Fluent风机计算教程
FLUENT知识点解析(良心出品必属精品)
一、基本设置 1．Double Precision的选择 启动设置如图，这里着重说说Double Precision（双精度）复选框，对于大多数情况，单精度求解器已能很好的满足精度要求，且计算量小，这里我们选择单精度。然而对于以下一些特定的问题，使用双精度求解器可能更有利[1]。 a.几何特征包含某些极端的尺度（如非常长且窄的管道），单精度求解器可能不能足够精确地表达各尺度方向的节点信息。 b.如果几何模型包含多个通过小直径管道相互连接的体，而某一个区域的压力特别大（因为用户只能设定一个总体的参考压力位置），此时，双精度求解器可能更能体现压差带来的流动（如渐缩渐扩管的无粘与可压缩流动模拟）。 c.对于某些高导热系数比或高宽纵比的网格，使用单精度求解器可能会遇到收敛性不佳或精确度不足不足的问题，此时，使用双精度求解器可能会有所帮助。 [1] 李鹏飞,徐敏义,王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战：FLUENT GAMBIT ICEM CFD Tecplot[M]. 北京,人民邮电出版社,2011:114-116
2．网格光顺化 用光滑和交换的方式改善网格：通过Mesh下的Smooth/Swap来实现，可用来提高网格质量，一般用于三角形或四边形网格，不过质量提高的效果一般般，影响较小，网格质量的提高主要还是在网格生成软件里面实现，所以这里不再用光滑和交换的方式改善网格，其原理可参考《FLUENT全攻略》（已下载）。 3．Pressure-based与Density-based 求解器设置如图。下面说一说Pressure-based和Density-based 的区别： Pressure-Based Solver是Fluent的优势，它是基于压力法的求解器，使用的是压力修正算法，求解的控制方程是标量形式的，擅长求解不可压缩流动，对于可压流动也可以求解；Fluent 6.3以前的版本求解器，只有Segregated Solver和Coupled Solver，其实也是Pressure-Based Solver的两种处理方法；
离心风机CFD模拟及改进
2005 Fluent 中国用户大会论文集 由于CFD计算可以相对准确地给出流体流动的细节,如速度场、压力场、温度场等特性,因而不仅可以准确预测流体产品的整体性能,而且很容易从对流场的分析中发现产品和工程设计中的问题,所以在国外已经逐步得到广泛的应用。另外,跨学科组合优化设计方法也已经成为复杂叶轮产品的设计平台。 如今,CFD技术运用于风机的实例在我国已不少见,但由于计算机计算能力的限制,模型过于简单。如单独一个离心叶轮的流道或单独算一个蜗壳;或运用一个流道与蜗壳迭代计算的方法研究风机内部流动,上述模型均忽略了由于蜗壳型线的非对称而导致叶轮各叶道流动呈现的非对称流动特征,而且从离心风机通道内流场分析来看,各部件间的相互影响很严 重,所以,必须充分考虑它们之间的相互影响,不能孤立地分别研究[2]。 本文应用Fluent流动分析软件,计算某型号离心通风机全流场,详细得到通风机内部流场流动情况,并根据气动流场,对叶轮前盘 形状和蜗壳出口部位等进行优化设计,同 时,运用多学科优化平台软件OPTIMUS集成流体计算软件FLUENT,优化计算通风机进口型线,比较集成优化型线与单独用Fluent 反复计算的结果,两者基本接近,说明集成优化是可信的。 将流动区域分为三部分:通风机进口部分、叶轮和蜗壳。进口部分和蜗壳是静止元件,叶轮转动,采用gambit进行参数化建模。整个通风机的网格数为80 万,网格采用四面体和六面体混合的非结构网格技术。
气体在通风机内流动时,它的气动性能在很大程度上由它本身的造型决定。由于流道形状、哥氏力和粘性力的影响,通风机内的气体流动十分复杂。一般认为气流在叶轮内的相对运动和在静止元件内的绝对运动为定常流,而且通风机内的气体压强变化不大,可忽略气体的压缩性。因此,通风机内的流动是三维、定常、不可压缩流动。求解相对稳定的、三维不可压缩雷诺平均N-S方程,湍流模型采用标准的εκ?两方程模型,采用一阶迎风格式离散方程,用SIMPLE方法求解控制方程。在OPTIMUS提供的优化算法中,采用序列二次规划算法。 3 数值计算结果与分析 3.1原通风机建模及数值模拟原有离心通风机存在风量不足、风压不均匀等问题,所以首先对原通风机模型进行数值模拟,分析其内部气流流动状况,找出问题所在。图 1 原通风机子午面的速度分布表2 原通风机回转面的速度分布叶轮出口部位的速度 分布很不均匀,在叶轮前半部分,叶轮不出风反而进风,所以此处有较多逆流存在。观察叶轮子午面上速度分布如图1所示,可以看到叶轮出口明显的逆流现象。风机出风口有较多逆流现象,如图2所示。通过上述流场仿真计算,可以确定原通风机的气动性能很不好。分析气动流场,认为性能差的原因主要基于三个方面:1叶片进口部位缺乏导流部分,气体流动的流线不能折转,所以造成叶片前半部分压强低,产生逆流。由于叶轮出口有较多逆流,导致进入蜗壳的气流速度不均匀。2原模型叶轮 采用前向叶片,叶轮的前盘采用平前盘。平前盘制造简单,但对气流的流动情况有不良影响[3]。3通风机蜗壳出口的面积过大,所以在蜗壳出口处压力过低而产生较多的逆流。3.2通风机改型优化计算优化是对通风机改型以得到较好 气动性能的过程。针对原通风机模型气动流场中存在的问题,在结构上作一些相应修改。3.2.1 改进模型A 针对原通风机模型计算中存在的叶片前半部分逆流 现象严重的问题,将叶轮前盘改为弧线型,使计算结果改善。但由于将叶轮的前盘改为弧形,而使叶轮出口宽度减小,所以为了不降低流量,将叶轮的轴向尺寸增加。叶轮出口宽度增加到252mm。如此改动后,叶轮沿子午面速度分布如图3所示。改为 弧形前盘,对气流进行导流,则气动性能改善。与原模型相比,通风机的出口风压增加24.9%,出口流量增加17%,轴功率增加9.4%,效率增加7.6%。2005 Fluent 中国用户大会论文集90 气动性能有所改善,但轴功率增加。通过观察通风机内部气流 的流动情况,叶轮进口部位的流动得到好转,但蜗壳出口部位的流动仍然不好,蜗壳
基于FLUENT的离心风机性能优化
陈一晓?龚一艳?陈小兵?等.基于ＦＬＵＥＮＴ的离心风机性能优化[Ｊ].江苏农业科学?２０１９?４７(１６):２５０－２５４. ｄｏｉ:１０.１５８８９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２－１３０２.２０１９.１６.０５５ 基于ＦＬＵＥＮＴ的离心风机性能优化 陈一晓?龚一艳?陈小兵?张一晓?王一果?缪友谊?刘德江 (农业部南京农业机械化研究所?江苏南京２１００１４) 一一摘要:机械化高效施药是目前对喷药机械的基本要求?风送植保机械被普遍使用?风机是其中的关键部件?因此风 机的性能直接决定了植保机械的性能?采用正交试验方法对影响风机的主要参数进行优化?在ＦＬＵＥＮＴ中对各个正交试验方案进行分析得到?叶片数对风机性能的影响最大?叶片出口安装角对风机性能的影响最小?优化后的风机方案与原风机相比?风机流量增加了３.９２％?效率提高了１７.０７％?采用ＦＬＵＥＮＴ对离心风机进行性能分析可以为优化离心风机性能提供理论依据? 一一关键词:背负式喷雾喷粉机?离心风机?叶轮?ＦＬＵＥＮＴ?流场分析?正交试验?优化性能?最优方案一一中图分类号:Ｓ４９一一文献标志码:Ａ一一文章编号:１００２－１３０２(２０１９)１６－０２５０－０５收稿日期:２０１８－０３－２９ 基金项目:国家重点研发计划(编号:２０１７ＹＦＤ０２００３０３)?江苏省重点研发计划(现代农业)(编号:ＢＥ２０１６３０３)?现代农业产业技术体系建设专项－西甜瓜产业技术体系(编号:ＣＡＲＳ－２５)? 作者简介:陈一晓(１９８９ )?女?山东德州人?硕士?研究实习员?主要从事植保施药技术与装备研究?Ｅ－ｍａｉｌ:ｃｈｅｎｘｉａｏ６１０５＠１６３.ｃｏｍ?通信作者:龚一艳?硕士?研究员?主要从事植保施药技术与装备研究?Ｔｅｌ:(０２５)８４３４６２４１?Ｅ－ｍａｉｌ:ｎｎｎＧｏｎｇｙａｎ＠ｑｑ.ｃｏｍ? 一一背负式喷雾喷粉机是一种典型的小型植保机械?因其轻 便二灵活二效率高的特点已被广泛应用于水稻二棉花二玉米二小麦二果树等大面积农作物病虫害防治?背负式喷雾喷粉机的射程二雾化效果二喷量等关键指标主要取决于离心风机的性能?因此离心风机是背负式喷雾喷粉机的关键部件?它的功 用主要是产生高速气流?将药液破碎雾化或将药粉吹散?并将之送向远方[１]? 背负式喷雾喷粉机上所使用的离心风机均为小型高速离 心风机?风机是风送植保机械的核心部件?良好的风机性能能够提高雾滴喷洒的均匀性?提高沉积量?降低飘移量[２]?虽然目前存在的风送式植保机械种类众多?但是用于风送式植保机械的风机并没有统一标准?风送式植保机械具有射程远二雾化均匀二穿透性好二靶标性好二雾滴飘移少等特点?因此被广泛应用于大田二果园等农药喷洒中[３]?配合不同的地理 位置以及作物本身?风送植保机械存在不同的种类?用于背负式喷雾喷粉机上的小型离心风机由于转速高等特点?离心风机各个参数对其性能的影响并没有明确的理论依据?因此针对不同的小型离心风机进行流场分析以得到各个参数对风机性能影响的研究很有必要?１一离心风机流场数值模拟 所有的流动都必须满足三大物理定律?即质量守恒定律二动力守恒定律以及能量守恒定律?相对应地就可以得到对应的质量守恒方程二动量守恒方程以及能量守恒方程?由于在离心风机中不需要考虑传热问题?因此能量守恒方程不需要考虑在其中? ＦＬＵＥＮＴ中提供的湍流模型种类很多?但是目前还没有 适用于各种流动的湍流模型?因此要根据实际解决的问题及其对精确度的要求选择合适的湍流模型?考虑到风机实际的工作情况?本研究的湍流模型选择为Ｋ－ε模型?Ｋ－ε模型又分为标准Ｋ－ε模型二重整化(ＲＮＧ)Ｋ－ε模型以及可实现Ｋ－ε模型?综合考虑风机运动的实际情况?最终选择Ｋ－ε模型中的可实现Ｋ－ε模型为本研究所用的湍流模型? ＦＬＵＥＮＴ中提供了多种壁面函数处理方法?例如标准壁 面函数法二非平衡壁面函数法以及增强壁面处理?标准壁面函数法利用对数校正法提供了所必需的壁面边界条件?考虑到离心风机内部的结构比较复杂?本研究选择标准壁面函数法作为分析方法? 在流体流动中建立的基本方程为偏微分方程?在理论上可以求得其解?但是由于问题本身的复杂性?并不易得到它们的解析解或者近似解析解?因此在ＦＬＵＥＮＴ中出现了离散化的概念?离散化就是将无限空间中的有效个体映射到有限的空间中?离散化的目的是将连续的偏微分方程组及其定解条件按照特定的规则在计算区域的离散网格上转换为代数方程?以得到连续系统的离散数值逼近解?在ＦＬＵＥＮＴ中可以将控制方程的离散方法分为有限差分法二有限元法和有限体积法?本研究选择的是有限体积法? ＳＩＭＰＬＥ算法在１９７２年被提出并得到广泛的应用?是计 算不可压流场的主要方法?是后来对其算法进行改进与发展的基础?ＳＩＭＰＬＥＣ算法的基本思想与ＳＩＭＰＬＥ算法一致?但是对通量的修正方法进行了改进?加快了收敛速度?本研究中求解算法采用的是ＳＩＭＰＬＥＣ算法? 在ＦＬＵＥＮＴ中通常认为残差小于１０－３时为收敛?因此在对离心风机的内部流场进行分析时?对变量的监控指标设定为１０－３? ２一离心风机内部流场模拟结果分析２.１一离心风机模型的建立 本研究的离心风机主要被应用在背负式喷雾喷粉机上? 因此采用前向叶轮和前弯式叶片?在Ｐｒｏ/ＥＮＧＩＮＥＥＲ软件 ０５２ 江苏农业科学一２０１９年第４７卷第１６期
基于Fluent轴流式风机内部流场分析
36 為扛科技2018年?第6期 基于Fluent轴流式风机内部流场分析?安徽理工大学机械工程学院代以吴宪陈鸿宇杨文杰 以某型号轴流式风机为研究对象，用Gambit构建出轴流 式风机内部流场分析的有限元模型，将模型导入Fluent,设 置分析条件和边界条件后求解，得出风筒出口处的压力与速 度云图，并通过计算得出轴流式风机的各项性能指标。 风机使用面广，种类繁多，在工业生产中利用风机产生的 气流做介质进行工作，可实现清选、分离、加热烘干、物料输 送、通风换气、除尘降温等多种工作，渐渐成为人们生产生活 中不可或缺的动力机械设备。风机内部形成复杂的湍流流场，所以为了设计出满足实际生产生活要求的风机，就需要对风机 内部流场进行有限元分析，以获得风机各项功能指标。 1建立有限元模型 本文选取某型号轴流式风机进行流场分析，在solidworks中脸翻，翻结构雜如表1所示〇 轮毂比径向间隙叶片数叶片安装角出风口直径电机转速 0.463mm S53。1100mm2920r/min 表1 在Gambit中建立轴流式风机流场分析的有限元模型。在划 分网格时，由于轴流式风机内部流道结构复杂，集流器进口和 风筒出口处的结构较为简单，所以需要将整个流道划分成不同 区域，另外，叶轮处是旋转区域且存在叶片空间扭曲等复杂流 道，需要对该区域单独划分并加密处理。因此采用非结构性网 格和结构性网格相结合的方法进行网格划分。轴流式分级计算 区域网格的戈扮如图1所示。在设置边界条件时，将集流器进口 处设置为压力入口，风筒出口设置为压力出口，将叶轮区域流 体运动类型设置为动参考系模型（MRF),该区域的壁面边界 条件类型?*为旋转壁面（Movingwall)，旋转轴为X轴。然后 导出mesh文件。 2 Fluent求解 打开FhientH维求解器，导入mesh文件，检查网格，體模型材料为空气，采用标准的k-e模型作为计算模型，环境压强 设为101325 Pa,重力影响忽略不计，设置旋转轴的转速为2920 r/min,进行求解0 图1计算区域网格划分 图2风筒出口处动压云图 图4风筒出口处静全压云图 -0.6-0.4-0.200.2 0.4 0.6 图6风筒出口径向速度云图 3结果分析 图3风筒出口处静压云图 图5风筒出口轴向速度云图 图7风筒出口切向速度云图动酿现的敗流速度的大小，由图2可以看到，动压在中 心位置很低，沿径向渐渐变高。另外风筒内壁处存在厚度较薄 的蓝色的动压低压区，这是因为在壁面处有边界层，最底层气 流速度为0。同样因为导流叶两侧同样存在边界层，在其作用 下，导致高压区域不连续，呈现扑对称的低压区域。静压为气 流团内部的压力，由图3可以看到，静压同样沿径向渐渐变高，但是由于叶顶高速气流碰撞到壁面后，气流速度降低，甚至反 向。气流在此挤压收缩，因此静压急剧提升，会出现风筒内壁 处静压明显増大的现象。总压为动压与静压之和，由于平均动 压远大于静压，因此总压呈现与动压相似的压力分布，如图4所不〇 由图5可知，轴向速度在中心处较小，沿径向方向渐渐增 大。同样地，由于边界层的存在，在外风筒内壁处，形成了很 薄的，速度很低的气流层。同动压云图一样，由于导流叶的作 用，云图呈现对称且不连续性。径向速度反映的是出口气流的 横向流动，而切向速度则反映了气流绕风机轴线（下转120页 ）
FLUENT在暖通空调领域中的应用解析
FLUENT在暖通空调领域中的应用解析 发表时间：2016-09-28T09:22:50.073Z 来源：《基层建设》2016年12期作者：管琳[导读] 摘要：随着我国社会经济的不断发展以及人们生活水平的不断提高，使得暖通空调产业也得到了快速的发展。随着人们需求的不断增长，现有的暖通空调技术已经不能满足当前社会发展的需要了，所以本文就FLUENT软件在暖通空调中具体应用进行了简要的分析。中航一飞院蓝天实业公司陕西省西安市 710089 摘要：随着我国社会经济的不断发展以及人们生活水平的不断提高，使得暖通空调产业也得到了快速的发展。随着人们需求的不断增长，现有的暖通空调技术已经不能满足当前社会发展的需要了，所以本文就FLUENT软件在暖通空调中具体应用进行了简要的分析。关键词：暖通空调；FLUENT；特点；应用 1 暖通空调发展概况暖通空调是人民生活水平逐渐提高以及供暖技术发展进步的必然产物，我国北方冬季气温较低，所以必须依靠供暖设备提高室内温度，才能适合人类生存和发展。传统的供暖技术大多采用集中供暖，即在人口众多的城市，通过铺设热力管理，由热力公司将暖气输送到小区，然后再经过小区分散到各家各户。这种供暖方式存在很多的问题，首先供暖方式单一，不能根据每一户人家的具体情况进行针对性的服务，即使实现了一户一表，每一户按照自己使用的流量来进行收费，但是现在的小区一般来说有着百来户的家庭，不同的家庭对于室 内温度的要求也不一样，小区很难满足各个用户的需求。用户也无法随心所欲的设定供暖的温度，达不到最为舒适的供暖效果；其次，集中供暖覆盖范围较小，对于人口稀疏的区域城市集中供暖成本太高，所以热力公司就会在供暖时选择性的将其忽略，这就导致部分人无法享受城市发展带来的便利，使得社会矛盾激化，影响社会和谐。所以，暖通空调的研发以及广泛使用，是有着必然的原因的，暖通空调不仅可以实现每家每户的独立安装，而且用户自己可以对温度进行设定，自由程度较高，随着供暖技术的进步，暖通空调的热源也由单一的电力供热，逐步发展为综合的燃气、燃油、地热等多途径供热，为暖通空调的普及创造了更好地条件。 2 Fluent在空调设计中室内空气调节的应用暖通空调能够为用户提供更好的供暖效果，就需要暖通空调在设计与产品研发中针对用户的需求进行大量的实验，对室内的热力环境进行模拟，对室内温度、湿度和空气流动等各方面因素进行综合考虑，只有这样，才能确保供暖效果。而传统的暖通空调设计是依靠工程技术人员丰富的实践经验与理论知识，通过编程和大量的实验，逐一对各种参数进行调试，对产品的效果进行对比分析，然后再反过来对产品设计进行改进，从而实现产品的优化。产品的设计与研发过程漫长，而且效果不甚理想，对室内热环境的模拟不够真实准确，此外，这种设计模式对技术人员要求很高，依赖性过强，一旦人的因素出了意外状况，就使得设计工作停滞不前。针对这些问题，专业的暖通空调设计公司开发了Fluent软件，帮助设计人员进行空调的设计。它不但能够真实的模拟室内的空气流动，创建更为真实的热环境，而且对设计人员设计的产品进行性能测试，从而帮助设计人员更快捷的发现问题，进行优化改进。Fluent软件是对前期大量设计工作的总结与综合，所以包含了许多基础性的前人编写的程序，这对于设计人员而言无疑是重大的福音，它使得技术人员能够从枯燥泛味的重复性基础工作中解脱出来，而将更多的精力放在产品的设计上，极大的提高了设计的效率，也大幅的缩短了产品更新换代的速度，为企业提高核心竞争力奠定了良好的基础。 3 FLUENT软件的特点 FLUENT软件主要由求解器、前处理和后处理三大模块构成。求解器是FLUENT软件的核心部分，其数学模型是以各种湍流模型和纳斯-斯托克斯方程组为主，以自由面膜型、燃烧与化学反应流模型和非牛顿流体模型等为辅。而多数附加模型则通常是在主体方程组上补充一些附加输运方程和关系式。求解器采用计算精度和稳定性更好的有限体积法离散方程、压力校正法和偶合法进行计算。前处理模块主要采用GAMBIT作为专门的网格制作工具，利用这种工具生成的网格可以有多种形状。根据具体计算，还可以生成混合型网格。FLUENT软件所具有的自适应功能，可以对网格进行粗化或细分，可以使生成的网格不连续，或是生成可滑动、可变网格。后处理模块具有三维显示功能，既可以显示各种流动特性，又可以以动画的形式演示非定常过程。 FLUENT软件采用的二阶上风格式，可以实现对畸变网格的较好处理，实现在技术上的领先。 4 FLUENT在暖通空调领域中应用暖通空调进行设计的根本目的是为用户提供更为舒适的室内环境。为了实现以上目的，为了实现对室内各项环境参数的合理控制，为了向人们提供更优质的空调服务，就必须掌握室内环境参数的分布特征，并对其进行科学准确的计算。除模型实验之外，CFD技术是唯一一个可以对三次元室内气流分布特征进行详细解析的有效手段。本文以传统壁挂式空调室内气流组织为例，利用FLUENT软件来模拟计算其温度场数值。 4.1 建立数值模型现设定传统挂壁式空调原始参数如下：制冷/制热量为2500W，几何尺寸为240mm×760mm×180mm，出风温度为制热40摄氏度、制冷16摄氏度，出风角度为45度，出风速度为强风出风5m/s。建立长5m、宽4m、高3m的三维立体房间模型。将呈坐姿状态的、本身不会发热的人体模型置于房间中间，将空调安装在房间内较狭窄的一面，房间内无任何热源装置。另外，将边界条件设定为空调制冷时室内初始温度为30摄氏度，制冷时初始温度为5摄氏度，房间6面墙绝热。模型采用整体连续网格结构，网格数为36000，再通过利用湍流模型和相关计算方法列出方程组，最终计算出模型数值。 4.2 确认计算结果根据计算结果发现，人体模型垂直方向存在温度梯度，头部温度要高于脚部。室内存在温度差会导致人体局部性热感不适。但随着时间的推移，人体温度梯度会逐渐减小，当温度差趋于稳定状态时，人体头部温度会高出脚部温度约2摄氏度左右，符合国际通用舒适度指标PPD和PWV所规定舒适条件的最高温度差3摄氏度。总结：商用软件是科研领域、工程领域等经常使用的一种重要计算工具。根据上文描述可知，暖通空调应用FLUENT软件来进行流体分析与计算，不仅无需编程、节省大量时间，而且极大的优化了暖通空调系统的算法，既有利于系统设计人员更好的确定参数，又能够大大提高工作效率。参考文献：