【正文】 實驗特性與仿真特性的對比分析；通過對改進前后的扇葉進行扇葉送風的實驗，對比實驗數(shù)據(jù)與模擬計算結果，初步證明了本文數(shù)值模擬方法的正確性與可行性，并基于本文分析的結果提出了一些有助于以后扇葉設計的意見和建議；研究了扇葉在工作狀態(tài)下的簡單變形分析和簡單模態(tài)分析。軸流風機內(nèi)部流場的研究，為掌握軸流風機空氣動力性能及優(yōu)化風機的過流部件提供了可靠的依據(jù)；對改善風機性能提出有效的方法，對國民經(jīng)濟的發(fā)展也有著極其深遠的意義。因其結構簡單、使用方便，它在汽車領域中發(fā)揮了巨大作用。在初步明確了風機各部分對扇葉流場及風機性能的影響后，重點對風機的關鍵零件——扇葉進行了比較細致的分析。3. Study the flow field of QS1304 fan lamina of our Corporation under the experimental status, thus, provide an improved scheme and, simultaneously, carries out the putation and parative analysis between the fan39。面對這種嚴峻的態(tài)勢，提高我國汽車工業(yè)的自主開發(fā)能力已是刻不容緩的大事。軸流風機作為一種低揚程風機，其扇葉作為軸流風機的關鍵部件，其性能直接影響著軸流風機的工作性能。該課題的研究成功，將有利于我公司掌握扇葉分析的初步技術，為我公司對類似產(chǎn)品的獨立設計能力打下良好的基礎。但是如果對結果精度要求過高，則存在對原型機依賴大，且對不準確部分要依靠電機及風道和前、后導葉進行調(diào)整來滿足要求的弊病，而且該方法容易將風機整體體積變大，效率降低。導葉內(nèi)的流態(tài)及動能回收情況決定了風機內(nèi)部的水力損失，對風機的性能有明顯影響，尤其是對于低揚程風機，影響就更為顯著[1]。由于軸流風機一般主要用于民用換氣用風扇，故要求不高，因而該類風機目前國內(nèi)主要按類比設計的方法進行設計，很少采用先進的計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的計算方法。近年來隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)值分析、流體力學等學科的完善，直接用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立偏微分方程組逐步得以實現(xiàn)。在此之前，航空和航天工程一直較重視CFD 技術，并早已研制出用于氣動設計的專業(yè)性應用軟件包。此外，前、后處理也顯得十分棘手。這些結果包括整個氣流范圍內(nèi)三個部件的速度場、壓力場及各種力。而模型試驗具有費用昂貴、試驗周期長等缺點，使得近年來模擬仿真技術逐步成為流體力學發(fā)展的重要分支。對于扇葉的湍流噪聲本課題不進行分析研究。葉輪主要由葉片和輪轂組成。導葉導葉對風機性能有重要影響，它可分前導葉與后導葉。下面分別介紹風機這些主要的性能參數(shù)。流量風機的流量一般是指單位時間內(nèi)流過風機流道某一截面的氣體容積，也稱風機的送風量。流道某一截面上垂直于壁面的氣體壓力。（2）風機的壓力，它代表了單位體積氣體風機內(nèi)獲得的能量。功率風機的功率可分為風機的有效功率、軸功率和內(nèi)部功率。效率風機在把原動機的機械能傳遞給氣體的過程中，要克服各種損失而消耗一部分能量。風機靜壓有效功率與風機軸功率之比，定義為風機靜壓效率。轉(zhuǎn)速風機的流量、壓力、功率等參數(shù)都隨著風機的轉(zhuǎn)速而改變，所以風機的轉(zhuǎn)速也是一個重要的性能參數(shù)。但實驗證明，在設計工況下液體質(zhì)點的徑向運動速度非常小，可忽略不計，所以該假定仍有一定程度的精確性。但對扇葉液流的實測表明，軸面速度和速度環(huán)量分布沿徑向并非均布[10]。此后，對于平面葉柵的試驗研究及理論研究有了很大的發(fā)展，在這基礎上建立了軸流通風機葉片環(huán)的葉柵設計方法。由于以上的假定，葉片的設計可按單個翼型設計，然后考慮翼型間的相互影響而加以必要的修正，而修正的數(shù)據(jù)是由許多實驗得來的。也就是說，設計的新風機與模型風機兩者的過水機構（扇葉、導葉等）之間要符合幾何相似、運動相似、動力相似條件且比轉(zhuǎn)數(shù)相等，這兩臺水風機的性能也一定相似。第三章 基本物理模型 流體動力學控制方程流體流動要受物理守恒定律的支配，基本守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。p710 質(zhì)量守恒方程任何流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。 動量守恒方程動量守恒定律也是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。 能量守恒方程能量守恒定律是包含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律。但是，這樣得到的能量守恒方程并不是很好用，一般是從中扣除動能的變化，從而得到關于內(nèi)能i的守恒方程。綜合各基本方程（32）、（33a）、（33b）、（33c）、（34），發(fā)現(xiàn)有u、v、w、p、T和ρ六個未知量，還需要補充補充一個聯(lián)系p和ρ的狀態(tài)方程（state equation）： （36）該方程對理想氣體有： （37）其中R是摩爾氣體常數(shù)。根據(jù)組分質(zhì)量守恒定律，可寫出組分s的組分質(zhì)量守恒方程（species massconservation equations）： （38）式中，cs為組分s的體積濃度，ρcs是該組分的質(zhì)量濃度，Ds為該組分的擴散系數(shù)，Ss為系統(tǒng)內(nèi)部單位時間內(nèi)單位體積通過化學反應產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量，即生產(chǎn)率。 三維湍流模型湍流是自然界非常普遍的流動類型，湍流運動的特征是在運動過程中液體質(zhì)點具有不斷的互相混摻的現(xiàn)象，速度和壓力等物理量在空間和時間上均具有隨機性質(zhì)的脈動值。湍流會影響到其它的物理現(xiàn)象如浮力和可壓縮性。連續(xù)性方程和應用雷諾方程中除了三個速度分量和壓力以外，又增加了六個未知數(shù)，即雷諾應力項，從而四個方程中有10個未知數(shù)，形成湍流基本方程的不封閉問題。自20年代以來，解決湍流問題的途徑主要是沿著半經(jīng)驗理論的方法發(fā)展的，它在湍流的計算中還被廣泛應用。為了選擇最好的模型，需要了解不同條件的適用范圍和限制。1925年，普朗特提出混合長理論，用混合長概念求解渦粘度。1945年，普朗特提出一個模型。1951年，Rotta放棄了Boussinesq假設，提出二階矩封閉模型。1950年代后各種模型的發(fā)展如下：代數(shù)模型1956年，Van Driest針對混合長模型提出一個目前被廣泛使用的粘性耗散項。在1968年斯坦福湍流邊界層計算大會上被證明是此類計算中與試驗結果最接近的模型。其中最引人注目的模型是Launder和Spalding于1972年提出的kε模型。從1877年開始至今的時間里，所提出的主要三維湍流數(shù)值模擬方法及相應的湍流模型可用圖31[11]簡要表示。隨著現(xiàn)代計算機的發(fā)展和先進的數(shù)值方法的研究，DNS方法已經(jīng)成為解決湍流的一種實際的方法。大渦模擬方法（LES方法）這是一種折中的方法，即對湍流脈動部分地直接模擬，將NS方程在一個小空間域內(nèi)進行平均（或稱之為濾波），以使從流場中去掉小尺度渦，導出大渦所滿足的方程。所以亞格子模型具有更大的普適性，比較容易構造，這是它比雷諾平均方法要優(yōu)越的地方。在CFX中，標準ke模型自從被Launder 和 Spalding提出之后，就變成工程流場計算中主要的工具了。ke模型最初的發(fā)展是為了改善混合長（mixinglength）模型和避免復雜流動中湍流長度尺度的代數(shù)表示（algebraic prescription）。該模型對較小壓力梯度（relatively small pressure gradients）下的自由剪切流（freeshearlayer flows）具有較好的結果。標準kw模型標準kw模型是基于Wilcox kw模型，它是為考慮低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流傳播而修改的。已經(jīng)證明Wilcox kw模型在粘性子層比ke具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性。渦粘性定義為湍動能k和比耗散率w的函數(shù) （312）k和w的輸運方程為 （313） （314）（2）模型常數(shù)和參數(shù)模型中各常數(shù)的定義為 。為了有效結合kw和ke模型，統(tǒng)一寫成kw形式。SST模型常數(shù)：a1=；β*=； k=。當然，湍流還受到壁面其他的一些影響。如果近壁面的網(wǎng)格劃分足夠好，SpalartAllmaras和kw模型可以用來解決邊界層的流動。為了用公式描述粘性底層和對數(shù)律層的流動，現(xiàn)引入兩個無量綱的參數(shù)u+和y+，分別表示速度和距離： （328） （329）其中u是流體的時均速度，uτ是壁面摩擦速度uτ＝(τw/ρ)1/2，τw是壁面切應力，Δy是到壁面的距離，μ為流體的動力粘度。 壁面方程和近壁面模型“壁面函數(shù)法”實際上是一組半經(jīng)驗的公式，并不能解決受粘性力影響的區(qū)域（粘性底層及過渡層），它將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)待求的未知量直接聯(lián)系起來。在劃分網(wǎng)格時，不需要在壁面內(nèi)加密，只需要把第一個內(nèi)節(jié)點布置在對數(shù)律成立的區(qū)域內(nèi)，即配置到湍流充分發(fā)展的區(qū)域，如圖33（a）所示。為了使基于kε模型的數(shù)值計算能從Re數(shù)區(qū)域一直進行到固體壁面上（該處Re為零），有許多學者提出了對高Re數(shù)kε模型進行修正的方法，使修正后的方案可以自動適應不同Re數(shù)的區(qū)域。然而，在不考慮靜止部件的情況下，取與旋轉(zhuǎn)部件一起運動的一個計算域，那么相對這個旋轉(zhuǎn)參考系（非慣性系）來講，流動就是穩(wěn)定的了，這樣就簡化了問題的分析。在絕對參考系中如果用絕對速度，那么靜壓就是總壓，同樣在相對坐標系中如果使用相對速度，認為靜壓就是總壓。這些數(shù)值方法的非常重要的一個部分就是實現(xiàn)對求解區(qū)域的網(wǎng)格剖分。 結構化網(wǎng)格從嚴格意義上講，結構化網(wǎng)格是指網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所有的內(nèi)部點都具有相同的毗鄰單元，即網(wǎng)格中節(jié)點排列有序、鄰點關系明確。人們對求解區(qū)域的復雜性的要求越來越高，在這種情況下，結構化網(wǎng)格生成技術就顯得力不從心了。常用的傳統(tǒng)單域貼體網(wǎng)格生成方法可分為代數(shù)網(wǎng)格生成方法、求解橢圓微分方程生成方法和求解雙曲微分方程生成方法以及從求解橢圓微分方程生成方法發(fā)展而成的求解拋物微分方程生成方法。對于分區(qū)對接網(wǎng)格方法，雖然網(wǎng)格塊之間的關系和數(shù)據(jù)交換比較簡單，但相連網(wǎng)格塊之間必須共用網(wǎng)格線（二維）或網(wǎng)格面（三維）。為了利用結構化網(wǎng)格的優(yōu)點，在本課題就是通過CFXTurboGrid生成的分塊結構化網(wǎng)格的分區(qū)對接網(wǎng)格方法對于復雜的幾何塊進行分塊結構網(wǎng)格的構造，從而實現(xiàn)對扇葉流場的研究。非結構化網(wǎng)格技術從六十年代開始得到了發(fā)展，主要是彌補結構化網(wǎng)格不能夠解決任意形狀和任意連通區(qū)域的網(wǎng)格剖分的缺陷。而空間任意曲面的三角形、四邊形網(wǎng)格的生成，三維任意幾何形狀實體的四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格的生成技術還遠遠沒有達到成熟。非結構化網(wǎng)格生成技術還可以從生成網(wǎng)格的方法來區(qū)分，從現(xiàn)在的文獻資料所涉及的情況來看，主要有以下一些生成方法：對平面三角形網(wǎng)格生成方法中，比較成熟的是基于Delaunay準則的一類網(wǎng)格剖分方法（如BowyerWatson Algorithm和Watson’s Algorithm）和波前法（Advancing Front Triangulation）的網(wǎng)格生成方法；另外還有一種基于梯度網(wǎng)格尺寸的三角形網(wǎng)格生成方法，這一方法現(xiàn)在還在發(fā)展當中。 平面四邊形網(wǎng)格的生成方法有兩類主要的方法。另外一類是直接法，二維的情況稱為鋪磚法（paving method）。缺點是生成的速度慢，程序設計復雜。六面體的網(wǎng)格生成技術主要采用的是間接方法，即以四面體網(wǎng)格剖分作為基礎，然后生成六面體。這種方法基于黎曼空間的網(wǎng)格生成，目前應用非常廣泛。非結構化網(wǎng)格方法的一個不利之處就是不能很好地處理粘性問題，在物面層內(nèi)只采用三角形或四面體網(wǎng)格，其網(wǎng)格數(shù)量將極其巨大。 網(wǎng)格的質(zhì)量評判應用于差分計算領域的網(wǎng)格除了要滿足塊域的幾何形狀要求以外，還要滿足某些特殊的性質(zhì)（如垂直正交、與流線平行正交等），因而從技術實現(xiàn)上說就要更困難一些。但是誤差分析以及經(jīng)驗表明，CFX計算對計算網(wǎng)格有一些一般性的要求，例如光滑性、正交性、網(wǎng)格單元的正則性以及在流動變化劇烈的塊域分布足夠多的網(wǎng)格點等。有限元關于插值逼近誤差估計的理論，對網(wǎng)格單元質(zhì)量的品質(zhì)給出了基本的規(guī)定：即每個單元的內(nèi)切球半徑與外切球半徑之比，應該是一個適當?shù)?、與網(wǎng)格疏密無關的常數(shù)。φ的相對殘差定義如下： （333）但對于連續(xù)性的判斷例外。一般物理量殘差收斂標準可設置為103以下，能量方程105以下。對于解是否收斂，除了看殘差外，還要看關鍵變量在特定截面上的平均值是否有大的波動，如進口面的壓力波動等。為了與風機在實際測試情況—致，我們首先選用了相對較大的空間，結合風機測試方法選用了與測試口部結構類似的入口形狀，并在風機出口處考慮了較大的空間。選用入口總壓條件，壓力相對值為0Pa；由于出口邊界區(qū)域較大，因而采用出口開放的邊界條件，壓力相對值為0Pa；由于kw SST（剪切應力輸運模型）不需要顯式的壁面衰減函數(shù)，且對于比較緩的逆壓梯度流動，該模型在對數(shù)區(qū)域給出的結果和實驗數(shù)據(jù)較為符合，因此它可以很好地模擬葉片壁面對流體通過剪切帶動空氣流動的力量傳遞過程。（2）收斂控制（Convergence Control）：求解器的時間步長設為：自動調(diào)整時間步長；最大迭代次數(shù)為600次；長度尺度選項為：較小的（Conservative）。該結果與用傳統(tǒng)扇葉分析時采用的速度三角形的假設結果一致，也從側面說明了該計算結果的正確性；（2）從風機出口流出的氣流與電機尾部的滯留空氣相互作用產(chǎn)生一紡綞形的渦流。從圖42可看出從氣流入口到扇葉段氣體總壓變化不大。該風扇的整體三維圖如圖43所示。因而扇葉的分析是至關重要的。這樣也避免了對固定電機用的從流線罩到電機固定架的三個支撐結構進行網(wǎng)格劃分。因此，應根據(jù)需要安排網(wǎng)格疏密。為了比較精確可靠地得到與試驗效果相近的結果，我們采用CFXTurboGrid進行網(wǎng)格劃分。高正交網(wǎng)格和高效展玄比是高質(zhì)量網(wǎng)格的2個基本要素，它直接影響到計