基于NUMECA不同湍流模...高速轴流风机的性能计算研究_卢继方.pdf

创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023基于 NUMECA 不同湍流模型下小型高速轴流风机的性能计算研究卢继方1，肖云峰2，管新宇1，肖笛1(1 贵州永红航空机械有限责任公司，贵州 贵阳 550009;2 北京石油化工学院，北京 102617)摘要:基于 NUMECA 软件不同的湍流方程，对小型高速轴流风机的设计工况下空气动力性能进行了数值计算，通过代数方程、一方程、两方程、四方程湍流模型计算，获得了该风机性能预测结果。将数值计算结果与试验值进行了对比，得出了不同湍流模型下性能预测结果的准确性。关键词:轴流风机;湍流模型;性能计算esearch on performance calculation of small andhigh-speed axial flow fan based on NUMECA turbulence modelLU Jifang1，XIAO Yunfeng2，GUAN Xinyu1，XIAO Di1(1 Guizhou YongHong Aviation Machinery Company Limited，Guiyang 550009，China;2 Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China)Abstract:Based on different NUMECA turbulence model，numerical simulation is given to the aerodynamic performance of asmall high-speed axial flow fan under the design conditions The prediction results were obtained by algebraic equation，one-equation，two-equation，and four-equation turbulence models The accuracy of aerodynamic performance results under differ-ent turbulence models is obtained by comparing the numerical calculation results with the experimental results，which pro-vides valuable information for the performance prediction of this kind of fan and a reliable basis for design and calculation ofsimilar fansKeywords:axial flow fan;turbulence model;performance predictiondoi:10 3969/j issn 1006 8554 2023 02 0030引言轴流式风机具有风量大的特点，在散热、冷却、通风等领域有着广泛的应用 1。小型高速轴流风机能够提供较大的风量和风压，但在产品性能设计与数值模拟预测上存在较多挑战。在无人机中，对于滑油冷却轴流风机，其转速需求范围为 5 500 11 800 r/min，风量范围为 1 000 8 000 m3/h，与一般民用大型低速的轴流风机区别较大2。计算机数值模拟技术的飞速发展，使得计算流体力学(CFD)技术能够在叶轮机械这类复杂流动产品中有着越来越多的应用3。NUMECA FINE/Turbo 软件是一款专业的叶轮机械性能计算仿真软件，其具有专业、专用的叶片结构化网格划分模块 AutoGrid，并内置有丰富的湍流模型，在其求解核心 Euranus 中，基于密度求解全可压缩形式三维雷诺平均 N S 方程，通过在不同湍流模型下对小型高速轴流风机进行空气动力性能预测，并与试验结果进行对比，得出不同湍流模型下小型高速轴流风机性能预测结果的准确性4 6。本文以小型高速轴流风机为研究对象，使用NUMECA FINE/Turbo 中的 5 种湍流模型，即 BL 代数零方程模型、SA 一方程模型、LKE 两方程低雷诺数 k-模型、SST 两方程低雷诺数 k-模型、V2F 四方程模型，开展风机空气动力性能模拟计算，并与试验结果进行对比分析，在计算准确性、计算开销等方面评价各湍流方程在小型高速轴流风机性能计算上的特点。01技术与市场创新与实践2023年第30卷第2期1风机结构信息按照 GB/T 190752003工业通风机 词汇及种类定义，轴流式通风机定义为“气体沿着与通风机同轴的圆柱面进入和离开叶轮的通风机”。根据JB/T 105622006一般用途轴流通风机 技术条件，典型的轴流式通风机结构由整流器罩、集流器、前导流器、叶轮、机壳、后导流器组成。典型的“前导叶+动叶+后导叶”的“P+S”结构形式的轴流风机完整机械结构如图 1 所示。bbinbout1234561整流罩;2集流器;3前导流器;4叶轮;5机壳;6后导流器;bout后导叶片安装角;b叶轮叶片安装角;bin前导叶片安装角。图 1典型轴流风机结构大量工程研制和使用实践证明，转子加后导叶(+S)的小型高速轴流风机具有优异的综合性能，能够获得较高的风量和风压，该形式风机结构示意如图 2 所示。气流转子叶片R静子叶片S图 2轴流风机典型结构形式本文所述的小型高速轴流风机，其设计指标流量为175 m3/s、静压1 100 Pa，额定转速11 000 r/min，其转子叶片数为 17，静子叶片数为 19，轮毂直径为150 mm，转子外径为 261 mm，转子叶片叶顶间隙为1 mm，转子和静子的轴向间距为 10 mm，该风机动静叶片结构见图 3。图 3风机叶片结构转子和静子叶片由叶片根部至叶片顶部。气流角度的分布数据见表 1。表 1风机叶片转子、静子叶片气流角单位:()截面序号转子进口气流角转子气流转折角静子气流转折角1(叶根)39 528 232 9236 320 833 2333 515 633 5431 311 933 8529 19 334 2627 17 434 57(叶尖)25 46 134 72数值模拟计算过程2.1总体计算步骤NUMECA 求解计算轴流式通风机的主要步骤包括几何准备、网格划分、求解设置、迭代计算、结果查看共 5 部分，每一步都需要人工干预，特别是在迭代计算时，需要时时观察残差曲线，一旦残差曲线震荡、居高不下或上扬发散，需要查找原因，重新开始计算。2.2网格划分轴流式通风机进口条件不涉及畸变情形(即总11创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023温、总压不随时间而变化，不受非对称几何影响而变换)，因此，利用单周期计算域能够较好地预测其气动性能。根据 ywall计算公式开展第一层网格高度的计算。ywall=6(vref)78(Lref2)18y+1因叶片表面流动存在逆压梯度、流动分离，原则上不能使用壁面函数高雷诺数湍流模型，因此，采用附面层直接求解的低雷诺数湍流模型。此时，要求y+1=1 10，利用上式评估出第一层网格尺寸为ywall=0 008 mm。网格划分结果如图 4 所示。图 4网格划分结果网格质量，首先具有“一票否决权”的是负网格数量，而后是最小偏斜度、最大长宽比、最大延展比，定量检查结果如表 2 所示，根据网格定量指标的要求，所划分的网格质量较好，能够满足仿真计算的需求。表 2网格定量结果检查序号网格项目定量要求实际网格情况1负网格数量002最小偏斜度1036 7473最大长宽比2 000858 864最大延展比51 881 62.3求解设置流体介质选择:考虑到流动具有一定压缩性，流体介质选择理想空气。湍流模型:考虑到需要解析叶片表面的流动，不适宜使用高雷诺数的湍流模型，因此选择低雷诺数湍流模型，包括零方程(B-L)、一方程(SA)、两方程(LKE、SST)和四方程(V2F)模型。进口边界条件:考虑到风机进口并不存在畸变情况，因此选择定值总温、总压条件。出口边界条件:设置为背压。固壁面条件:考虑到流体流动本质特点，固壁面均设置为无滑移条件，其中轮毂和叶片设置为转动，其余设置为静止，以便符合风机实际情况。3模拟计算结果3.1固壁面 yplus检查以 SA 湍流模型下的计算结果为例，对固壁面yplus进行后处理，发现机匣、轮毂及大部分叶片处接近于零，最大 yplus位于动叶前缘和静叶前缘两处，为5.27，满足小于 10 的仿真计算要求，yplus(y+)云图见图 5。其余湍流模型下最大 yplus未超过 10。机匣动叶前缘轮毂静叶前缘12345y+图 5yplus后处理云图对叶栅流道进行处理，在静压图底上叠加显示速度矢量，可明显观察到吸力面存在逆压梯度，而压力面无，这与轴流风机工作原理相契合。吸力面最大的逆压梯度为 3 856 Pa，压力面压力高于吸力面，最大升压值为 4 249 Pa，分析可见其实现了翼型升压做功的功能，叶栅通道流场信息见图 6。对叶片吸力面附近的流动细节进行查看，通过速度矢量可以看出，沿着吸力面，在叶片表面附近，并未出现分离现象，而且在近壁面流动中，速度趋向于 0，满足附面层流动情况，流场细节见图 7。21技术与市场创新与实践2023年第30卷第2期吸力面压力面气流方向沿着叶片表面流动，未分离图 6叶栅通道流场信息图 7流场细节通过以上分析，表明 SA 湍流模型下，已正确合理获取了叶栅通道流动的流场特征，CFD 计算能够正确有效地预测风机内部流动。同样，对其余湍流模型下流场进行检查分析，均达到了相同要求。3.2计算收敛情况以 SA 模型下的收敛曲线进行分析，可以明显地看到，收敛历史具有显著的三重多重特性，在第三层最粗网格计算 250 步后残差降低至 2 8，以此结果作为初场初值，在第二层较细网格计算 250 步后残差降低至 3 6。在第三层和第二层网格上计算速度较快，可以非常便利地观察到计算稳定性，节省计算时间，提高计算效率。最后，在第一层最细网格上计算500 步后残差降低至 6 1，并在接下来的 500 步中，残差不再下降并保持稳定，表明流场已完全收敛，收敛史见图 8。第三层最粗网格第二层最粗网格第一层最细网格050010001500迭代步数-2-4-6收敛残差图 8SA 计算收敛史对比不同湍流模型下的残差水平，流场计算收敛后，观察残差下降水平，以及在收敛阶段的残差震荡量，结果见表 3。残差水平中，残差下降水平代表着流场细节的捕捉程度，其值越小意味着计算精度越高;收敛阶段残差震荡量代表着求解计算的稳定性，其值越小意味着计算稳定结果越准确可靠。由此可见，SA 和 SST 模型具有高精度和高准确度的特点。31创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023表 3各湍流模型下残差变化序号湍流模型残差降低水平收敛阶段残差震荡量1BL5 80 0802SA6 10 0053LKE4 30 2004SST6 10 0055V2F3 90 6003.3数值计算结果以1 100 Pa 为背压设置在出口边界条件上，利用NUMECA 软件处理模块 CFView，计算可得，BL、SA、LKE、SST、V2F 湍流方程下所计算出的风机流量分别为 2 117 kg/s、2 096 kg/s、2 089 kg/s、2061 kg/s、1.91 kg/s，对于上述计算结果，需要结合试验结果评价其准确性。4试验结果及对比按照 GB/T 12362017工业通风机 用标准化管道性能试验 规定的 B 型装置对风机进行性能测试，试验装置原理图如图 9 所示。123456气流方向1气压/温度计;2被试品;3联接段;4U 型管;5质量流量计;6节流锥。图 9风机性能测试装置原理图按照 GB/T 12362017 的要求，通过控制节流锥不同开度，在保持 U 型管特定压力值的情况下，即控制风机的静压，来测试不同风压下轴流风机的风量，通过标准中的换算，最终得出产品气动性能结果(见表4)。表 4风机气动性能测试结果序号流量/(kg s1)压力/Pa备注12 1240022 1160032 0480041 9890051 971 00061 951 100设计工况71 871 200对各湍流模型的计算评价不仅仅停留在残差水平的单一指标上，需要结合试验结果评价其准确性以及各湍流模型计算开销，即需要的计算时间，相关统计结果见表 5。结果表明:5 种湍流模型下的仿真计算结果，与试验的偏差均控制在了 10%以内，在一定意义上均可用作工程计算。计算开销最小的为代数(零方程)模型 BL，准确度最高的为SST。综合分析，SST 具有最优的表现。考虑到设计计算的迭代性，具有实践意义的计算模型可以设定为利用 BL 模型进行快速筛选计算，进而采用 SST模型进行详细计算。表 5各湍流模型下设计工况性能对比情况序号湍流模型计算质量流量/(kg s1)与试验值偏差计算时间备注1BL2 1178 6%0 72SA2 0967 5%1 03LKE2 0897 1%1 24SST2 0615 7%1 35V2F1 9102 1%1 9计算时间为相对值，以 SA 模型对参照规化为 15结论本文根据风机设计理论以小型高速轴流风机设计结构为输入，利用商用软件 NUMECA 开展轴流风机仿真，在不同湍流模型下进行 CFD 性能数值预测，并对仿真和试验结果进行分析对比论述，主要结论如下。1)基于 NUMECA FINE/Turbo 软件，在不同湍流模型下开展小型高速轴流风机性能仿真分析，结合试(下转第 18 页)41创新与实践TECHNOLOGY AND MAKETVol30，No2，2023检测单元外罩进行了优化设计，详细如图 6 所示。该新型外罩设计，极大地降低了系统监测时由动车组过车造成的地面振动影响，也可防止外部踩踏，经现场测试达到改进预期。图 6LY 系统新型外罩设计3结语LY 车轮踏面等效锥度检测单元在既有 LY 系统上加装实现，通过检测原理分析、方案论证以及现场实车数据对比验证，满足动车组车轮等效锥度的日常运用监测要求，其检测精度符合机辆动客函202136 号要求，具备推广应用价值。参考文献:1 高静涛 动车组不落轮车床等效锥度及车轮多边形检测功能的设计与实现J 铁道机车车辆，2018(5):51 55 2 朴明伟 最佳轮轨匹配评价 5 原则 J 大连交通大学学报，2010(3):1 8 3 吴宁 等效锥度的计算及验证J 铁道机车车辆，2013(1):49 52 4 高静涛 轮对状态动态检测系统应用综述J 铁道技术监督，2009(7):10 12作者简介:顾小山(1973)，男，江苏大丰人，本科，高级工程师，从事动车组运用检修工作。(上接第 14 页)验测试结果，数值模拟结果与试验结果相比偏差均未超过 10%，5 种低雷诺数湍流模型(BL、SA、LKE、SST、V2F)均具有较好的工程使用意义。2)运用 NUMECA 软件进行数值仿真计算，结果表明 SA 模型具有准确性、稳定性和计算开销综合性能最优的特点，在性能预测中可以很好地使用。其中，BL模型具有计算开销最小、收敛史较好、准确度较好的特点，SST 型具有计算开销较大、收敛史最好、准确度最好的特点。在实际工程计算中，可以先利用 BL 方程开展快速筛选计算，再使用 SST 模型进行详细计算。随着航空技术的发展，小型高速轴流风机将越来越多地应用在环控热管理系统中，具有广阔的市场前景，本文基于 NUMECA 软件开展了小型高速轴流风机的性能预测与试验对比的研究，总结提出了适用于中低压轴流风机空气动力性能计算模式，能够为该类风机性能预测提供有价值的信息，并为同类风机的设计计算提供可靠的依据。参考文献:1 续魁昌 风机手册 M 北京:机械工业出版社，2004 2 高红霞，余建祖，谢永奇 直升机用高转速、小流量轴流风扇设计 J 航空动力学报，2006，21(1):120 124 3 杨金广，吴虎 双方程 k-SST 湍流模型的显式耦合求解及其在叶轮机械中的应用 J 航空学报，2014，35(1):116 124 4 钟艺凯，杨金广，张敏，等 轴流压气机数值模拟中复杂湍流模型的对比研究 J 风机技术，2020，62(2):9 18 5 王福军 流体机械旋转湍流计算模型研究进展J 农业机械学报，2016，47(2):2 13 6 郭然，贾力平，樊小莉，等 NUMECA 系列教程M 北京:机械工业出版社，2013作者简介:卢继方(1989)，男，山东济宁人，硕士，工程师，研究方向:航空环控热管理附件设计研发。81