石家莊風機模型計算

3.7 邊界條件與初始條件
    初始條件和邊界條件是控制方程有確定解的前提，對其的處理，直接影響到計算結果的精度。對于瞬態問題，必須給定初始條件。對于穩態問題，不需要初始條件。本論文研究的三級離心風機內部流道的仿真計算采用穩態仿真，因此只需要給定邊界條件。
邊界條件分為面邊界條件和流體區域條件。面邊界條件又分為流道壁面邊界條件和流道進出口邊界條件，而流體域也有動域即旋轉區域和靜止區域之分。
1、流道壁面
    本文研究的三級離心風機的流道壁面分為兩部分，一部分是各級葉輪葉片的壁面，另一部分是除葉片壁面外的其他流道壁面。
    對于三級葉輪的葉片壁面，都設置為以風機軸旋轉的旋轉壁面，旋轉速度與所處流體域的旋轉速度一致，如圖 3-16 所示。 風機的其它流道壁面是不可變形的固體壁面，因此除葉輪壁面外的其他壁面設為相對邊界內部網格無滑移的固定壁面。
2、流道進口面、出口面
    根據該風機正常工作時進口斷面所處的狀態，采用壓力入口作為入口邊界條件，邊界總壓為一個標準大氣壓。
    風機出口邊界條件采用壓力出口，根據實際工況，給定壓力值。
3、流體域
    流體域分為各級葉輪內部及附近的旋轉域及其它部分的靜止區域。對于旋轉區域流體流動的描述采用動參考坐標系 moving reference frame(MRF)模型，指定旋轉軸和旋轉速度。由于此風機為三級，所以將三級葉輪內部流域及其附近流域流體的流動設為 MRF模型，且每級設置區域的形狀相同，如圖 3-17 所示。計算過程中，為了更快的達到收斂，采用了將轉速逐步加高到所需要的轉速的方法來設置該域的轉速。其它靜域部分采用靜止坐標系。旋轉區域與靜止區域的交接面采用 interface 邊界條件進行上下游的數據交換。
3.8 求解參數設置
3.8.1 求解器的選擇
Fluent6.3 提拱了兩種數值求解方法：基于壓力的求解器和基于密度的求解器。
基于壓力的求解器采用常規意義上的投影方法進行計算，即首先通過動量方程求解速度場，繼而通過壓力方程的修正使得速度場滿足連續性條件，由于壓力方程來源于連續性方程和動量方程，從而保證整個流場的模擬結果同時滿足質量守恒和動量守恒。再通過迭代過程重復求解控制方程直至結果收斂來求解壓力方程和動量方程。
基于密度的求解方法是直接求解瞬態 N-S 方程，將瞬態問題轉化為時間推進的瞬態問題，由給定的初場時間推進到收斂的穩態解。
從傳統上講，基于壓力的求解器是用于低速、不可壓縮流動，基于密度的求解器是針對高速、可壓縮流開發的。
三級離心風機內部流動的介質是理想氣體，因此它是高速、可壓縮的穩態流動。所以本課題選用基于密度的求解器。
3.8.2 湍流模型的選擇
     Fluent 軟件中的湍流模型及其功能如下表 3-2 所示。
選擇模型時主要依靠以下幾點：流體是否可壓、建立特殊的可行的問題、精度的要求、計算機的能力、時間的限制。本文研究的三級離心風機的內部流動屬于流線曲率大、有旋轉和分離的復雜流動，在上述所涉及的湍流模型中，只有 RNG  k-ε模型可以很好的處理流線彎曲程度較大的流動。所以綜合考慮，本文采用的湍流模型為兩方程模型中的 RNG k-ε模型。
3.8.3 其他數值方法的選擇
針對基于密度的求解器，在 Fluent6.3 中提供了兩種通量格式，AUSM 和 Roe-FDS通量格式，AUSM 提供了對不連續激波提供更高精度的分辨率，Roe-FDS 通量格式減小了在大渦模擬計算中的耗散，本文采用 Roe-FDS 通量格式。
Fluent 中提供了多種離散格式對每一個控制方程的對流項進行求解，不同的離散格式對應不同的離散結果，常用的離散格式有一階迎風格式、二階迎風格式、乘方格式和QUICK 格式。一般來講，一階離散的收斂性比二階離散好，但精度稍差，然而考慮到本文研究的三級離心風機的流道較長且形狀復雜，在適當降低精度的情況下，選擇收斂性較好的一階離散格式。
由于本文研究模型的復雜性，考慮到現有資源的限制，將迭代計算的結束判斷標準設為要求所有殘差都小于 10-3，同時要求風機內部流道任意截面的體積流量和平均壓力保持一定值或在某定值周圍進行小范圍的上下波動。
本文進行數值迭代的機器是一臺八核的 PC 機（主頻 2.8GHz，內存為 6G），通過采用“-r6.3.26 3d –t6”命令進行六核并行計算，迭代 140000 次左右各項指標趨于收斂。
3.9 本章小結
     本章詳細介紹了三級離心風機的基本結構及內部流場計算模型的建立過程。首先，介了離心風機的一般結構、類型及本課題研究的三級離心風機的主要結構和性能參數。而后提出了建立計算模型的相關假設，同時根據三級離心風機的具體結構和幾何參數，利用 Pro/E 建立了該風機內部流道的幾何模型，并對應用 GAMBIT 軟件進行網格劃分進行了詳細的介紹。最后通過比較介紹了流場計算前求解器參數的設置，包括求解器的選擇、湍流模型的選擇、通量類型及離散格式的選擇等。