微型軸流風(fēng)機(jī)性能的逆向工程分析及實(shí)驗(yàn)

張華

摘要：微型軸流風(fēng)機(jī)性能的逆向工程是電子設(shè)備及系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，對(duì)風(fēng)機(jī)流量等問(wèn)題進(jìn)行了有效設(shè)計(jì)，本文建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并為其分析提供了幾何模型與湍流模型，為其選擇了計(jì)算方法，得到了相同條件下風(fēng)機(jī)的PQ性能曲線，并對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)分析。結(jié)果顯示在增強(qiáng)壁面處理的增強(qiáng)型-RNG模型的運(yùn)用之下能夠得到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：微型軸流風(fēng)機(jī)性能;逆向工程;分析實(shí)驗(yàn)

本文從具體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒌慕嵌确治隽宋⑿洼S流風(fēng)機(jī)性能的逆向工程，運(yùn)用逆向建模軟件Geomagicstudio構(gòu)建實(shí)體模型。在對(duì)對(duì)實(shí)際風(fēng)扇葉片及轉(zhuǎn)子進(jìn)行掃描的過(guò)程中運(yùn)用了三維掃描技術(shù)，分析了不同湍流模型對(duì)PQ性能曲線所產(chǎn)生的影響。

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>

本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)用多重參考系法（MRF）或動(dòng)網(wǎng)格法構(gòu)建葉輪機(jī)械的CFD模擬實(shí)驗(yàn)體系。動(dòng)網(wǎng)格法的運(yùn)用雖然能夠得到更為準(zhǔn)確的數(shù)值，但是對(duì)網(wǎng)格要求較高，同時(shí)會(huì)消耗掉大量的計(jì)算資源。MRF為穩(wěn)態(tài)算法的一種，需要占用的計(jì)算資源較少，同時(shí)在精度設(shè)置上也能夠滿(mǎn)足工程開(kāi)展的需要。因此在此次研究過(guò)程中在對(duì)風(fēng)機(jī)性能的研究上以MRF進(jìn)行分析。

1.1建立幾何模型

在幾何模型的構(gòu)建上，運(yùn)用激光三維掃描技術(shù)生成點(diǎn)云，充分運(yùn)用了逆向工程方法，構(gòu)建實(shí)體模型，目前已經(jīng)形成了比較成熟的技術(shù)，能夠?qū)⒄`差值控制在±0.1mm左右。在逆向建模過(guò)程中充分運(yùn)用了Geomagicstudi，并通過(guò)計(jì)算最終生成了三維實(shí)體模型，風(fēng)機(jī)運(yùn)行中采用的是定速模式，將風(fēng)機(jī)HUB的尺寸設(shè)置成21020074m，選擇的是風(fēng)機(jī)尺寸是40mm ×40mm×21020075mm，設(shè)置的轉(zhuǎn)速是13000r/min。

1.2選擇計(jì)算方法

展示了MRF坐標(biāo)變換法，和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)共同建立了相對(duì)坐標(biāo)系，并建立了絕對(duì)坐標(biāo)與相對(duì)坐標(biāo)之間的坐標(biāo)變換體系，將非定常問(wèn)借助于坐標(biāo)系的使用將其轉(zhuǎn)化為了定常問(wèn)題。

根據(jù)ACMA風(fēng)機(jī)測(cè)試的要求，在風(fēng)機(jī)的下游應(yīng)當(dāng)具有大于12102007倍風(fēng)機(jī)直徑的長(zhǎng)度，并且在這一過(guò)程中形成不同的流量以及不同的阻力。在系統(tǒng)的測(cè)量之下能夠得到出口靜壓差，將兩者進(jìn)行組合計(jì)算能夠得到不同的流量下風(fēng)機(jī)的PQ特性曲線。旋轉(zhuǎn)速度是13000r/min，隨著建模的進(jìn)行，能夠在葉輪的覆蓋作用之下，將圓柱形區(qū)構(gòu)成一個(gè)MRF區(qū)域。要求準(zhǔn)確設(shè)置MRF區(qū)的直徑，并在調(diào)整之下使得葉輪直徑與MRF區(qū)域保持一致

1.3選擇湍流模型

目前運(yùn)用較為廣泛的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，通過(guò)方程計(jì)算能夠得到湍動(dòng)能輸運(yùn)方程，在物理推理作用下能夠得出耗散率方程，方程計(jì)算的前提是流動(dòng)為完全湍流狀態(tài)，不考慮分子的黏性。因此在完全湍流的流動(dòng)過(guò)程模擬的條件下才能運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。SpalartAllmaras模型是一種一方程線性渦黏性模型，簡(jiǎn)稱(chēng)為SA模型，與輸運(yùn)方程較為類(lèi)似，能夠有效控制各種機(jī)制。在航空領(lǐng)域中有著較為廣泛地運(yùn)用。

2.實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程

本次研究過(guò)程中對(duì)臺(tái)灣瑞領(lǐng)公司生產(chǎn)的的LW9210200766SR風(fēng)機(jī)進(jìn)行PQ特性測(cè)試裝置，0～210200700P為靜壓范圍，要求流量范圍在2102007.4～210200750CFM之間，重復(fù)誤差低于2102007%，按照AMCA2102007中Fig.11中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行裝置的測(cè)試，要求流量測(cè)試精度低于3.5%，以向內(nèi)排風(fēng)的方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。建立了如下圖的實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

能夠看到在風(fēng)機(jī)的出口靜壓測(cè)量上采用的是P7測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在風(fēng)機(jī)流量的獲得上采用的是噴嘴組件的測(cè)量方式。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)部軟件進(jìn)行相關(guān)測(cè)試工作，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲得與分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到PQ性能圖線[4]。在系統(tǒng)的運(yùn)用之下充分分析出風(fēng)機(jī)的最大流量，之后在系統(tǒng)軟件的運(yùn)用之下得出風(fēng)機(jī)的最大流量，之后計(jì)算軟件中的測(cè)點(diǎn)數(shù)目，一般選定15，對(duì)測(cè)試的流量進(jìn)行自動(dòng)劃分，得出最大流量與最大的差壓值。

3.微型軸流風(fēng)機(jī)性能的逆向工程實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)以上的分析得到不同湍流模型的PQ曲線。為了有效預(yù)測(cè)出風(fēng)機(jī)壓頭與升力情況要求選用正確的湍流模型。在失速區(qū)，隨著葉輪的流量的急劇降低，其間葉間次流也會(huì)隨之增強(qiáng)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在運(yùn)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的對(duì)湍流擴(kuò)散的預(yù)測(cè)效果，在這一作用之下難以充分而準(zhǔn)確地描述出葉片間較強(qiáng)的分離流動(dòng)與旋流現(xiàn)象。比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更為良好的使用方式是增強(qiáng)型RNG模型的運(yùn)用，對(duì)壁面進(jìn)行了增強(qiáng)有效地處理。

在預(yù)測(cè)模型的摩擦阻力與壓降方面近壁面的處理方式能夠產(chǎn)生重要的作用，在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型運(yùn)用之下主要是以標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)作為主要的處理方式，但是標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)難以充分運(yùn)用到近壁面流體物性快速、強(qiáng)體積力、強(qiáng)壓力梯度、較強(qiáng)三維流動(dòng)以及壁面輸運(yùn)等情況的發(fā)生等情況。其中的主要原因是由于顯著的三維流動(dòng)的產(chǎn)生。為了有效解決這一問(wèn)題可以采用設(shè)置增強(qiáng)壁面處理的RNG模型或雙方程模型的處理方式，比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的預(yù)測(cè)精度也較高。因此充分運(yùn)用了增強(qiáng)壁面函數(shù)與雙層模型。由于雷諾應(yīng)力各向同性假設(shè)即Boussinesq假設(shè)的存在，會(huì)使得RANS模型對(duì)壓頭的預(yù)測(cè)出現(xiàn)高于實(shí)際值的現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)測(cè)的壓頭數(shù)值出現(xiàn)偏差現(xiàn)象。

選擇其他的位置進(jìn)行分析，在風(fēng)機(jī)流量較大、開(kāi)度較大以及阻力較小的位置中具有比較低的時(shí)氣流分離程度，能夠得到與此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致的壓頭預(yù)測(cè)的結(jié)果，RANS模型的各項(xiàng)假設(shè)前提和此次實(shí)驗(yàn)條件下中的物理形態(tài)較為一致。

SpalartAllmaras模型在運(yùn)用過(guò)程中采用的是Boussinesq假設(shè)條件，在這一點(diǎn)上與k-ε模型一致，其計(jì)算量出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，主要是由于其采用的是一種一方程的模式。導(dǎo)致SSTk-ω模型在運(yùn)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)比較高的失速過(guò)程中的預(yù)測(cè)壓頭數(shù)值。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的研究能夠看到，標(biāo)準(zhǔn)k-ε、SpalartAllmaras模型在失速區(qū)能夠產(chǎn)生比較小的靜壓預(yù)測(cè)值。葉輪在喘振區(qū)一般為失速狀態(tài)們，在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的運(yùn)用之下，會(huì)對(duì)靜壓產(chǎn)生較大的預(yù)測(cè)，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，RNGk-ε與RNGk-ε模型能夠產(chǎn)生更好的預(yù)測(cè)效果。在風(fēng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)增強(qiáng)壁面處理的RNG模型能夠達(dá)到最佳的預(yù)測(cè)效果，與實(shí)際葉型的風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近。利用逆向工程獲得的實(shí)體模型得到風(fēng)機(jī)的PQ特性曲線，對(duì)電子設(shè)備及系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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