【正文】 本章小結 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果。39。 從表 24 中可見，這兩種不同邊界條件下計算結果 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。（ 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 ， 具體的計算結果也見表 24。~2SH 表示風機出口管 道上圓環(huán)壁面的平均靜壓 。~2SH 表示風機出口管道的平均截面靜壓 ， 39。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。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。 表 22 兩種方案 的數(shù)值模擬結果 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。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。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 。 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，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。 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 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，相關的計算公式可見式 222～ 式 232 所示。 圖 210 為新 T35 軸流風機數(shù)值計算的殘差曲線。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%。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%。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。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)。 圖 29 邊界條件示意圖 Schematic 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。對于 新 T35 軸流風機的數(shù)值模擬來說，該風機的進口邊界應該設置為 質(zhì)量流量進口 ，因為該風機的流量已經(jīng)給出，要計算的是壓力。 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)律的結果。 湍流模式：本文采用標準 kε 雙方程湍流模式來模擬軸流風機在設計工況附近的湍流場。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。 而 如 圖 28所示， 葉片壓力面的 y+值都在 [, ]范圍之內(nèi)，可見 優(yōu)化后 T35 軸流 風機 的 葉片 滿足 風機壁面 y+的要求。 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 。 為了使風機 壁面 的 y+值 在 200 以內(nèi)，在劃分 網(wǎng)格時 需要對 風機壁面 進行網(wǎng)格加密，此加密通過在 風機 計算域內(nèi)定義加密函數(shù)來實現(xiàn)。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。 圖 26 葉輪網(wǎng)格示意圖 Grid map of the impeller 圖 27 葉片吸力邊的 y+ 值 圖 28 葉片壓力邊的 y+值 y+ value of the y+ value of the blade suction side blade pressure side 葉片近壁面的 y+值很重要，其會直接影響風機的 軸功率和效率 。 與結構網(wǎng)格相比，非結構網(wǎng)格彌補了結構網(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構網(wǎng)格進行劃分。 如圖 25 所示 ， 該模型的整機網(wǎng)格為 3149348，進口延伸區(qū)為 708275，集流器為 178589，葉輪體為1143604，出口通道為 605845，出口球體為 496354。 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。 （ 3）葉輪：葉輪直徑為 ，其包括輪轂和葉片，葉片數(shù)為 4 片。 （ 1）進口延伸區(qū)：管道長度為 12m即 15d，其中 d 為管道的直徑。 所謂模型的合理性，就是 為了合理給定 風機的進出口邊界條件而增加的一些計算域，具體是在 風機進口增加一段管道，風機出口用一個半球模擬出口環(huán)境，這樣的處理并沒有增加過多的計算量，反而改善了模擬計算的預測精度。 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 。 因為利用已有的 CAD 軟件進行工業(yè)造型無法滿足計算要求， 這樣本文采用商用 CFD 軟件進行風機的三維 數(shù)值 建模。 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。以低壓軸流風機 的 數(shù)值 建模 為例，如 上 圖 23 所示 。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。 6． 葉片的成型 ：葉片 各基元級確定后，需要將它們堆積起來組成一個葉片，這一過程稱為葉片的成型 [25]。 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。附近時 ，此 葉片具有最佳的氣動特性，相應葉片參數(shù)的計算公式 見式 （ 219） ～ （ 221）所示： ?0 9 ?? RBC y （ 219） 式中： ? —— 攻角， 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。 ； ? ?222222 uz CuCW ??? （ 214） 式中： 2W —— 出口相對速度， m/s； 2u —— 出口圓周速度， m/s。 ?? u2uCH? （ 28） 式中 ： ?—— 流動效率，由經(jīng)驗給出 。 3． 葉片 各 基元級 i 截面上的出口周向速度 ? ?iu rC2 ，出口軸向速度 ? ?iz rC2 和全壓??irH 由徑平衡方程 （ 27） ，能量方程 （ 28） 及流型方程 （ 29） 共同確定 。 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 。 在軸流風機的設計中，軸流風機是否加前后導葉要由 H 值來定，具體為：當?H 時，軸流風機不加前后導葉；當 ~?H 時，軸流風機要加后導葉；當 ?H 時，軸流風機既要加前導葉也要加后導葉。 （ 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 —— 轉速 ， rpm； u —— 圓周速度， m/s； tu —— 葉 頂 圓周速度， m/s。 另外 具體設計時還需 要 選取的 參數(shù) 是輪轂比 ? 、流型系數(shù) ? 、弦長與葉型曲率半徑之比 RB/ 、效率曲線 ? 和升力系數(shù)曲線yC 。 ? ?? ?? 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。 （ 1）流型 系數(shù)的選取 若軸流風機采用合適的流型系數(shù)進行設計，那么其可以最大限度地利用電機輸入的功率，還可以將 電機 輸 入功率最大限度地轉化為軸流風機的氣動功，這樣也就使得軸流風機的風機出口動能即式 （ 2