【正文】 理是將微分方程在控制體上積分，根據(jù) Green 定理，將梯度項(xiàng)的體積積分化為面積分，此面積分可用近似代數(shù)式來(lái)代替，從而使微分方程組離散為代數(shù)方程組，求解這個(gè)方程組來(lái)近似原方程的解。但這可通過(guò)構(gòu)造高精度格式、采用預(yù) 估校正等手段來(lái)進(jìn)行改善。這是有限差分及一般的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格所無(wú)法比擬的。到 80 年代中期，對(duì)于簡(jiǎn)單邊界 問(wèn)題，歐拉方程采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，用差分法求解已經(jīng)相當(dāng)準(zhǔn)確高效。解域空間的合理離散成為問(wèn)題的關(guān)鍵。由于這一優(yōu)點(diǎn)，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理復(fù)雜邊界變得十分簡(jiǎn)單，不僅如此，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還很容易控制網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)密度，甚至可以動(dòng)態(tài)的進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，具有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與之難以相比的靈活性。 167。 首先，對(duì) FLUENT 軟件進(jìn)行了較為系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與研究，對(duì) FLUENT 軟件有了比較深入地了解。 第三，把本次數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他人做過(guò)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了在運(yùn)用 FLUENT 的過(guò)程中的所得與所失，得出了一些結(jié)論。 第二章 貫流風(fēng)機(jī)的工作原理 167。從能量的角度來(lái)說(shuō)，風(fēng)機(jī)的是一種把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體能量的一種機(jī)械裝備。這三種常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)，其特征、性能的對(duì)比見(jiàn)表 21。氣體在離心式風(fēng)機(jī)中的流動(dòng)先為軸向，后轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇谕L(fēng)機(jī)軸的徑向運(yùn)動(dòng)。 圖 21 離心式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 如軸流式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（圖 22）所示，它的工作原理是：氣流沿軸向進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉片通道，由于葉片與氣體相互作用，氣體被壓縮并沿軸向排出。相對(duì)于離心式通風(fēng)機(jī)而言，軸流式風(fēng)機(jī)具有流量大，體積小，壓頭低的特點(diǎn)。相比離心式和軸流式風(fēng)機(jī)，它具有較大的出風(fēng)面積，動(dòng)壓較高，氣流較穩(wěn)定，而它細(xì)長(zhǎng)的出口截面尤其適用于家用壁掛式空調(diào)器中。 貫流式風(fēng)機(jī)的工作原理 貫流式風(fēng)機(jī)與軸流式或離心式風(fēng)機(jī)不同，是按另一種方式工作的風(fēng)機(jī)。 學(xué)士學(xué)位論文 目錄 蝸舌、 蝸殼是貫流式風(fēng)機(jī)的兩個(gè)重要的組成部分。在蝸舌、蝸殼的共同作用 下，氣流可以沿著較為集中的方向流出。雖然如此 ，速度三角形法仍是分析貫流風(fēng)機(jī)特性的基礎(chǔ)理論，如果加上一些工程修正可以改善分析的結(jié)果，得到比較理想的結(jié)果。 我們可以畫(huà)出第一葉柵和第二葉柵的進(jìn)出口速度三角形。 軸向剖面 側(cè)視圖 學(xué)士學(xué)位論文 目錄 圖 251 葉柵進(jìn)口的速度三角形 圖 252 葉柵出口的速度三角形 根據(jù)動(dòng)量定理， 就整個(gè)葉輪的能量轉(zhuǎn)換而言，只取決于葉輪葉柵總的進(jìn)口和出口因素，而不需要去研究發(fā)生在葉輪內(nèi)的氣流情況。由于進(jìn)出口通道的葉柵具有相同的葉片角 2? ，為研究方便起見(jiàn)，將葉輪葉柵進(jìn)口段（第一葉柵）和出口段（第二葉柵）展開(kāi)成直線(xiàn)，并畫(huà)在一起。 下面我們來(lái)討論兩種情況： 1． 氣流徑向進(jìn)入葉輪，葉輪進(jìn)口弧線(xiàn)和出口弧線(xiàn)相等。 在這種情況下，排氣速度 mc? 比進(jìn)口速度 mc? 高，當(dāng)葉片角 2? 改變時(shí)，滿(mǎn)足 下列情況： 學(xué)士學(xué)位論文 目錄 ..mmmmcccc???? ? 并且扭速不變，即 uc? =const 若進(jìn)口弧線(xiàn)比出口弧線(xiàn)小，亦可得到類(lèi)似的速度三角形。 根據(jù)歐拉方程和式（ 21）有： 22_2 uPcuP tum ?? ??? （ 22） 所以理論壓力系數(shù)為： 2_ucP ut ?? （ 23） 實(shí)際氣流穿過(guò)葉輪時(shí)，流動(dòng)情況復(fù)雜，因此，必須對(duì)上式進(jìn)行修正，實(shí) 際壓力系數(shù)變?yōu)椋? 2_ucP u???? ?? （ 24） 試中： ? 全壓效率； ? 考慮有限葉片影響的修正系數(shù)。 流量系數(shù)的范圍一般為： 小流量風(fēng)機(jī) ~0_ ?Q 中流量風(fēng)機(jī) ~ ?Q 大流量風(fēng)機(jī) ?Q （三） 反應(yīng)度Ω ? ?uuustcucccucccuPP??????????? ????2222222212??? （ 27） 試中 ?c 、 ?c 氣流進(jìn)、出葉輪時(shí)的絕對(duì)速度。 一般，貫流式風(fēng)機(jī)的反應(yīng)度Ω值在零附近，而流量較大的貫流式風(fēng)機(jī)，其學(xué)士學(xué)位論文 目錄 反應(yīng)度一般為負(fù)值。 167。然而，貫流式風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)的氣流的流動(dòng)情況則較為復(fù)雜。 圖 26 葉輪內(nèi)部旋渦示意圖 其中 1蝸舌， 2蝸殼 渦心距葉輪軸心的距離用 R? 表示，其中 ? 為系數(shù)。葉輪內(nèi)部渦結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于貫流式風(fēng)機(jī)的研究具有重大的意義。 設(shè)渦心位于葉輪內(nèi)圓 1D 上的一點(diǎn) O ，即取 1?? ，在內(nèi)圓 1D 上取一點(diǎn) A，其中距 O 點(diǎn)的半徑為 ? 。 由 A 點(diǎn)的速度三角形知 2tan?um cc ? （ 29） 從試（ 28）、試（ 29）可以看出，速度 mc 是按照正切規(guī)律變化的，而且流線(xiàn)成圓弧形。而貫流式風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)等均為其平均值。并且循環(huán)流的 區(qū)域越小，性能越好。為了控制旋渦位置，并減小循環(huán)流的區(qū)域，可以在葉輪采用導(dǎo)向裝置。 第三章 數(shù)值計(jì)算 本次數(shù)值計(jì)算應(yīng)用的是 FLUENT 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，模型的建立用的是 GAMBIT 。 模型的建立及網(wǎng)格的劃分 167。因此，就可以把實(shí)際貫流風(fēng)機(jī)的 3D 流動(dòng)問(wèn)題，簡(jiǎn) 化為 2D 問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在建模的時(shí)候，把整個(gè)風(fēng)機(jī)外殼的進(jìn)口和出口的流道加長(zhǎng)，并且加大進(jìn)口和出口處的流道的寬度。對(duì)于出口處，由于真實(shí)的貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，氣體流過(guò)貫流風(fēng)機(jī)后，經(jīng)過(guò)很短的流道就射入室內(nèi)。 建立模型時(shí)，求解區(qū)域的劃分采用如下辦法：把整個(gè)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)化為三個(gè)求解區(qū)域。由以上的三個(gè)區(qū)域聯(lián)合起來(lái)組成整個(gè)貫流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的求解 區(qū)域。 求解區(qū)域網(wǎng)格的劃分 在以上所建立模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)此模型中，風(fēng)機(jī)是要轉(zhuǎn)動(dòng)的特點(diǎn)，建立以轉(zhuǎn)子、流道及邊界為類(lèi)型的動(dòng)、靜和邊界的三層網(wǎng)格。整個(gè)求解區(qū)域共計(jì)生成了 26592 個(gè)網(wǎng)格單元。所生成的網(wǎng)格見(jiàn)圖 32。由網(wǎng)格圖可以看到，在模型的入口和 出口處的網(wǎng)格比較稀疏，接近風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)網(wǎng)格開(kāi)始加密，在葉片與葉片之間的流道內(nèi)網(wǎng)格是最密的。 學(xué)士學(xué)位論文 目錄 圖 32 計(jì)算網(wǎng)格的劃分 圖 33 風(fēng)機(jī)周?chē)植烤W(wǎng)格放大 學(xué)士學(xué)位論文 目錄 圖 34 葉片附近網(wǎng)格細(xì)節(jié)的放大 167。計(jì)算時(shí)，解的初始條件和邊界條件基 本上是都是參考實(shí)際的工作條件和測(cè)試條件給定的。初始條件與邊界條件的具體設(shè)置為：取進(jìn)口和出口的邊界類(lèi)型都為壓力條件的邊界類(lèi)型，采用一階穩(wěn)定分離計(jì)算，取空氣的密度為： 3mkg ，進(jìn)口和出口處都取 水力直徑： ；湍流密度： 5%；靜壓都為： 1atm；給進(jìn)口處一點(diǎn)動(dòng)壓： pa4101 ?? ；出口動(dòng)壓為： ； 轉(zhuǎn)速為： rpm900 。 學(xué)士學(xué)位論文 目錄 第四章 計(jì)算結(jié)果與分析 按照第三章中所給的初始條件及邊界條件，迭代 2838 步，結(jié)果收斂。 167。 由等壓力線(xiàn)圖可發(fā)現(xiàn)，在靠近蝸舌偏右下方處有一個(gè)很明顯的低壓中心，這說(shuō)明在此處有回流，回流和入流的分離處是高壓，回流所卷成的渦就形成了低壓，氣體的回流在速度矢量圖上將會(huì)很清楚地看到。由于高壓中心的存在，將導(dǎo)致氣流在此高壓中心的后側(cè)（來(lái)流方向）產(chǎn)生回流，使得由此處進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪的流量將非常少。 學(xué)士學(xué)位論文 目錄 圖 41 貫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)等壓力線(xiàn)圖 圖 42 為局部放大的等壓力線(xiàn)圖，在進(jìn)風(fēng)口靠近蝸舌的地方，葉片左側(cè)的壓力大于右側(cè)的壓力，根據(jù)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)），可以推出此處的葉片對(duì)氣流做的是正功。這一點(diǎn)也可以通過(guò)后面的速度矢量圖看出來(lái)。 流場(chǎng)的結(jié)果與分析 圖 4圖 44 為數(shù)值計(jì)算的速度矢量圖。學(xué)士學(xué)位論文 目錄 而在入氣端遠(yuǎn)離蝸舌的地方，也產(chǎn)生了回流，迫使氣流涌向蝸舌處，使得氣流在靠近蝸舌處的流量為最大。出現(xiàn)了這種情況，正好與對(duì)壓力場(chǎng)的分析相一致。不僅如此，由于靠近蝸舌處存在旋渦，氣流在靠近蝸舌處進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)又做了一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得氣流進(jìn)入葉片的方向性變得很差，加大了與葉片之間的攻角，又進(jìn)一步導(dǎo)致了能量的損失。因此，當(dāng)氣流流過(guò)蝸舌后，并不是直接都流向出口，而是有很大一部分要形成回流，與蝸舌上游的氣流相混合，進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪。 圖 451 流場(chǎng)的等壓力線(xiàn)圖 圖 452 流場(chǎng)的速度矢量圖 本文計(jì)算的結(jié)果與圖 45 相比較，結(jié)果是一致的。渦心的位置看上去有一些 差別，這是由于蝸殼的形狀不同造成的。 此次計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是完全符合的（如圖 46）。 圖 461 出煙口放在靠近蝸舌處 圖 462 出煙口放在遠(yuǎn)離蝸舌處 學(xué)士學(xué)位論文 目錄 167。 工程經(jīng)驗(yàn)是：在 0??Q 處附近， ?tP 隨 ?Q 的增大稍有下降，在 ~??Q 的范圍內(nèi)， ?tP 隨 ?Q 的增加線(xiàn)性增加，當(dāng) ??Q 時(shí)， ?tP 迅速下跌。在當(dāng)前所設(shè)的初始條件和邊界條件下，貫流風(fēng)機(jī)的流量為： （即 ）。 167。利用數(shù)值計(jì)算所計(jì)算出來(lái)的流場(chǎng)的結(jié)果，可以為風(fēng)機(jī)葉輪葉片及流道的形狀設(shè)計(jì)提供新的方案，充分適應(yīng)流場(chǎng)，來(lái)減少貫流風(fēng)機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲。充分利用數(shù)值計(jì)算，還可以減少對(duì)貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的成本，有利于我國(guó)空調(diào)工業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)我國(guó)空調(diào)工業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。 工業(yè)背景 隨著空調(diào)工業(yè)的發(fā)展，廣大的空調(diào)用戶(hù)已經(jīng)不再滿(mǎn)足于，目前普通的家用壁掛式空調(diào)單向送風(fēng)的現(xiàn)狀。這也為降溫提供了一種可以考慮的選擇。采用了這樣的葉輪后，當(dāng)風(fēng)機(jī)沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，其中一部分的葉輪起作用。 另一種是：對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪葉片的形狀作修改，這種方法也同樣是采用單風(fēng)機(jī)的形式。只有沿著某一特定的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，此種 圖 51 普通葉型 圖 52 改進(jìn)的葉片模型 葉片才起作用。但這種設(shè)計(jì)也同樣是存在著缺陷的。但卻忽略了對(duì)于貫流風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，葉片的一端既是出口，同時(shí)也是入口。但當(dāng)其分叉端旋轉(zhuǎn)到入口方向時(shí)，他 又變成了入口端。 還有一種方法就是采用雙葉輪風(fēng)機(jī)模型。對(duì)于不同的出氣方向，選用不同的葉輪讓其旋轉(zhuǎn)，就可以達(dá)到上述用戶(hù)的要求。但其流量是不會(huì)受到很大的影響的。 下面就是對(duì)雙葉輪風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析。 雙葉輪風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析 167。仍然采用非結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格，建立以轉(zhuǎn)子、流道和邊界為類(lèi)型的動(dòng)、靜和邊界的三層網(wǎng)格。邊界條件如下給出：取空氣密度 mkg 。工作環(huán)境的壓力為 atm1 。計(jì)算的收斂條件為：連續(xù)性： 310? ；X、 Y 方向的速度： 310? ； k： 310? ； epsilon： 310? 。 學(xué)士學(xué)位論文 目錄 圖 54 雙葉輪風(fēng)機(jī)模型網(wǎng)格的劃分 學(xué)士學(xué)位論文