集流器的結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)及冷卻能力的影響

趙子龍,賈紹華,李明海

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，遼寧 大連 116022)

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集流器的結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)及冷卻能力的影響

趙子龍1,賈紹華2,李明海1

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028; 2.大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，遼寧 大連 116022)

為研究集流器結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)及冷卻能力的影響，利用Fluent分析軟件對(duì)風(fēng)機(jī)在不同集流器結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)特性進(jìn)行仿真模擬，得到不同集流器結(jié)構(gòu)形式下風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的分布情況以及風(fēng)機(jī)出口的冷卻風(fēng)流量.通過(guò)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，得出不完整的集流器結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)流體分布及冷卻能力有少量的影響，但是影響效果不明顯.

風(fēng)機(jī)；流場(chǎng)；Fluent

0 引言

風(fēng)機(jī)是電機(jī)冷卻系統(tǒng)中非常重要的零部件，本文分析的風(fēng)機(jī)主要是由葉輪、機(jī)殼、進(jìn)風(fēng)口、集流器、出風(fēng)柵板(起防護(hù)作用)等組成.在風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口，我們經(jīng)常能夠看到一個(gè)圓弧狀的東西，這個(gè)就叫集流.集流器的結(jié)構(gòu)形式會(huì)影響風(fēng)機(jī)性能，設(shè)計(jì)良好的集流器流動(dòng)損失較小，而設(shè)計(jì)不合理會(huì)使進(jìn)口條件惡化，導(dǎo)致性能下降[1].目前對(duì)于集流器的研究主要集中在試驗(yàn)分析小型軸流式風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬方面而仿真模擬的分析還不多.隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的迅速發(fā)展，CFD已被廣泛應(yīng)用于流體機(jī)械的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中.目前，CFD技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以替代部分研究性試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建成許多數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)室[2].

本文研究集流器結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)及冷卻能力的影響，利用Fluent分析軟件對(duì)風(fēng)機(jī)在不同集流器結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)特性進(jìn)行仿真模擬，得到不同集流器結(jié)構(gòu)形式下風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的分布情況以及風(fēng)機(jī)出口的冷卻風(fēng)流量.

1 風(fēng)機(jī)CFD分析的主要內(nèi)容

本文要研究的內(nèi)容就是分析兩個(gè)不同的圓弧形集流器對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分布及冷卻能力的影響.冷卻能力的是以風(fēng)機(jī)相同轉(zhuǎn)速下，出口的空氣流量大小為判斷標(biāo)準(zhǔn).用Fluent分析軟件對(duì)風(fēng)機(jī)在2種不同集流器結(jié)構(gòu)形式下的流動(dòng)特性進(jìn)行仿真模擬.

2 物理模型與系統(tǒng)參數(shù)

風(fēng)機(jī)性能參數(shù)：風(fēng)機(jī)長(zhǎng)0.87 m、寬0.72 m、高0.42 m，風(fēng)扇上有12個(gè)葉片.扇葉轉(zhuǎn)速n=3 550 r/min，進(jìn)風(fēng)量Q=126 m3/min.方案一為集流器結(jié)構(gòu)完整，集流器的圓弧底面深入到扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)的輪盤(pán)下面一定距離，起到完整的導(dǎo)流作用.方案二為

(a)集流器結(jié)構(gòu)完整 (b)集流器部分缺失

(c)整體實(shí)體模型 (d)旋轉(zhuǎn)區(qū)域模型

圖1 風(fēng)機(jī)模型圖

集流器圓弧底面結(jié)構(gòu)在距離扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)一定距離的位置就停止，不伸進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)里面.本文的實(shí)體模型如圖1所示.

3 網(wǎng)格劃分與計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置

3.1 計(jì)算方法及網(wǎng)格劃分

風(fēng)機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)與非旋轉(zhuǎn)區(qū)的耦合采用移動(dòng)參考坐標(biāo)系模型MRF.流場(chǎng)模擬的湍流采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，近壁面區(qū)域按標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理.求解方程選用SIMPLE計(jì)算方法對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬.在分析過(guò)程中把空氣當(dāng)作不可壓縮流體來(lái)處理并且粘性系數(shù)為常數(shù)[3].由于風(fēng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以我們?cè)谶@里用STAR-CCM+作為Fluent的前處理器，對(duì)其畫(huà)非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格.

3.2 風(fēng)機(jī)CFD模型參數(shù)設(shè)置

方案模型計(jì)算時(shí)，將分離出來(lái)的包括旋轉(zhuǎn)葉輪的區(qū)設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)，其余區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)域.旋轉(zhuǎn)葉輪的前后盤(pán)和葉片壁面類(lèi)型設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)并給定其轉(zhuǎn)速為3 550 r/min，外圍壁面則設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài).方案一、方案二入口邊界條件均設(shè)為速度入口，保證相同的入口流量126 m3/min，入流方向垂直于壁面，出口均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，出流方向垂直于壁面.

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

兩種計(jì)算方案的計(jì)算結(jié)果均達(dá)到二階精度收斂.計(jì)算規(guī)模、迭代次數(shù)等詳細(xì)信息列于下表1中.

表1 兩方案計(jì)算規(guī)模、迭代次數(shù)

表2列出了兩種方案風(fēng)機(jī)進(jìn)口的靜壓力值與進(jìn)、出口質(zhì)量流量.從表中可以得出在集流器結(jié)構(gòu)完整的風(fēng)機(jī)進(jìn)口附近靜壓力值相比于另一方案的要小，同時(shí)兩個(gè)方案的出口質(zhì)量流量基本不變，相差不到0.1 kg/s，即可知集流器結(jié)構(gòu)不完整對(duì)風(fēng)機(jī)冷卻能力的影響不大.

表2 兩方案入口壓力，進(jìn)出口質(zhì)量流量

4.2 徑向中心截面上速度矢量圖

圖2為風(fēng)機(jī)徑向(沿著x方向)中心截面上速度矢量圖，其中黑色部分是風(fēng)扇壁面.在風(fēng)機(jī)集流器末端，集流器完整與否對(duì)局部流場(chǎng)影響還是很明顯的.在集流器完整的風(fēng)機(jī)中，由于集流器的導(dǎo)流作用，經(jīng)過(guò)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)作用流動(dòng)的空氣在遇到固體壁面后，由于其阻擋作用，而風(fēng)扇又不斷的旋轉(zhuǎn)對(duì)風(fēng)有個(gè)推動(dòng)作用力，所以風(fēng)在無(wú)法從出風(fēng)口排出后開(kāi)始往上流動(dòng)，經(jīng)過(guò)集流器的導(dǎo)流作用又進(jìn)入到風(fēng)機(jī)中[4].在集流器結(jié)構(gòu)缺失的風(fēng)機(jī)中，由于風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)作用，空氣同樣有相似大小的流動(dòng)速度，由于風(fēng)扇的不斷旋轉(zhuǎn)形成推力，空氣開(kāi)始上升，但是由于集流器末端沒(méi)有伸入到風(fēng)扇里面，對(duì)空氣形成不了很好的導(dǎo)流作用，同時(shí)集流器末端距離葉輪有一定的距離值，在葉輪吸進(jìn)去的風(fēng)中，由于這時(shí)的空氣有了一定的速度，有一小股氣流會(huì)直接從集流器末端跟葉輪的的頂端之間的空隙流出去，這時(shí)會(huì)跟原來(lái)由于遇到壁面而上升的空氣相遇，阻止了空氣流入風(fēng)扇里面.雖然集流器結(jié)構(gòu)對(duì)局部影響大，但是流經(jīng)集流器末端間隙的空氣量很少，對(duì)整體流場(chǎng)形成不了大的影響.由兩圖的對(duì)比可知總體上兩種方案所得的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況基本趨于一致.

(a)集流器完整截面

(b)集流器部分缺失截面

4.3 扇葉中心截面上速度矢量圖

圖3為扇葉中心截面上的速度矢量圖，從兩個(gè)圖的對(duì)比分析可知兩者速度分布比較相似，相差很小.空氣出現(xiàn)流動(dòng)速度較大的位置都是在遠(yuǎn)離出風(fēng)柵板(頂部)的相反側(cè).風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體的流動(dòng)不是特別順暢，在離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部存在一個(gè)流速較低的區(qū)域.從扇葉出來(lái)的氣流對(duì)柵板有一定的沖擊，這樣會(huì)損失一部分動(dòng)壓，而由于柵板的阻擋作用，使其在附近有少量回流產(chǎn)生，不利于空氣流出[5].同時(shí)我們還可以從圖中很明顯的看出，在扇葉所在的區(qū)域，空氣流速是隨著扇葉半徑的增加而變大的.在風(fēng)機(jī)的四個(gè)角落上，都存在細(xì)小的渦流，也將對(duì)空氣的出流有一定的耗損[6].

(a)集流器完整截面

(b)集流器缺失截面

4.4 葉輪靜壓力云圖

圖4為風(fēng)機(jī)葉輪的靜壓力云圖，從兩圖可以很清楚的看出兩種方案情況下，葉輪表面的靜壓力基本上是完全吻合的.靜壓力最大值都是出現(xiàn)在遠(yuǎn)離出風(fēng)口的葉輪底部，而最小值都是集中在遠(yuǎn)離出風(fēng)口的葉輪的頂部[7].

由以上分析結(jié)果可知，在以不同的集流器結(jié)構(gòu)形式模型計(jì)算過(guò)程中，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律趨于一致；在集流器結(jié)構(gòu)完整的模型中，集流器對(duì)回流的導(dǎo)流作用很小，在集流器結(jié)構(gòu)不完整的模型中，集流器對(duì)回流的導(dǎo)流基本不起作用，故集流器結(jié)構(gòu)是否完整對(duì)整體流場(chǎng)的影響很小.

(a)集流器完整截面

(b)集流器缺失截面

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的模型建立、數(shù)值模擬、計(jì)算結(jié)果比較與分析，得到的總結(jié)和啟發(fā)如下：

(1)對(duì)集流器結(jié)構(gòu)完整和集流器結(jié)構(gòu)部分缺失的模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出不完整的集流器結(jié)構(gòu)形式對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)分布及冷卻能力的影響效果并不大，兩方案內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律基本一致；

(2)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)非常復(fù)雜，壓力與速度分布具有明顯的軸不對(duì)稱(chēng)性.葉片間流體的速度與壓力特性隨位置的不同而發(fā)生變化，同時(shí)在葉輪的中心區(qū)域形成了一個(gè)流速較低的區(qū)域；

(3)由于葉輪帶動(dòng)流體一起旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，隨著半徑的增加，流體的速度不斷變大，在風(fēng)機(jī)出口附近存在少部分氣體回流現(xiàn)象.

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Influence of Current Collector Structure on Fan Flow Field and Cooling Capacity

ZHAO Zilong1,JIA Shaohua2,LI Minghai1

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.Dalian Loco.Co.,Ltd,Dalian 116022,China)

To study the influence current collector fan structure on flow field and the cooling capacity,fluent analysis software is used to simulate different current collector flow characteristics,and the distribution of the fan flow field is obtained.Through comparative analysis of the calculation results,it is concluded that the incomplete current collector has a small effect on the fan flow field and the cooling capacity,but the effect is not obvious.

fan;fluid field;Fluent

1673- 9590(2016)03- 0053- 04

2015- 09- 10

趙子龍(1989-)，男，碩士研究生,主要從事柴油機(jī)仿真模擬與性能優(yōu)化E-mail:912124922@qq.com.

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