贯流风机的数值模拟设计
资料包括： 论文(29页11883字)
说明：
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。
Abstract ：Since its well compact design and low noise characteristics, Cross-Flow fan are increasingly used in rear cooling units of minivans. In this thesis, for using the Cross-Flow fan to send air in the family hanging air conditioner, we use the FLUENT software to simulate the flow-field of 2D Cross-Flow fan. And the numerical simulation work was successfully done. Compared with the result of experiment and of other’s, this result of numerical simulation is according with the experiment.
At the same time, we simulated the flow-field of the Double-Fan model, and compared with the result of experiment. We found that the result of simulation is according with experiment.
In this thesis, we want to supply a new method for the design of Cross-Flow fan, using the numerical simulation.
Keyword: Cross-Flow fan, numerical simulation, unstructured grid, pressure field, velocity field.
第一章 绪 论
§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。
摘要
第一章绪论 ………………………………………………………… 1
§ 1.1 问题背景 …………………………………………………… 1
§ 1.2 数值计算方法 ……………………………………………… 2
§ 1.3 本文的主要工作 …………………………………………… 3
第二章 贯流风机的工作原理 ……………………………………… 4
§ 2.1 风机的概述 ………………………………………………… 4
§ 2.2 贯流式风机的工作原理 …………………………………… 5
§ 2.3 贯流式风机叶轮内的流动分析 …………………………… 9
第三章 数值计算 …………………………………………………… 11
§ 3.1 模型的建立及网格的划分 ………………………………… 11
§3.1.1 结构的简化和求解区域的划分 ………………… 11
§3.1.2 求解区域网格的划分 …………………………… 12
§ 3.2 求解方法与过程 …………………………………………… 14
第四章 计算结果与分析 …………………………………………… 15
§ 4.1 压力场的结果与分析 ……………………………………… 15
§ 4.2 流场的结果与分析 ………………………………………… 16
§ 4.3 流量的分析 ………………………………………………… 19
§ 4.4 小结 ………………………………………………………… 19
第五章 双风机的数值计算与结果分析 …………………………… 20
§ 5.1 工业背景 …………………………………………………… 20
§ 5.2 双风机系统的数值计算与结果分析 ……………………… 21
§ 5.2.1 数值计算 ………………………………………… 21
§ 5.2.2 计算结果及分析 ………………………………… 23
§5.3 小结 ………………………………………………………… 27
第六章 经验与总结 ………………………………………………… 28
参考文献 ……………………………………………………………… 30
致谢
参考文献：
（日本）村田 暹，Experimental Study of the Cross Flow Fan。摘自Bulletin of JSME，Vol.19.No.129，March 1976。上海交通大学制冷工程研究所陆明琦、顾建明译。
赤池 茂、北田基博、平等、菊山功嗣，Internal Flow and Fan Characteristics of a Cross-Flow Fan，Jue 1994。
陆明琦、顾建明，Some Issues in Design of the Tangential Fan for Conditioning，July 1996。
游斌、区颖达，影响贯流风机性能的几何因素。华中理工大学，摘自《风机技术》 第六期，1997年12月。
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王晓文、徐庶民、李辉煌、于振华、徐立功、杨基明、徐先桂、嵇成业、李强，贯流风机流场的实验和数值研究，中国科学技术大学，摘自《实验力学》 第十七卷 第一期 2002年3月。
李强，天长集团风机性能测试实验室的测试数据，2001。
于振华，学士学位论文，2000。
作者点评：
贯流风机内的空气流动属于复杂边界条件的复杂流动问题。又由于叶轮是在转动的，属于动边界问题。并且由于流动的非对称性，因此不管是对理论分析，还是对数值计算都产生了很大的困难。
本次数值计算所应用的是FLIUENT6.0计算软件。在应用过程中，对模型的处理，主要的难题在于如何设置，才能使风机叶轮转动起来，建立起动边界问题。在本次的计算当中，采用了两个坐标系，一个是绝对坐标系，另一个是相对转动坐标系。也就是说，把转动的叶轮放到相对转动坐标系中，使之处于相对静止的状态，这样就把运动的问题也看作是“静止”的。这样就成功地实现了动边界条件问题的建立。
FLUENT6.0是一个很方便的流体力学的计算软件，它应用的范围非常之广，而且可视化程度高。现在国内好多家单位都应用了这个软件对流场进行数值模拟，而且，在网上已经有专门的FLUENT讨论专区、FLUENT论坛，便于交流学习心得。
由于使用FLUENT的时间还比较短，对其中的许多精华部分还没能充分的体会。因此，在计算的过程中，遇到了不少的困难。为了得到与实验结果比较接近的数值解，反复多次对初始条件和边界条件作了修改，最终得出了以上所阐述的结果。但此结果与实验的值还是有一定的差距的，有些实验中所得到的一些细节的结果，在本次的数值计算中并没有很清晰地反映出来。实验的主要现象，在数值解中还是比较不错的反映出来了。如果对FLUENT有更深一步的学习与研究，相信贯流风机流场的数值解将会更加的完美。
进行数值计算，其计算结果与实验相符合，并不是数值计算的最终目的。与实验结果相符合，说明模型的建立和求解过程是正确的、可信的。而且，对于数值计算来说，对其模型、工作条件的修改都是很方便的。而空调厂家为了改进风机的性能，需要重新铸模，作出成品来进行试验，如果不成功还要再重复上面的工作。这样做的成本无疑是非常高的，而且浪费了许多的时间。因此，空调厂家迫切需要贯流风机的数值模拟计算。当对一个模型的数值计算，其结果符合空调厂家的要求时，空调厂家就可以根据数值计算的结果来进行试验。这样就大大减少了以前实验的盲目性，节约了成本，有利于空调厂家的发展，增强其市场竞争的能力。所以说数值计算有很强的工业背景。
由于目前国内对贯流风机的研究还很少，特别是在数值计算方面还尚未见到这方面的文献。随着贯流风机问题的日益突出化，这方面的研究会很快多起来，会有越来越多的数值计算方法被用来计算贯流风机问题，精度也会越来越高。如果在今后的计算中，把噪声问题也能够考虑进去，分析贯流风机在转动时，噪声产生的原因及其与流动的关系，这些都将对空调工业的发展起到很大的促进作用。毕竟，如何能够最大限度的降低噪声，也是将来空调发展的必然要求。而且，本次考虑的只是2D问题，把3D问题作了近似的处理与简化。实际的流动总是3D的。尤其是当空调厂家为降低噪声，而采用了斜的叶片设计模型时，沿风机轴向运动的气流就是不可忽略的，这样就不能把问题简化为2D的，而要建立3D模型。与此同时，对数值计算的要求也就更高了。但这对于空调工程的发展要求来说，这又是不可避免的。