【正文】 盡管CFXTurboGrid模塊為設(shè)計(jì)者提供了交互式的設(shè)計(jì)環(huán)境，具有設(shè)計(jì)人員熟悉的二維葉片的視窗和一個(gè)二維子午面視窗，可以用來觀察流道網(wǎng)格劃分情況，然而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要獲得一個(gè)高質(zhì)量的網(wǎng)格也并非易事，經(jīng)常需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)整數(shù)據(jù)。在分析流場時(shí)，用CFXTurboGrid模塊獲得高質(zhì)量網(wǎng)格是非常重要的一步。對計(jì)算流體力學(xué)來說，實(shí)際應(yīng)用中三維問題偏多，計(jì)算量一般非常大，合理劃分網(wǎng)格可以大大節(jié)省機(jī)時(shí)，還可以避免自動網(wǎng)格劃分中帶來的過度疏密。另外，曲線應(yīng)盡量光滑，不能過分扭曲。在計(jì)算敏感區(qū)域（壁面附近、尾流塊、外形曲率大的表面）參數(shù)變化梯度大，如果網(wǎng)格太稀疏，則不能捕捉到流場的重要信息，造成誤差大，甚至解不能收斂，故需取較密的一些網(wǎng)格；而在非計(jì)算敏感區(qū)域參數(shù)變化梯度較小，如果網(wǎng)格太稠密，則所耗用的CPU時(shí)間長，故應(yīng)取較稀一些的網(wǎng)格。顯然該扇葉是周期對稱的，因而選用1/5的扇葉進(jìn)行計(jì)算。我們將流線罩與輪轂的圓柱面部分適當(dāng)加長，只取流線罩到輪轂的一小段區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。QS1304風(fēng)扇的扇葉如圖44所示。圖 43 QS1304風(fēng)扇總成的三維圖 確定計(jì)算區(qū)域軸流風(fēng)機(jī)扇葉作為軸流風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著軸流風(fēng)機(jī)的工作性能。扇葉直徑為250mm。圖 42 氣體壓力變化 QS1304軸流風(fēng)機(jī)扇葉內(nèi)部流場數(shù)值模擬 分析對象描述本課題要分析的對象是我公司仿制日本的一款汽車用冷凝器風(fēng)扇（QS1304風(fēng)扇）。因而可取離扇葉入口較近的一段區(qū)域進(jìn)行分析設(shè)定邊界條件，而不會產(chǎn)生較大的誤差；（4）同樣地可看出在距扇葉出口相對較近的一段距離氣體靜壓變化也不大。同時(shí)在風(fēng)機(jī)入口氣流也有較大的突然的轉(zhuǎn)折，同樣說明在風(fēng)機(jī)體積有富裕的情況下，在入口處安裝集流器同樣可以有效的提高風(fēng)機(jī)效率；（3）從圖41可看出在距扇葉入口較近的一段距離內(nèi)流場的流體幾乎平行。該渦流增大了出口氣流的風(fēng)阻，降低了風(fēng)機(jī)出口氣流的動壓。圖41 計(jì)算所得風(fēng)機(jī)的—般流場從—般流場的模擬圖中可以發(fā)現(xiàn)：（1）在風(fēng)機(jī)出口處流體流動的流線可視為隨扇葉一起轉(zhuǎn)動的螺旋線，且從扇葉正面流出的流線切向與扇葉相應(yīng)位置點(diǎn)的切向相垂直。（3）收斂準(zhǔn)則（Convergence Criteria）：選用殘差類型：均方根（RMS）（root of mean square）；。為了保證精度，在流動變化梯度較緩的地方混合因子接近1，在流動變化梯度較快的地方混合因子接近0，以防止不足或過度的混合并且保持應(yīng)有的能量。所以我們采用kw SST來進(jìn)行風(fēng)機(jī)在實(shí)際風(fēng)室式試驗(yàn)裝置狀態(tài)下的流場模擬計(jì)算；求解過程參數(shù)如下：（1）對流方式（Advection Scheme）：由于選用kw SST模型不需要顯式的壁面衰減函數(shù)，選用“高度求解 （High Resolution）”是較好的選擇，因此選用“高度求解”以增強(qiáng)邊界的規(guī)范性。取參考壓力為1atm（1atm＝101325Pa），選用CFX10軟件自帶材料庫中的標(biāo)準(zhǔn)25℃的干燥空氣。為了使問題簡化，我們選用了比較常見的4片扇葉的風(fēng)機(jī)進(jìn)行初步分析，同時(shí)選用1/4扇葉為計(jì)算區(qū)域。 扇葉流場初探為了解風(fēng)機(jī)在實(shí)際風(fēng)室式試驗(yàn)裝置狀態(tài)下的流場，同時(shí)為進(jìn)一步深入計(jì)算提供選用邊界條件的可靠依據(jù)，有必要對一般測試條件下的軸流風(fēng)機(jī)扇葉流場進(jìn)行初步研究。第四章 軸流風(fēng)機(jī)空氣動力性能的數(shù)值模擬 本課題數(shù)值模擬的工作內(nèi)容針對我公司批量生產(chǎn)的QS1304軸流風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行流場數(shù)值模擬，所采用的技術(shù)路線為：首先采用CATIA（V5R14）對風(fēng)機(jī)扇葉進(jìn)行建模；然后采用CFXBladeGen進(jìn)行二次建模；再對不同模型根據(jù)要求的精度分別采用CFXTurboGrid和CFX10兩種軟件進(jìn)行不同方法的網(wǎng)格劃分；然后用CFX10軟件對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬。原因是流速沿直管基本不變，且垂直流入各單元面，這樣，開始迭代計(jì)算時(shí)連續(xù)性誤差（式中的分母）就很小，由于計(jì)算機(jī)精度的限制，后續(xù)的迭代的連續(xù)性誤差（式中分子）已不可能比初始時(shí)小太多。連續(xù)性殘差是計(jì)算時(shí)經(jīng)常監(jiān)控的一個(gè)參量，從上面的定義較難給出連續(xù)性殘差的收斂標(biāo)準(zhǔn)。由于網(wǎng)格質(zhì)量、計(jì)算機(jī)精度等原因，迭代計(jì)算中殘差不可能為0。連續(xù)性方程的相對殘差定義如下： （334）分母表示前M步計(jì)算得到的最大連續(xù)性殘差。CFX采用相對殘差來衡量計(jì)算的收斂。 計(jì)算收斂性判斷在CFX的迭代計(jì)算過程中，可以監(jiān)視各物理量的計(jì)算殘差來判斷解的收斂情況。通過計(jì)算、檢查這些參數(shù)，可以定性地甚至從某種程度上定量地對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評判。對計(jì)算網(wǎng)格的一個(gè)最基本的要求當(dāng)然是所有網(wǎng)格點(diǎn)的雅可比行列式值必須為正，即網(wǎng)格體積必須為正。因此，網(wǎng)格質(zhì)量最終要由計(jì)算結(jié)果來評判?；谟邢拊椒ǖ木W(wǎng)格生成技術(shù)相對非常自由，對生成的網(wǎng)格只要滿足一些形狀上的要求就可以了。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格一樣都屬于貼體網(wǎng)絡(luò)，模型表面網(wǎng)格的好壞直接關(guān)系到空間網(wǎng)格的質(zhì)量，因而它們的模型表面網(wǎng)格必須同時(shí)與網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)氐膸缀瓮庑翁匦韵噙m應(yīng)，為了更好適應(yīng)其中一方面，有時(shí)不得不在另一方面做出讓步，因而往往顧此失彼?，F(xiàn)在比較好的方法技術(shù)是采用混合網(wǎng)格技術(shù)，即先貼體生成能用于粘性計(jì)算的四邊形或三棱柱網(wǎng)格，然后以此為物面邊界，生成三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法的優(yōu)勢在于它易于生成面附近的邊界層網(wǎng)格，有許多成熟的計(jì)算方法和比較好的湍流計(jì)算模型，因此它仍然是目前復(fù)雜外形飛行器氣動力數(shù)值模擬的主要方法，計(jì)算技術(shù)最成熟。在本課題中，除對扇葉周圍流場的網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)以外，其余部分的網(wǎng)格均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)。其它的網(wǎng)格生成方法：二維到三維投影的網(wǎng)格生成方法：對比較規(guī)則的三維區(qū)域，首先在平面上生成三角形或四邊形網(wǎng)格然后再映射到三維的各個(gè)層面，連接各個(gè)層面就生成了三維的網(wǎng)格剖分。這種方法生成的速度比較快，但是生成的網(wǎng)格很難達(dá)到完全的六面體，會剩下部分的四面體，四面體和六面體之間需要金字塔形的網(wǎng)格來連接。部分四面體網(wǎng)格生成器雖然已經(jīng)達(dá)到了使用的階段，但是對任意幾何體的剖分仍然沒有解決，現(xiàn)在的解決方法就是采用分區(qū)處理的辦法，將復(fù)雜的幾何區(qū)域劃分為若干個(gè)簡單的幾何區(qū)域然后分別剖分再合成，對凹區(qū)的處理更是如此。 空間的四邊形網(wǎng)格生成方法到現(xiàn)在還是主要采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的網(wǎng)格生成方法。它的優(yōu)點(diǎn)是生成的四邊形的網(wǎng)格質(zhì)量好，對區(qū)域邊界的擬合比較好，最適合流體力學(xué)的計(jì)算。采用從區(qū)域的邊界到區(qū)域的內(nèi)部逐層剖分的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是首先就得到了區(qū)域內(nèi)的整體的網(wǎng)格尺寸的信息；缺點(diǎn)是生成的網(wǎng)格質(zhì)量相對比較差，需要多次的修正，同時(shí)需要首先生成三角形網(wǎng)格，生成的速度也比較慢，程序的工作量大，對四邊形網(wǎng)格尺寸梯度的控制，一直是四邊形網(wǎng)格生成技術(shù)的難點(diǎn)。一類是間接法，即在區(qū)域內(nèi)部先生成三角形網(wǎng)格，然后分別將兩個(gè)相鄰的三角形合并成為一個(gè)四邊形。曲面三角形網(wǎng)格生成方法主要有兩種，一種是直接在曲面上生成曲面三角形網(wǎng)格；另外一種是采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)耦合的方法，即在平面上生成三角形網(wǎng)格以后再投影到空間的曲面上，但這種方法會造成曲面三角形網(wǎng)格的扭曲和局部拉長，因此在平面上必須采用一定的修正技術(shù)來保證生成的曲面網(wǎng)格的質(zhì)量?；贒elannay準(zhǔn)則的網(wǎng)格生成方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快，網(wǎng)格的尺寸比較容易控制，缺點(diǎn)是對邊界的恢復(fù)比較困難，很可能造成網(wǎng)格生成的失敗，對這個(gè)問題的解決方法現(xiàn)在正在討論之中。 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)的分類，可以根據(jù)應(yīng)用的領(lǐng)域分為應(yīng)用于差分法的網(wǎng)格生成技術(shù)（常常稱為grid generation technology）和應(yīng)用于有限元方法中的網(wǎng)格生成技術(shù)（常常稱為mesh generation technology）。需要解決的問題還非常多。從現(xiàn)在的文獻(xiàn)調(diào)查的情況來看，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)中只有平面三角形的自動生成技術(shù)比較成熟（邊界的恢復(fù)問題仍然是一個(gè)難題，現(xiàn)在正在廣泛討論），平面四邊形網(wǎng)格的生成技術(shù)正在走向成熟。到90年代時(shí)，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的文獻(xiàn)達(dá)到了它的高峰時(shí)期。從定義上看，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有相互重疊的部分，即非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中可能會包含結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的部分。 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格同結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的定義相對應(yīng)，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指網(wǎng)格塊域內(nèi)的內(nèi)部點(diǎn)不具有相同的毗鄰單元。對于三維復(fù)雜外形繞流，劃分的子塊可能上百塊，合理處理塊與塊之間的邊界就變得非常繁瑣，往往需要付出大量的手工勞動。為了提高計(jì)算的精度，要求塊與塊之間的連接應(yīng)盡量光滑，這給網(wǎng)格生成帶來諸多限制和不便。它們都屬于分區(qū)網(wǎng)格生成方法，且與流場的分區(qū)計(jì)算方法以及并行計(jì)算方法密切相關(guān)，并構(gòu)成這些算法的基礎(chǔ)。近十多年來發(fā)展了不少新的分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。 分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方法將原始的物理區(qū)域按不同的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分成若干區(qū)域塊，每個(gè)單塊網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，易于生成貼體網(wǎng)格，然后合并這些單域貼體網(wǎng)格來形成復(fù)雜外形的空間網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成技術(shù)主要有：代數(shù)網(wǎng)格生成方法和PDE網(wǎng)格生成方法。尤其是隨著近幾年的計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法的快速發(fā)展。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有很多優(yōu)點(diǎn)：它可以很容易地實(shí)現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適于流體和表面應(yīng)力集中等方面的計(jì)算；網(wǎng)格生成的速度快；網(wǎng)格生成的質(zhì)量好；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單；對曲面或空間的擬合大多數(shù)采用參數(shù)化或樣條插值的方法得到，區(qū)域光滑，與實(shí)際的模型更容易接近。下面就簡要介紹一些這方面的情況。網(wǎng)格剖分技術(shù)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史了。有限差分，有限體積和有限元等數(shù)值方法都是通過這種方法來實(shí)現(xiàn)的。對于逆流的流向，如果是絕對速度表達(dá)式，那么絕對速度垂直于壓力出口，若使用相對速度表達(dá)式，則相對速度垂直于壓力出口。當(dāng)壓力出口有逆流時(shí)，靜壓就是總壓。在旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系中對于壓力邊界條件有如下限制：在壓力入口上的總壓和流動方向，假如速度表達(dá)式中的速度是絕對的，應(yīng)該定義成絕對的；如果速度表達(dá)式中的速度是相對的，總壓和流動方向應(yīng)該相對于旋轉(zhuǎn)參考系。在這種情況下，因?yàn)檗D(zhuǎn)子或者扇葉周期性的掠過求解域，相對慣性參考系來講，流動是不穩(wěn)定的。如圖33（b）所示[11]。(a) 壁面函數(shù)法對應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)%%%%%%%%%%%%%%%(b) 低Re數(shù)kε模型對應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%過渡層與粘性底層%%%%