贯流风机的数值模拟

?? ?摘???? 要 ??? 贯流风机以其流量大，低噪声，送风平稳等优良特性在空调设备和小型送风 设备中广为应用。本文针对家用壁挂式空调器室内机部分，采用贯流风机进行送风的特点，运用FLUENT软件，对2D贯流风机流场模型进行了较成功的数值模拟计算。并与实验和他人的计算结果进行了比较，与实验结果吻合。 同时，对双叶轮风机的流场模型进行了数值计算，并与实验数据进行了比较。对比发现，计算结果与实验结果相吻合。 本文试图通过数值模拟的方法，为贯流风机的设计提供新的方法。 关键词：贯流风机、数值模拟、非结构网格、压力场、速度场。 v:* {behavior:url(#default#VML);} o:* {behavior:url(#default#VML);} w:* {behavior:url(#default#VML);} .shape {behavior:url(#default#VML);} §1.1?? 问题背景 贯流风机是一类特殊的通风机械，与离心式风机、轴流式风机相比较，贯流 风机具有结构简单、体积小、产生的气流平稳、动压系数较高而作用距离较长及噪声低等特点，近来被广泛应用于家用电器和空调设备等低压通风换气的场合，特别是在分体式空调的室内机中。然而由于贯流风机的特殊结构，加上其流动的非对称性与复杂性，使得对其性能的影响因素不甚明了，至今没有公认的设计理论。目前，国内的很多空调厂家都直接引进国外成熟的技术，进行COPY，独立开发的新产品很少，即使凭经验采用实验手段进行开发尝试，也会因为模具成本过高、开发周期过长而造成了巨大的浪费，显然不能满足国内空调市场对其性能提出的要求，更阻碍了国内空调厂家参与国际竞争。因此，对贯流风机的流场从理论上进行分析，搞清其性能的影响因素已成为迫切需要。 近年来，围绕着贯流风机的研究，日本发展的相对较多。村田 暹[1]等人曾进行实验研究，在流场中取几百个点进行多次测量，此项工作大约耗了几千个工作人时，但其结果却不甚理想，得到的只是局部平均和统计意义上的流场信息，缺少对细致和瞬态流场结构的认识，难以有较强的说服力。在数值分析方面有赤池 茂[2]等人所做的工作，采用结构网格，通过映射对圆形求解域进行计算，计算结果尚可。 受我国空调工业现状的的限制，近几年，国内在这一问题上开展的工作较少，且大多是进行工程化的、应用层的半定量的测量与分析，而不是理论上的研究。华中理工大学的游斌、区颖达[4]采用工程分析方法，在大量测量数据的基础上，方差分析得出各参数对性能的影响。上海交通大学制冷研究所的顾健明、陆明琦[3]在《空调用贯流风机设计中的几个问题》文中，用较简单的进出口速度三角形分析，对各参数的选择给出了半定量的确定方法。不过由于贯流风机与轴流风机或离心风机不同，气流流经叶轮时总有一部分处于大攻角流动状态，后缘损失严重，故速度三角形分析给出的结果误差较大，采用一些工程修正可望得以改善。这些研究仅关注进出口的流动状态，未能对内部流场进行分析，因此对总体流动情况缺乏完整的刻画。 各大风机叶轮生产厂家，采用纯工程的手段也对其进行了不少的分析，研究，积累了大量的数据和经验。例如，安徽省天长市的天大集团属下的工程塑料厂，拥有较完备的测试实验室，对每一款新产品进行各方面的测试，积累了大量的数据。这些数据是以后对这一问题进行深入研究的宝贵资料。 §1.2?? 数值计算方法 一、有限差分法 在非线性微分方程的数值求解中，有限差分以其基础深厚、简便高效、计算 量小等优点而占计算流体力学的主导地位，并且其基本理论已发展的较为完善。各种差分格式也发展的较为成熟，比较经典的有以Lax-Windroff格式为代表的中心格式，非中心的Maccormac格式、Warming-Beam格式、TVD格式、ENO格式、通量分裂格式等。由于有限差分格式本质上是使用 这样的差分来代替 ，这种近似是在正交基础上进行的，为了满足贴体性、光滑性，一般要将物理空间的非正交网格进行变换，变换到正交空间进行计算。这种变换的要求使有限差分法对复杂边界条件下的求解难以运用自如，从而限制了有限差分法的应用。 二、有限体积法 有限体积法是一种介于有限差分和有限元之间的方法，其原理是将微分方程在控制体上积分，根据Green定理，将梯度项的体积积分化为面积分，此面积分可用近似代数式来代替，从而使微分方程组离散为代数方程组，求解这个方程组来近似原方程的解。因有限体积法在离散过程进行了较大的近似，所以一般来说，有限体积法的精度没有有限差分的高。但这可通过构造高精度格式、采用预估校正等手段来进行改善。有限体积法的一个突出优点就是有限体积法与非结构网格有机的结合在一起之后，对于复杂几何边界具有良好的贴体性和相当高的计算效率，并能很容易的实现自适应。这是有限差分及一般的结构网格所无法比拟的。 三、非结构网格 在空间离散方面，总体可分为结构网格和非结构网格，（也有两种方法结合的使用，采用多重网格，在近边界区用非结构网格，其它区还用结构网格）结构网格在拓扑上将节点定义在矩形内的格线交点上，他与有限差分与生俱来，对于简单边界，具有良好的适用性，其发展也较为完备。到80年代中期，对于简单边界问题，欧拉方程采用结构网格，用差分法求解已经相当准确高效。但对于复杂边界，结构网格要做到良好的贴体与光滑极不容易，数值求解法遇到了困难。解域空间的合理离散成为问题的关键。由三角形单元（对3D是四面体）构成的非结构网格则完全克服了结构网格的局限，三角形具有天然的贴体性，因而其能较好的覆盖任意不规则的边界区域的单元。由于这一优点，非结构网格处理复杂边界变得十分简单，不仅如此，非结构网格还很容易控制网格的节点密度，甚至可以动态的进行自适应调整，具有结构网格与之难以相比的灵活性。一般说来，对于需要自适应的计算，应考虑采用非结构网格。 §1.3?? 本文的主要工作 本文是以FLUENT软件为计算工具。 首先，对FLUENT软件进行了较为系统的学习与研究，对FLUENT软件有了比较深入地了解。 其次，运用该软件，根据实际的情况来建立贯流风机的模型，设置了边界条件和初始条件，对贯流风机的流场进行了数值模拟计算。 第三，把本次数值计算的结果，与实验数据和其他人做过的数值计算结果进行了对比，总结了在运用FLUENT的过程中的所得与所失，得出了一些结论。 最后，又把贯流风机的模型进行了扩展，改为双风机的模型，对双风机的模型也进行了数值计算，并与实验数据相结合，对比单风机与双风机性能的优缺点。