 和軸功率系數(shù) 波動 小于 1%~3%。 圖 210 殘差變化曲線 Residual changing curves 內(nèi)蒙古工業(yè)大學碩士學位論文 20 主要參數(shù)計算 若軸流風機的數(shù)值計算已經(jīng)收斂，則可以根據(jù) Fluent 監(jiān)測的各計算面的總壓和靜壓來計算出風機全壓和全壓效率 等，圖 211 給出了新 T35 軸流風機的計算面，相關(guān)的計算公式可見式 222～ 式 232 所示。 將此圓環(huán) 4 等分，取 4 個環(huán)面靜壓的均值 作為出口靜壓 2SH ， 4 個環(huán)面 的 靜壓 值 也可以通過Fluent 監(jiān)測得到。根據(jù)以上對此軸流風機進行了兩種不同的建模方案：方案一是在風機的出口接一個長管道，其中管道的長度為 10d， d為管道的直徑，在遠離風 機出口 AA截面處測得的壁面靜壓作為風機出口靜壓 。這種差別的原因 是兩建模方案中在風機出口接的管道長度不同，而且風機出口靜壓的監(jiān)測位置也不同。以上述的兩種建模方式為例，方案一中在遠離風機出口 處測定截面靜壓，測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 表示風機出口管道的平均截面靜壓 ， 39。（ 2）將 此 風機的進口設置為壓力進口，風機的出口設置為壓力出口 ， 具體的計算結(jié)果也見表 24。39。 本章小結(jié) 本章首先介紹了軸流風 機氣流的進出口方式，同時也介紹了軸流風機的各組成部件，并且介紹了軸流風機的氣動設計方法。 由此看出軸流風機的不同數(shù)值建模、不同靜壓的確定以及不同邊界條件設置都會影響低壓軸流風機的性能計算結(jié)果。 從表 24 中可見，這兩種不同邊界條件下計算結(jié)果 也不相同 ， 壓力進出口邊界設置下的 風機 全壓比 質(zhì)量風量 進口和自由出流設置下的風機 全壓提高 了 ， 前者的全壓效率比后者的全壓效率提高了 %， 前者的風機靜壓比后者的風機靜壓提高了 ， 前者的 風機 靜壓效率比后者的 風機 靜壓效率方案 39。~2SH 表示風機出口管 道上圓環(huán)壁面的平均靜壓 。另一方面是因為實際性能測試是按國家標準在風機截面的管壁圓周上均勻開四個孔，每個孔通過測壓管測定對應位置處的靜壓 [37]， 由此可見風機出口靜壓采用風機出口截面 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 建模方案 1 建模方案 2 風機進口總壓 （ pa） 風機出口靜壓 （ pa） 風機出口總壓 （ pa） 風機全壓 （ pa） 全壓效率 （ %） 葉輪效率 （ %） 風機靜壓 （ pa） 風機 靜壓效率 （ %） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學碩士學位論文 24 不同靜壓 取值 的結(jié)果對比 在數(shù)值模擬中，以往風機出口 管道 靜壓都是采用風機出口截面的平均靜壓，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在低壓軸流風機中這樣確定靜壓的方法會產(chǎn)生較大的誤差。以上二個 建模 方案的進出口邊界條件均用壓力條件給定， Fluent中監(jiān)測 靜壓的 位置與 實測 靜壓的位置相同，即在 AA和 BB截面的圓周上均分四個測點的平均值。 2ds HHH ?? （ 228） 式中： sH —— 風機靜壓 ， Pa； 軸功率的計算 軸功率 是 通 過旋轉(zhuǎn)的動葉片 以 及輪轂受到流體作用的扭矩 M 計算得到， Fluent中可以監(jiān)測到軸流風機的扭矩 ， 具體 軸功率 的表達式可見式 229 所示 [35]。 將此圓環(huán) 4 等分， 4 個環(huán)面靜壓的均值 即為進口靜壓 1SH ， 4 個環(huán)面 的 靜壓 值均 可以通過 Fluent 監(jiān)測得到。 圖 210 為新 T35 軸流風機數(shù)值計算的殘差曲線。同時 計算的時間步數(shù)為 5000~5500 時，要求監(jiān)測的 風機進出口總壓 和軸功率系數(shù)幾乎保持不變，其波動小于 1%。通過長期的風機數(shù)值計算，本文對于風機的不同情況給出了對應的收斂判據(jù)。 因內(nèi)蒙古工業(yè)大學碩士學位論文 18 為實際 新 T35 軸流風機的 出口靜壓為大氣壓力 ，這樣該 風機的出 口 邊界應該設置 為 壓力出口，具體此風機的邊界設置可見 圖 29 和表 21 所示。 離散方法：本文采用 SIMPLE 算法來求解控制方程，對于動量方程、湍流模式方程均采用一階迎風格式，這樣既可保證迭代過程較快收斂，又可避免解的震蕩，從而得到符合實際物理規(guī)律的結(jié)果。但是由于存在計算機容量和計算時間的問題，另外在風機的研究中主要關(guān)注的是風機總壓、軸功率以及風機效率等這些整體的性能參數(shù)，而不是關(guān)注風機內(nèi)部流場的細節(jié)，所以可以忽略軸流風機內(nèi)部實際流動的不定常性，將風機內(nèi)部 的實際流動簡化為不可壓定常流動。 本文 將 優(yōu)化后 T35 軸流 風機 的 數(shù)值模型導入 Fluent 中進行計算，根據(jù)計算 的結(jié)果監(jiān)測 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軸流風機 的 葉片吸力面和壓力面的 y+值 。若葉片近壁面的 y+值太 大，則對應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)，這種情況下來計算壁面切應力也是不對的。 與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格彌補了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格存在的以上缺陷，因此復雜的計算模型通常都采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分。 第二章 軸流風機的氣動設計 及 數(shù)值 模擬 15 圖 24 計算域 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 計算精度、計算時間以及計算的收斂性，劃分網(wǎng)格時要求單元體不能有大的畸變率，并限制畸變率超過 的單元體數(shù)目。 （ 1）進口延伸區(qū)：管道長度為 12m即 15d，其中 d 為管道的直徑。 所謂模型 的簡潔性， 就是對風機的三維模型作適當?shù)暮喕?具體是要 減去對風機性能影響很小的、不必要的細節(jié)部分，比如 ： 風機實際的一些小零件如螺絲，螺栓等 。 因為利用 國家標準的風機性能測試數(shù)據(jù) 來考核模擬結(jié)果要滿足下面的條件，該條件是要在 風機前 或后連接一段很長的管道， 通過連接長管道 去 得到一段均勻的流動區(qū)域。對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圓錐面上，實踐證明葉片采用圓錐面成型時成型后葉片和原來設計葉片的差別會更小。 第二章 軸流風機的氣動設計 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 ： ?—— 流動效率，由經(jīng)驗給出 。 2． 若 軸向速度 ??rCz1 均勻，則 有式 （ 25）和（ 26） ： 第二章 軸流風機的氣動設計 及 數(shù)值 模擬 11 ??? th DD （ 25） 式中： hD —— 輪轂直徑， m； ? —— 輪轂比 。 （ 3）主要計算公式 1． 圓周速度 和 壓力系數(shù) 的表達式 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 —— 風量， m3/h。 另外傳統(tǒng)設計時軸流風機要采用葉片徑向堆積成型技術(shù)，而現(xiàn)在設計軸流風機時一般采用葉片非徑向堆積技術(shù) 。 （ 5）擴壓 筒： 作用是將 軸流風機中一部分 氣流 的軸流 動壓 轉(zhuǎn)變?yōu)轱L機靜壓，同時也可以減少出口氣流的擴散損失。與軸流風機的前導葉對比，后導葉可以使軸流風機的一部分周向 動壓 轉(zhuǎn)變?yōu)轱L機靜壓，另外通過安裝后導葉也可以降低 氣流與外筒之間的摩擦損失。實踐證明安裝整流罩 可提高 風機全壓和全壓效率，同時軸流風機的噪聲也得到降低 。軸流風機的工作流程是氣流經(jīng)過進風口進入到風機中，通過軸流風機的導葉獲得預 旋，然后通過軸流風機 的 動葉獲得能量，最后經(jīng)過出口延伸區(qū)將氣流的周向動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，同時氣流的軸流速度也變得均勻。內(nèi)蒙古工業(yè)大學碩士學位論文 8 第二章 軸流風機的氣動設計及數(shù)值模擬 本文的目標是研究 T35 軸流風機的設計要素對其性能的影響，為了很好的分析各設計要素的影響，需要了解軸流風機的基本概念和氣動設計。 圖 12 現(xiàn)代設計方法 的工作流程 Working process of modern design method 本文的 研究內(nèi)容及 技術(shù)路線 基于目前 T35 軸流風機效率偏低的現(xiàn)狀， 本文 進行了 新 T35 軸流 風機的開發(fā)，并且 利用工程設計經(jīng)驗 、 風機現(xiàn)代設計方法 和 已 有的 軸流風機氣動設計程序 對其進行了 整機數(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 軸流風機， 同時分析了 優(yōu)化后 T35 軸流風機 的設計要素對其的性能影響，具體的研究工作如下 ： （ 1） 對已有的 T35 軸流風機 進行 了 整機數(shù)值建模，并且將該 數(shù)值建模 的計算結(jié)果與廠家 的 實測數(shù)據(jù)進行 了 比較。 1998年清華大學 朱之墀等 成功地將 CFD 應用到了離心風機的設計中，同時也提出了現(xiàn)代風機氣動設計方法，另外 邊曉東 博士又對現(xiàn)代風機氣動設計方法進行了完善。與有限差分法和有限元法相比，有限體積法的計算速度 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 其它計算參數(shù)設置， 最后 重新進行計算。然后在計算域 的網(wǎng)格上將 已 建好的控制方程進行離散， 離散時根據(jù)所要的計算精度去選擇相應的離散格式， 這樣就將原控制方程 轉(zhuǎn)變成 變成對應節(jié)點的代數(shù)方程 組 。為了與實際 物理過程 相符， 需要對導入的模型進行材料 屬性 的設置 ，并且針對不同的模型相應進行 不同的 邊界設置，另外根據(jù)計算 的 需要去設置檢測面，最后進行 迭代求解計算?？梢哉f 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， 以上文獻 均 分析了軸流風機中某一 個 設計要素對其性能的影響，并沒有分析軸流風機的各設計要素對其性能的影響。 Fluent 計算結(jié)果表明， 在設計工況下該 風機的效率會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)來進行 紡織軸流通風機 的設計。 王巍雄 等人 [12]指出 軸流風機葉片成型最好采用 不可展開曲面的極值展開方法 ，同時敘述了 極值展開方法 的操作 步驟 。 E Benini[10]提出在軸流通風機 設計時要采用區(qū)間流量而不是設計點來設計風機的效率。 而若流型系數(shù)? ≠ 1 即可控渦設計時， 該設計葉片 吸力邊邊界層內(nèi) 的 流體徑向向外