小間隙無葉風扇流場分析

作者：石家莊風機　　　　　日期：2014-9-19　　　　　瀏覽：1419　　　　　

 

    當網格劃分的不是很好時,或者精確的計算在瑞流中并不是十分需要時,再或者模型中近壁的變量梯度比在k-s模型和k-ro模型中的要小的多時,S-A模型將是最好的選擇。鑒于無葉風扇歡出的氣流具有低瑞流的特點,本文對無葉風扇流場計算采用S-A模型,室內空間下側邊界設置為wall,風機后側邊界設置為inlet vent,其他邊界設為outlet vent (壓強設為大氣壓),采用速度進口邊界條件,速度方向垂直于進口。

 

    流體計算中氣體是否考慮壓縮性的根據是馬赫數M,M<0.3時不考慮氣體的壓縮性,視氣體為不可壓縮,同時對于M<0.3的氣流也不考慮密度變化。無葉風扇出風口氣流平均速度v = |,Q為風扇進口流量,額定流量為0.0265m3/s,0S為出風口面積,因此本例中馬赫數M = ■!^ = 1^: = 0.03 <0.3 (其中a是聲音在 340空氣中的傳播速度)。所以,本文在計算時視氣體為不可壓縮,密度不變。

    在迭代計算的過程中,當標準殘差小于預先給定的殘差值時一般就認為計算已經收斂,而在實際計算中,存在著不同的收斂性判斷準則。本文計算收斂條件為殘差達到e-6,同時檢測風扇出風口前1 m處最大風速和風扇入口全壓。

    當所有物量已不隨計算的迭代而變化,或者在一定的范圍內呈現周期性的波動時,則認為計算問題已經收斂。以收縮角0=20°的無葉風扇為研究對象,設定速度進口,進口流量固定為額定流量(0.0265 mVs)。圖2.10和圖2.11為無葉風扇出風口處流線圖和靜壓圖,由圖可以看出氣體從出風口射出后緊貼收縮弧面石家莊風機廠流動,表現出明顯的科恩達效應;同時由于枯性作用,高速氣流帶動無葉風扇出風口附近的空氣一起向前流動,在出風口附近形成負壓區;在壓差的作用下,負壓區抽吸無葉風扇后部的空氣形成副氣流,風量被放大。由圖2.11還可以看出,無葉風扇內部空問壓力較均勻,在出風口處存在較大的壓力梯度,是無葉風扇主要的阻力區。

    圖2.12和圖2.13分別為Y=0截面流線圖和速度云圖,由圖可以看出,無葉風扇出風口吱出的氣流向前直線流動,不存在像傳統風扇一樣的旋禍,表現出低瑞流、氣流輪廟為線性的優點;同時主風區和周圍氣體存在較大速度梯度,主風區對無葉風扇前方空氣帶動作用明顯,風量被進一步放大。另外由圖還可以看出,雖然無葉風扇內壁面為收縮環面,但氣流并不會匯聚成一點,而是達到一定程度后出現輕微發散,這主要是因為氣流匯聚使風扇軸線附近氣壓增加,阻止氣流繼續匯聚,因此能夠保證主風區面積不至于過小。

    圖2.14為無葉風扇環形腔中間截面速度矢量圖,由圖可以看出來自進口的氣流沖擊無葉風扇環形腔底部后分成兩路,向腔體頂部流動并匯合,過程中腔體不斷通過出風口向外界射流;圖2.15為無葉風扇環形腔中間截面靜壓圖,由看出由于底部氣流的沖擊以及頂部氣流的匯合,造成無葉風扇環形腔底部和頂部靜壓較高,并且在底部兩側出現了兩個低壓區,靜壓由低壓區向環形腔頂部逐漸增大。由于靜壓分布不均,造成出風口射流速度不均勻,圖2.16和圖2.17為X=1 m和X=4rn處截面的速度云圖,由圖2.16可以看出主風區上部風芯片解密速較大,但隨著氣流向前運動,主風區和周圍空氣接觸發生動量傳遞,截面速度分布變得均勻,如圖2,17。由圖2.16和圖2.17可以知道X=1 m處速度最大值為4.26 m/s,遠大于設計指標;X=4 m處速度最大值為0.86 m/s,遠大于0.5 m/s的風速感受點,即在無葉風扇前4 m處依然有較好的吹風效果,證明了帶有收縮內表面無葉風扇設計方案的可行性。