一种基于CFD数据模拟的轴流风机性能评估方法与流程

一种基于cfd数据模拟的轴流风机性能评估方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于cfd数据模拟的轴流风机性能评估方法，本发明属于轴流风机评估技术领域。


背景技术：

2.轴流风机是指气体平行于风机轴流动的风机，通常用在流量要求较大而压差要求较低的场合。普通型轴流风机可用于一般工厂(如猪场通风)、仓库、办公室、住宅内等场所的通风换气，也可用于冷风机(空气冷却器)、蒸发器、冷凝器、喷雾降、等等，也有矿用轴流风机，防腐、防爆型轴流风机采用防腐材料及防爆措施，并匹配防爆电机，可用于输送易爆、易挥发、具有腐蚀性的气体。
3.通常要求轴流风机输送的气体应无显著灰尘，无粘性和纤维物质；电动机直连型温度不超过40℃，皮带传动型温度不超过60℃。输送气体的粉尘量不得超过150mg/m3，轴流风机主要由叶轮、机壳、电动机等零部件组成，支架采用型钢与机壳风筒连接。其中防腐型轴流风机叶轮、机壳均为玻璃钢制成，其它型式轴流风机一般采用钢板制成。当叶轮旋转时，气体从进风口轴向进入叶轮，受到叶轮上叶片的推挤而使气体的能量升高，然后流入导叶。导叶将偏转气流变为轴向流动，同时将气体导入扩压管，进一步将气体动能转换为压力能，最后引入工作管路或工作空间。轴流式风机叶片的工作方式与飞机的机翼类似。但是，后者是将升力向上作用于机翼上并支撑飞机的重量，而轴流式风机则固定位置并使空气移动。轴流式风机的横截面一般为翼剖面。叶片可以固定位置，也可以围绕其纵轴旋转。叶片与气流的角度或者叶片间距可以不可调或可调。改变叶片角度或间距是轴流式风机的主要优势之一。小叶片间距角度产生较低的流量，而增加间距则可产生较高的流量。先进的轴流式风机能够在风机运转时改变叶片间距(这与直升机旋翼颇为相似)，从而相应地改变流量，这种型式称为动叶可调(vp)轴流式风机。
4.厦门某环保技术有限公司(以下简称某公司)生产的轴流风机主要用于猪场等大空间的通风，目前其设计主要依靠经验。为了提高风机设计水平、优化风机性能、缩短研发周期和降低研发成本，在于设计阶段采用计算流体力学(cfd)数值模拟技术(按：此处术语“模拟”和“仿真”同义，均对应英文“simulation”)对风机性能进行模拟，通过对结构参数和运行参数的变参数分析来确定风机性能优化的潜力和路径，为后续风机硬件研制提供指导。
5.但现有技术中针对于轴流风机的仿真评估方法并不成熟主要是现有的轴流风机叶片模型和风道内壁模型所用的参考系不足以满足真实的计算需求；现有的模拟多只考虑风机翼型的模拟计算，这样忽略了风机外壳形状对风机性能得以影响；同时在模拟的过程中人容易忽略空气温度的变化导致风机性能的变化。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种，可以有效解决上述问题。
7.本发明是这样实现的：
8.一种基于cfd数据模拟的轴流风机性能评估方法，包括以下步骤：
9.s1，确定数值模拟模型及方程；基于已有的轴流风机叶片模型建立风道内壁模型；所述风道内壁模型为以风道进出口和风道内壁围成的闭合区域；
10.s2，基于轴流风机叶片模型建立旋转的非惯性参考系，将轴流风机叶片模型转化为单参考系模型；将风道内壁模型转化为多重参考模型；将所述轴流风机叶片模型和风道内壁模型中的空气区域划分为：相对于惯性参考系静止的部分和相对于惯性参考系旋转的部分；
11.s3，将轴流风机叶片模型和风道内壁模型进行网格划分；
12.s4，确定边界条件具体的风道内壁模型进出口风量和压差是通过风机计算得出的，进出口的边界条件为压力出口边界条件，风道内壁面和叶片外壁面的边界条件为壁面边界条件；确定相对于惯性参考系静止的部分和相对于惯性参考系旋转的部分的材料性质；确定相对于惯性参考系静止的部分和相对于惯性参考系旋转的部分的交界处为结合点及旋转参数；最后进行计算最终获取轴流风机性能评估结果。
13.作为进一步改进的，在步骤s1中，确定数值模拟模型及方程包括如下步骤：
14.s11，确定介质假设；
15.s12，确定三维n-s方程；
16.s13，选择至少一个湍流模型。
17.作为进一步改进的，所述s2中，轴流风机叶片模型和风道内壁模型为通用cad模型。
18.作为进一步改进的，所述s2中，将轴流风机叶片模型转化为单参考系模型；将风机流场模型转化为多重参考模型；方式如下：
19.s21，基于叶片是静止，空气相对于静止的叶片旋转,建立起旋转的非惯性参考系；守恒方程因为坐标系的变化将轴流风机叶片模型转化为单参考系模型；
20.s22，基于叶片是静止，边界壁面相对于静止的叶片旋转，建立多重参考模型；守恒方程因为坐标系的变化将风机流场模型转化为多重参考模型。
21.作为进一步改进的，所述步骤s3具体的采用非结构化网格划分法对轴流风机叶片模型和风道内壁模型进行网格划分；轴流风机叶片模型和风道内壁模型的壁面设置边界层网格。
22.作为进一步改进的，所述确定相对于惯性参考系静止的部分和相对于惯性参考系旋转的部分的材料性质具体的相对于惯性参考系静止的部分材料为空气；相对于惯性参考系旋转的部分的材料为空气。
23.作为进一步改进的，所述旋转参数包括旋转轴和旋转速度。
24.作为进一步改进的，所述步骤s4还包括湍流模型校核；具体的包括如下步骤：
25.s41，确定最优湍流模型；
26.s42，校核网格独立性；
27.s43，确定最优网格数目及尺寸。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
29.图1是本发明实施例1轴流风机叶片模型、风道内壁模型示意图；
30.图2是本发明实施例1网格剖视图、模拟出口体积流量随时间步长变化示意图；
31.图3是本发明实施例1模拟结果和实验数据对比示意图
32.图4是本发明实施例2无拢风筒时特征截面压力速度云图；
33.图5是本发明实施例2无拢风筒时特征截面压力速度云图；
34.图6是本发明实施例2无拢风筒时特征截面压力速度云图；
35.图7是本发明实施例2有拢风筒时特征截面压力速度云图；
36.图8是本发明实施例2风机气动性能模拟结果示意图；
37.图9是本发明实施例2不同温度条件下风机性能曲线示意图；
38.图10是本发明实施例2不同安装位置风机性能曲线。
39.图1中轴流风机叶片模型1、风道内壁模型2、相对于惯性参考系静止的部分21、相对于惯性参考系旋转的部分22、a为51型风机叶片示意图、b为建立的轴流风机叶片模型、风道内壁模型示意图；
40.图2中a为网格剖视图、b为模拟出口体积流量随时间步长变化示意图；
41.图3中a为无拢风筒模拟结果和实验数据对比图、b为有拢风筒模拟结果和实验数据对比图；
42.图4中a为入口压力云图、b为入口速度云图、c为出口压力云图、d为出口速度云图；
43.图5中e为中截面压力云图、f为中截面速度云图、g为叶片前缘压力云图、h为叶片前缘速度云图、i为叶片后缘压力云图、j为叶片后缘速度云图、k为叶片前缘速度矢量图；
44.图6中l为叶片后缘速度矢量图；
45.图7中a为入口压力云图、b为入口速度云图、c为出口压力云图、d为出口速度云图、e为中截面压力云图、f为中截面速度云图；
46.图8中a为无拢风筒条件下风机气动性能模拟结果示意图、b为有拢风筒条件下风机气动性能模拟结果示意图；
具体实施方式
47.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
48.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
49.实施例1
50.参照图1所示，s1，确定数值模拟模型及方程；基于已有的轴流风机叶片模型1建立风道内壁模型2；所述风道内壁模型2为以风道进出口和风道内壁围成的闭合区域；
51.需要进一步说明的是本报告中计算用轴流风机为某公司制造的51型风机，其叶片和叶轮如图1a所示，叶片前方导轮和皮带轮对流场影响较小，模拟时忽略其影响。叶轮直径为1290mm,叶片边缘厚度10mm，轴流风机风道内径为1300mm。叶片安装位置距离入口平面500mm；最后建立的轴流风机叶片模型1、风道内壁模型2如图1b所示；由于模拟过程中实际只关心气体部分的运动，因而这里将风道内壁模型限定为风道进出口和风道内壁围成的闭合区域形状；步骤s1的目的在于根据已有的风机翼型，确认合适的风机外壳形状来获得更好的风机性能，此外基于建立的模型在后续的模拟中能够核算由于不同空气温度造成的风机性能变化。
52.步骤s1还具体的包括如下步骤：
53.s11，确定连续介质假设；连续介质假设是宏观下流体力学的一个基础假设，现实中的所有物质都是由粒子组成的，但是宏观视角下引入连续介质可以大大简化模型，并且得到的结果足以满足实际绝大部分场合的需要。需要进一步说明的是现有的研究中科学家需要对流体在介观、微观尺度上进行研究，才渐渐用流体不连续作为建模基础；然而在本实施例中采用连续介质假设是合理的，其原因在于本实施例所评估是流体在轴流风机上的状态，采用连续介质假设可以大幅度提高模拟分析的速度。
54.s12，确定三维n-s方程；需要进一步说明的是对于轴流风机，忽略空气中水蒸汽的影响，假设空气为干空气，此外忽略热效应，即不需要考虑其能量方程。需要说明的是，当进行空气流动模拟涉及到温度变化时，需要补充能量守恒方程，数值模拟可以同时得到流场和温度场。
55.s13，选择至少一个湍流模型。本实施例采用的以下湍流模型：
56.1.spalart-allmaras模型；2.k-ε模型；3.k-ω模型；4雷诺应力模型(rsm)；5大涡模拟模型(les)；需要进一步说明的是，选择何种湍流模型取决于模拟对象的特征，并不存在某一个湍流模型可以适用于所有的对象(几何参数和运行参数)，当有实验数据支持时，通过校模可帮助确定最合适的湍流模型，从而在类似对象的模拟中可以泛化适用；因此此步骤的目的是为了较多的模型中选择其中的几个进行测试，以便在后续中通过湍流模型校核选择最优的湍流模型；
57.s2，基于轴流风机叶片模型建立旋转的非惯性参考系，将轴流风机叶片模型转化为单参考系模型；将风道内壁模型转化为多重参考模型；将所述轴流风机叶片模型和风道内壁模型中的空气区域划分为：相对于惯性参考系静止的部分21和相对于惯性参考系旋转的部分22；
58.需要进一步说明的是两个参考系模型转化的理由在于计算轴流风机时假设叶片本身是静止的，而空气相对于静止的叶片旋转，即建立起一个旋转的非惯性参考系，此时的
守恒方程往往会因为坐标系的变化产生新的源项，简称为srf(single reference frame)模型，即单参考系模型。
59.没有风道的大空间计算轴流风机时可以采用srf进行分析，但是模型中还包括风道内壁模型的影响，在更换旋转坐标系时虽然叶片相对静止了，但是风道内壁模型的边界壁面却是相对旋转的，因而可以将风道内壁模型转化为mrf(multiple reference frame)模型，即多重参考模型，即流场中存在多个相互独立的参考系。
60.s3，将轴流风机叶片模型和风道内壁模型进行网格划分；需要进一步说明的是，目前常用的网格划分方式主要有结构化网格和非结构化网格，结构化网格的特点是网格节点之间的关系是有序且规则的，其优点是可以方便准确的对边界条件进行处理，且具有较高的计算精度。但是对于本报告中涉及的复杂形状往往并不能得到结构化网格。因而本实施例采用非结构化网格，其优点是受划分区域形状影响较小。此外由于流体在近壁面物理性质往往具有较大的梯度，因而这里对风道内壁模型的风道内壁面以及轴流风机叶片模型的叶片外壁面设置了边界层网格来进行处理。若不采用边界层网格，其在后续计算中较容易产生连续性方程不收敛的情况。生成的网格剖视图如图2a所示。
61.s4，确定边界条件具体的风道内壁模型进出口风量和压差是通过风机计算得出的，进出口的边界条件为压力出口边界条件，风道内壁面和叶片外壁面的边界条件为壁面边界条件；确定相对于惯性参考系静止的部分和相对于惯性参考系旋转的部分的材料性质；确定相对于惯性参考系静止的部分和相对于惯性参考系旋转的部分的交界处为结合点及旋转参数；最后进行计算最终获取轴流风机性能评估结果。
62.需要进一步说明的是，由于本实施例中涉及到的流场模拟进出口均为标准状态，即进出口风量和压差是通过内部风机计算得出的，因而这里对进出口均设置为压力出口边界条件，风道内壁面和叶片外壁面设置为壁面边界条件。相对于惯性参考系静止的部分材料为空气，相对于惯性参考系旋转的部分材料为空气，旋转轴为z轴，旋转速度为580rpm。相对于惯性参考系静止的部分和相对于惯性参考系旋转的部分中间交界面选为结合点，这样两个区域计算结果相耦合。
63.上述步骤完成后即可开始模拟分析，请参阅图2b，如图为模拟出口体积流量随时间步长变化，风机旋转过程中，其风量和压头存在一个变化到稳定的过程，在开机瞬间其风量往往很小，运行过程流量变化如图2b所示，经过一定时长风量趋于稳定。
64.所述步骤s4还包括湍流模型校核；其原因在于由于模拟时无法准确的设定进出口的压力差，但是可以比较准确的设定出口背压，因而可以通过调整出口背压来获得对应不同静压差对应的体积流量，再根据实验得到的拟合关系式可以用于有验证模拟模型的精度。具体的包括如下步骤：
65.s41，确定最优湍流模型；
66.需要进一步说明的是，对流场内部风机进行模拟时，可以供选择的流动模型主要有标准k-ε模型、rng k-ε模型和可实现k-ε模型等，近壁模型主要有标准壁面模型和拓展壁面模型等。由于风机流场内部存在因为叶片旋转而产生的二次三维流动，因而标准k-ε模型很难准确的进行计算。本实施例计算选用了基于标准壁面的可实现k-ε模型和基于拓展壁面的可实现k-ε模型以及基于标准壁面的rng k-ε模型进行计算，计算的结果和拟合关系式对比精度以及花费的大致时间在表1中列出。
67.表1 不同湍流模型精度与耗时
[0068][0069]
通过表中数据可以看出基于标准壁面的可实现k-ε模型不论在计算精度还是在计算耗时上均优于其他两种模型，实际上也有学者通过研究现rng模型对高度不稳定流场的捕获能力很差，因而我们后续的计算均基于标准壁面的可实现k-ε模型。此步骤的目的在于解决上述步骤s1中的描述中当有实验数据支持时，通过校模可帮助确定最合适的湍流模型，从而在类似对象的模拟中可以泛化适用；
[0070]
需要进一步说明的是，表1的计算结果其条件和计算机硬件配置如下：
[0071]
(1)有拢风筒，转速n＝580rpm，出口背压pb＝20pa，空气温度ta＝25℃,网格数目722万。
[0072]
(2)计算机硬件为128g内存，e5-2680v4处理器。
[0073]
s42，校核网格独立性；s43，确定最优网格数目及尺寸。两步骤的目的在于优化网格的数量及尺寸；选取合适数目和合适大小的网格从而在占用尽量少的计算机资源的情况下尽可能的保证计算精度。需要进一步说明的是：本实施例中对网格独立性校核有拢风筒，转速n＝580rpm，空气温度ta＝25℃条件，分别选取背压pb＝20pa和pb＝30pa，针对网格数目722万和1891万进行校核。对比其结果发现在背压pb＝20pa时，网格数目722万约耗时13h，网格数目1891万约耗时49h，二者计算结果相差为2.46％。在背压pb＝30pa时，网格数目722万约耗时12h，网格数目1891万约耗时50h，二者计算结果相差为1.11％。因此可以认为722万的网格数目已经可以保证计算精度，本实施例后续计算均基于该网格数目对应的网格尺寸；
[0074]
上述步骤完成后即可通过不同参数的设定对轴流风机性能进行评估；本实施例还对模拟结果与实验结果的误差进行分析：请参阅图3；图3a为无拢风筒模拟结果和实验数据对比；图3b为有拢风筒模拟结果和实验数据对比；结果表明本方法在两种情况下的误差分别为＜11％和＜15％；这说明本方法能够获得良好的定性规律和较高的定量精度，用于风机性能分析和设计优化是一种可靠的工具。需要说明的是：实验数据本身也存在误差(测试精度问题)，任何cfd数值模拟也都是在一定假设基础上(包括数学模型和物理结构)进行的，更准确的结构参数和更多的网格单元数有助于提高模拟定量精度(当然有其极限，不可
能无限提高，受制于基础研究水平)，这需要更强的计算资源(计算机硬件和软件)，也意味着更大的计算成本。本方法用于轴流风机设计和性能评估是一种可靠的手段，典型工况的实验验证表明：模拟和实验最大相差不超过15％，在常用工作范围内误差不超过5％；基于标准壁面的可实现k-ε湍流模型具有较低的硬件需求和较高的模拟精度，本方法可以泛用用于类似结构风机的性能评估。
[0075]
实施例2
[0076]
针对实施例1方法，本实施例针对该方法对轴流风机进行评估，具体的包括对模型的有无拢风筒、转速、空气温度、叶片安装位置进行分析；
[0077]
1、有无拢风筒
[0078]
对于没有拢风筒结构情况下，模拟得到的进出口和中间截面压力云图和速度云图，请参阅图4至图6，图中a为入口压力云图，b为入口速度云图，c为出口压力云图，d为出口速度云图，e为中截面压力云图，f为中截面速度云图，g为叶片前缘压力云图，h为叶片前缘速度云图，i为叶片后缘压力云图，j为叶片后缘速度云图，k为叶片前缘速度矢量图，l为叶片后缘速度矢量图。对于存在拢风筒条件时模拟得到的进出口和中间截面压力云图和速度云图如图7所示，图中a为入口压力云图，b为入口速度云图，c为出口压力云图，d为出口速度云图，e为中截面压力云图，f为中截面速度云图；从云图中的数值可以直接得出增加拢风筒对性能有着较大的提升；
[0079]
2、转速
[0080]
请参阅图8，图中a为无拢风筒条件下风机气动性能模拟结果，b为有拢风筒条件下风机气动性能模拟结果；可以得出其有无拢风筒的定性特征一致，这也是实际风机性能曲线的定性特征；从图中可以得出提高风机的转速或者减少高低温环境室内部的空气阻力可以增加风量；
[0081]
3、温度
[0082]
请参阅图9，温度越高时风机性能越差，在静压差为30pa附近，转速为580rpm时，气温ta＝-20℃时风量相对于常温时增加8.1％，气温ta＝80℃时风量相对于常温时减少6.4％；
[0083]
4、叶片安装位置
[0084]
请参阅图10，叶片安装范围内，叶缘间隙越小，风机的性能越好；静压差范围适中时，叶缘间隙越小，风机的性能越好，在静压差较小或较大时，不同叶缘间隙对计算结果影响有限；
[0085]
需要进一步说明的是，实施例2的目的在于证明实施例1所述的方法可以用于评估轴流风机的性能，进而证明本发明方法能够有效的对于轴流风机性能进行评估，并将评估结果进行优化；
[0086]
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。