基于FLUENT的叶轮机械内部流场的模拟研究

　　　　　　　　　　　　　　　　　毛　君　张利蓉　丁　飞/辽宁工程技术大学机械工程学院

　　　　　　　　李　蕾/沈阳航空工业学院机械工程系摘要:介绍了FL U EN T 软件的主要特点及其在

叶轮机械领域的应用情况,并且以某轴流风机为例,用该软件进行数值模拟,分析其内部流场变化情况。通过这种模拟,能真实反映叶轮机械内部的复杂流动,为叶轮机械的设计和改进提供理论依据。

关键词:叶轮机械;内部流场;模拟中图分类号:TH452　　　文献标识码:B 文章编号:1006-8155(2007)05-0010-03Simulation Re search on Internal Flow Field of Turbomachinery Ba sed on F LUE NT

Abstract :This paper introduces the main charac 2teristics of FL U EN T software and its application in turbomachinery field.And set some axial -flow fan as an example ,the internal flow field can be numerically simulated and analyzed by FL U EN T.The simulation result can truly reflect the complex internal flow in the turbomachinery ,which provides theoretical basis for the design and improvement of turbomachinery.

Key words :turbomachinery ;internal flow field ;simulation

1　CFD 技术在叶轮机械中的应用

CFD (计算流体动力学)是通过计算机数值

计算和图像显示,对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析,它适应性强,应用面广。近十多年来,CFD 有了很大的发展,替代了经典流体力学中的一些近似计算算法和图解法,过去的一些经典教学试验,如:Reynolds 试验,现在完全可以借助CFD 手段在计算机上试现。所有涉及流体流动、热交换、分子运动等

现象的问题,几乎都可以通过计算流体力学的

方法进行分析和模拟。CFD 不仅作为一个研究工具,而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋、结构工程及工业制造等领域发挥作用。其中,叶轮机械内部的流体运动是典型应用场合之一。

传统叶轮机械的设计是以试验为基础的设计,设计周期长,费用较高,CFD 的运用则改变了传统的设计过程,由于CFD 软件可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场及浓度场等的时变特性,因而不仅可以准确预测流体机械的整体性能,还可以很容易从对流体的分析中发现产品或工程设计中的问题,减少未预料到的负面影响,这样产品设计或优化对试验的依赖性大为减少,能够显著缩短设计周期,降低费用。

叶轮机械主要是以叶片旋转输送流体的机械,设计和优化的最终目的是高效的输送流体。因此,弄清楚叶轮机械内部流体的流动情况,对设计和改进叶轮机械的效率有着重要的作用。2　FL U EN T 软件的主要特点

FL U EN T 软件是美国FL U EN T 公司经过

多年开发改进的一种适用范围广泛、功能强大、适合于工程问题计算的计算流体力学(CFD )软件。FL U EN T 是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD 软件之一。

FL U EN T 软件的结构由前处理器G AMB IT 、计算处理器、后置处理器三大模块组成。G AMB IT 作为专用的前处理软件,它具有完整的建模能力,能够准确地模拟出分析对象的几何外形;具有强大的网格生成能力,它提供

收稿日期:2007-03-10　阜新市　123000

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01—风机技术　2007年第5期/试验研究

的非结构网格生成程序、网格的自适应技术和混合网格与附面层内的网格功能对解决各种复杂外形的流动非常有效;还具有丰富的CAD 接口,可以读入Pro/E 、U G 、AutoCAD 等多种软件的三维几何模型和ANSYS 等多种CAE 软件的网格模型。

FL U EN T 软件能推出多种优化的物理模型,如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等

。在最新的FL U EN T 软件中,还加入了噪声模型。对每一种物理问题的流动特点都有适合的数值解法。FL U EN T 软件的后置处理器具有三维显示功能,可以展现各种流动特性,有的还能以动画的形式演示非定常过程。FL U EN T 软件的基本程序结构如图1

。

图1　基本程序结构

3　

实例模拟3.1　模型的建立

以某矿用隔爆局部轴流风机为对象,用FL U EN T 软件对其内部流场进行模拟。

原始参数:

全压3560Pa ;风量350m 3/min ;全压效率≥80%;噪声L SA ≤25dB ;电机功率30kW ;

电机转速2943r/min ;以及叶片截面数据、轮毂半径等参数。由于篇幅缘故,在此不一一列出。

根据已知参数建立风机简化模型,见图2。

经过进一步的简化、将轴流风机内部空间的流体实体化、去除原模型部分、分割实体、再次简化等步骤后进行网格划分和边界条件的设置,主要设置一些边界的压力进口及出口以及转子和静子的旋转方式等。最为重要的是要把几个周期性边界(periodic )面设置为旋转模式。

网格划分结果见图3。

图2　整体模型

图3　网格化的叶轮机械模型

3.2　数值计算

考虑到所计算的风机进出口温升很小,同

时流速不高,所以把介质看作是不可压缩气体,在对不可压缩流体的N -S 方程求解时,采用SIMPL EC 算法解决速度与压力的耦合问题。风机内的流态为湍流,在计算时采用RN G κ-ε模型。对近壁区域,采用函数法进行处理。

图4是转子叶片和轮毂的全压等高线图,可以看出,由于叶片的运动,高压发生在转子叶片的导入边。

图4　转子叶片和轮毂的全压等高线

图5～图7分别给出了风机内部流场的静压、动压和全压图,从图中看出风机内部压力的

分布情况。

(下转第29页)

文件导入G ambit 中,建立各部件三维实体模型,结果如图3所示

。

图3

　各部件三维实体模型

3　结论

空调用多翼离通心风机几何建模的参数化,可以实现针对各种设计参数的多翼离心通

风机进行快速几何建模,这极大地缩短了前处理时间,提高了CFD 分析的效率,并为进一步实

现空调用多翼离心通风机的优化设计打下了坚实的基础。

参

考文献

[1]武晓芳,区颖达.空调用多翼离心风机叶轮的性能预估

[J ].华中科技大学学报,2003(10):69-71.

[2]W.N.Dawes ,P. C.Dhanasekaran ,A. A.J.Demargne ,

W.P.K ellar ,A.M.Savill.Reducing Bottlenecks in the CAD -to -Mesh -to -Solution Cycle Time to Allow CFD to Participate in Design.Journal of Turbomachinery ,Transac 2tion of ASME ,J uly 2001,Vol.123:552-557.

[3]张师帅,罗亮.空调用贯流风机叶轮几何建模的参数化

[J ].风机技术,2006(5):14-16.

[4]李庆宜.通风机[M ].北京:机械工业出版社,1981.

(上接第11页)

图5　轴流风机动压

图6　轴流风机全压

图7　轴流风机静压

4　结论

介绍了CFD 技术的一般结构以及发展状

况,分析了作为主流CFD 软件FL U EN T 的主要特点,最后举例说明了FL U EN T 软件在叶轮机械中应用。通过利用FL U EN T 软件对叶轮机械内部流场的模拟,不仅能得出叶轮机械的整体性能,而且能捕捉到叶轮机械内部流场的许多流动细节和现象,从而可获得影响叶轮机械的规律性的东西,为改进设计,提高叶轮机械性能提供了重要途径和方向。