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大王工业大风扇空气动力学仿真分析技术报告

来源:未知     发布日期:2020-08-12 09:15   |  分享:
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工业大风扇空气动力学仿真分析技术报告
 
 

引言                                        1
几何模型                                 1
计算方法                                 1
结果分析                                 2
4.1叶片附近流场                        2
4.2厂房空间流场                        7
4.3整体性能                              13
5 结论                                        15


引言

  

 


根据江苏大王通风机械有限公司(甲方)与无锡海思通科技有限公司(乙方) 签订的《工业大风扇空气动力学仿真分析技术服务合同》要求,无锡海思通科技有限公司按甲方提供的几何模型及运行参数,采用计算流体力学(CFD)方法, 对工业大风扇开展了空气动力学仿真模拟,本报告对相关技术工作进行总结。

几何模型

 
本项目仿真分析的工业大风扇由 5 片叶片组成,装有叶尖端板,直径 7260mm, 叶片根部弦长约 300mm,叶尖弦长约 190mm,图 1 为整个风扇的三维图。风扇转速 55rpm,吊装于厂房顶棚,四周为无墙面及其它干扰物的开放空间,叶片根部距地面 6000mm,距顶棚存在两个距离,分别为:1100mm(A 状态)及 1800mm(B 状态)。

    图 1  风扇三维图

计算方法

 
采用有限体积方法求解不可压 RANS 方程,风扇区域采用旋转坐标系,外部空间采用静态坐标系,湍流模型为κ-ωSST 模型。采用非结构四面体网格, 物面附近通过棱柱层加密模拟附面层流动,共约 100 万网格点,图 2 为叶片局部表面网格,图 3 为空间网格。


图 2  表面网格

图 3 空间网格

结果分析

 

4.1 叶片附近流场

图 4、5 分别为叶片下表面及上表面的压力云图。下表面,A、B 两种状态压力差异不明显;上表面,叶尖附近存在较大的压力差异。图 6 为放大后的叶尖
上表面压力云图,图 7 为该区域 4 个剖面的压力曲线,从中可见,B 状态尖部存在明显的前缘吸力峰,而 A 状态的前缘吸力峰不明显;由于 A 状态上表面压力的增大,将导致叶片局部升力减小,降低流过风扇的风量。



 
                 图 4 叶片下表面压力云图




              图 5 叶片上表面压力云图



           图 6 叶尖上表面压力云图



                 图 7 叶尖弦向剖面压力曲线(位置见图 6)


为了进一步分析叶尖上表面压力差异的原因,对该区域流线进行察看。图 8 为叶尖 4 个剖面弦向流线对比,可见,1、2 位置 AB 状态均存在后缘分离,其中 A 状态的分离区稍大,流动无本质差异;3、4 位置 A 状态分离点前移至前缘, 整个上表面都处于分离流中,流场品质较差,无法产生较大的前缘吸力峰。
图 10 为叶尖附近不同周向位置的展向流线,剖面位置见图 9,其中位置 1
为叶片位置,位置 2 为叶片前方来流位置(前一叶片的尾流)。叶尖下表面的高压气流从叶尖外侧向上绕流,形成叶尖涡,该叶尖涡随气流向下游运动对后面叶片的流动产生较大影响。从(a)图可见,B 状态的叶尖绕流仅局限在叶尖外侧, 未产生较大的展向流动,而 A 状态上表面存在较大的展向流动。从(b)图可见, 相对 B 状态,A 状态前方叶片尾迹中的叶尖涡向内侧移动更多,将对叶尖产生更大的上洗效应,增大当地迎角。
根据上述分析可知,AB 两状态的流动差异主要体现在叶尖部位。外侧顶棚附近气流向中间流动至叶尖附近时,由于 A 的上部空间高度相对较小,对叶尖外侧气流产生更大的局部向上抽吸效应;该抽吸效应与叶片下游螺旋状向下运动的叶尖涡叠加,使得尾涡半径缩小,导致叶尖更多区域处于尾涡上洗气流中,上洗增大了当地迎角;同时由于更小的上部空间将引起更大的展向气流,最终导致A 状态叶尖在大迎角、大的展向气流作用下出现严重的上表面前缘分离,降低了叶片升力、削弱了叶片对气流的推动作用。



   (a)                                                                                         位置 1



(b)                                                                                              位置 2





(c)                                                                                             位置 3




 
(d)                                                                                        位置 4
                               图 8 叶尖弦向剖面流线(位置见图 6)



(a)                                                                                           位置 1


(a)                                                                                          位置 2
                          图 10 叶尖展向剖面流线(位置见图 9)
 




4.12 厂房空间流场

由于厂房大空间的流动主要是以风扇为中心向四周的流动,因此只对不同周向角度的截面流场进行分析,沿周向取 4 个截面,间隔 18 度,标记为 slice1~4, 图 11。


        图 11  周向截面位置

图 12~15 分别为 4 个截面 A 与 B 的流动对比。扇叶从上方抽吸空气,推动其向下流动,到达地面附近后向四周外侧流动,在风扇正下方中心位置形成局部涡流;向四周运动的气流主要位于地面附近区域,在流动过程中上方空气不断补充,该气流的补充增大了空气的总流量;在外侧较远位置空气上浮回流,形成较大的回流涡;回流中接近顶棚的空气直接流入风扇,中间部分空气在回流过程中不断下沉,加入地面气流。因此,地面气流一部分直接来自风扇,另一部分来自沿途上部气流的补充。图 16~19 分别为 4 个截面 A 与 B 的气流速度云图对比。从图 12~15 可见 B 状态在风扇下方产生更高的压力,具有更大的气流推动
力;从图 16~19 可见,在地面附近 B 状态具有更大的速度,或者说 B 状态气流能到达更远的距离。



                                                        图 12 slice 1 截面流动对比




                                                       图 13 slice 2 截面流动对比



                                                     图 14 slice 3 截面流动对比

       

                                                       图 15 slice 4 截面流动对比
   




                                                图 16 slice 1 截面速度云图对比



                                          图 17 slice 2 截面速度云图对比




 
   
                                                       图 18 slice 3 截面速度云图对比




                                                   图 19 slice 4 截面速度云图对比
图 20 给出了 slice2 剖面上不同半径处,气流径向速度随高度的变化曲线, 可见,地面附近运动气流主要集中于 1m 高度以下范围内,B 状态具有更高的速度极值.





                                (a)5m 半径 (b)10m 半径


                              (c)15m 半径 (d)20m 半径

 
                                      (e)25m 半径 (f)30m 半径
                                       图 20 径向速度随高度变化曲线

4.3整体性能

根据前文分析,地面附近气流一部分直接来自风扇,另一部分来自沿途上部气流补充,因此总风量随着半径增大而增大,为便于对比,对距地面 2m 高度范围内的风量进行统计,同时定义有效风速的下限为 0.5m/s。图 21 为 2m 高度内平均风速随半径的变化曲线,从中可见,在 10m 半径内,平均风速先增大后衰减,约半径 4m 处平均风速最大,在半径 10m 以外,风速缓慢衰减,A 状态平均风速在 30m 处衰减至 0.5m/s,B 状态在 38m 处衰减至 0.5m/s。
              图 22 为 2m 高度内总风量随半径变化曲线,A 状态在 29m 处总风量达最大,约 11416 m3/min,B 状态在 33m 处总风量达最大,约 16130 m3/min。


                                           图 21  平均风速变化曲线

                                        图 22  总风量变化曲线


 
表 1  风扇整体性能对比
 
 
状态
直接风量
(m3/min)
总风量
(m3/min)
覆盖距离
(m)
功率
(kw)
能效
(m3/min/w)
A 3489 11416 30 1.402 8.14
B 4480 16130 38 1.437 11.22
表 1 为整体性能对比,其中,直接风量为流经风扇叶面的风量,总风量为地面 2m 高度内最大流过风量,覆盖距离为平均风速降至 0.5m/s 时的半径,能效为总风量与功率的比值。

结论

 
本项目按合同要求完成了工业大风扇空气动力学仿真模拟,给出了不同顶棚高度下叶片附近、厂房空间的流场气流组织分布,对比分析了顶棚高度对工业大风扇空气动力学性能的影响,结论如下:
(1) 风扇至顶棚距离由 1100mm 改为 1800mm 后风量、覆盖距离、能效均有明显提升,功率增大不明显;
(2) 风扇至顶棚距离为 1100mm 时,由于叶尖尾涡及展向气流影响, 叶尖区域存在严重流动分离;
(3) 地面无障碍物的情况下,有效风速集中于 1 米高度以下范围内。
 


 

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