集流器的结构对风机流场及冷却能力的影响

赵子龙,贾绍华,李明海

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028; 2.大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022)



集流器的结构对风机流场及冷却能力的影响

赵子龙1,贾绍华2,李明海1

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028; 2.大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022)

为研究集流器结构对风机流场及冷却能力的影响，利用Fluent分析软件对风机在不同集流器结构下的流动特性进行仿真模拟，得到不同集流器结构形式下风机流场的分布情况以及风机出口的冷却风流量.通过计算结果的对比分析，得出不完整的集流器结构对整个风机流体分布及冷却能力有少量的影响，但是影响效果不明显.

风机；流场；Fluent

0 引言

风机是电机冷却系统中非常重要的零部件，本文分析的风机主要是由叶轮、机壳、进风口、集流器、出风栅板(起防护作用)等组成.在风机的进风口，我们经常能够看到一个圆弧状的东西，这个就叫集流.集流器的结构形式会影响风机性能，设计良好的集流器流动损失较小，而设计不合理会使进口条件恶化，导致性能下降[1].目前对于集流器的研究主要集中在试验分析小型轴流式风机的数值模拟方面而仿真模拟的分析还不多.随着计算流体力学(CFD)技术的迅速发展，CFD已被广泛应用于流体机械的设计开发中.目前，CFD技术已经发展到可以替代部分研究性试验，国内外已经建成许多数值仿真实验室[2].

本文研究集流器结构对风机流场及冷却能力的影响，利用Fluent分析软件对风机在不同集流器结构下的流动特性进行仿真模拟，得到不同集流器结构形式下风机流场的分布情况以及风机出口的冷却风流量.

1 风机CFD分析的主要内容

本文要研究的内容就是分析两个不同的圆弧形集流器对整个风机流场分布及冷却能力的影响.冷却能力的是以风机相同转速下，出口的空气流量大小为判断标准.用Fluent分析软件对风机在2种不同集流器结构形式下的流动特性进行仿真模拟.

2 物理模型与系统参数

风机性能参数：风机长0.87 m、宽0.72 m、高0.42 m，风扇上有12个叶片.扇叶转速n=3 550 r/min，进风量Q=126 m3/min.方案一为集流器结构完整，集流器的圆弧底面深入到扇叶转动的轮盘下面一定距离，起到完整的导流作用.方案二为

(a)集流器结构完整 (b)集流器部分缺失

(c)整体实体模型 (d)旋转区域模型

图1 风机模型图

集流器圆弧底面结构在距离扇叶转动圆盘一定距离的位置就停止，不伸进转动盘里面.本文的实体模型如图1所示.

3 网格划分与计算模型参数设置

3.1 计算方法及网格划分

风机属于旋转机械，风机旋转区与非旋转区的耦合采用移动参考坐标系模型MRF.流场模拟的湍流采用标准k-e模型，近壁面区域按标准壁面函数法处理.求解方程选用SIMPLE计算方法对风机进行三维湍流流动的数值模拟.在分析过程中把空气当作不可压缩流体来处理并且粘性系数为常数[3].由于风机模型结构复杂，所以我们在这里用STAR-CCM+作为Fluent的前处理器，对其画非结构化四面体网格.

3.2 风机CFD模型参数设置

方案模型计算时，将分离出来的包括旋转叶轮的区设置为转动区，其余区域为静止区域.旋转叶轮的前后盘和叶片壁面类型设置为转动并给定其转速为3 550 r/min，外围壁面则设置为静止状态.方案一、方案二入口边界条件均设为速度入口，保证相同的入口流量126 m3/min，入流方向垂直于壁面，出口均为标准大气压强，出流方向垂直于壁面.

4 计算结果分析

4.1 计算参数及结果

两种计算方案的计算结果均达到二阶精度收敛.计算规模、迭代次数等详细信息列于下表1中.

表1 两方案计算规模、迭代次数

表2列出了两种方案风机进口的静压力值与进、出口质量流量.从表中可以得出在集流器结构完整的风机进口附近静压力值相比于另一方案的要小，同时两个方案的出口质量流量基本不变，相差不到0.1 kg/s，即可知集流器结构不完整对风机冷却能力的影响不大.

表2 两方案入口压力，进出口质量流量

4.2 径向中心截面上速度矢量图

图2为风机径向(沿着x方向)中心截面上速度矢量图，其中黑色部分是风扇壁面.在风机集流器末端，集流器完整与否对局部流场影响还是很明显的.在集流器完整的风机中，由于集流器的导流作用，经过风扇旋转作用流动的空气在遇到固体壁面后，由于其阻挡作用，而风扇又不断的旋转对风有个推动作用力，所以风在无法从出风口排出后开始往上流动，经过集流器的导流作用又进入到风机中[4].在集流器结构缺失的风机中，由于风扇的旋转作用，空气同样有相似大小的流动速度，由于风扇的不断旋转形成推力，空气开始上升，但是由于集流器末端没有伸入到风扇里面，对空气形成不了很好的导流作用，同时集流器末端距离叶轮有一定的距离值，在叶轮吸进去的风中，由于这时的空气有了一定的速度，有一小股气流会直接从集流器末端跟叶轮的的顶端之间的空隙流出去，这时会跟原来由于遇到壁面而上升的空气相遇，阻止了空气流入风扇里面.虽然集流器结构对局部影响大，但是流经集流器末端间隙的空气量很少，对整体流场形成不了大的影响.由两图的对比可知总体上两种方案所得的风机内部流动情况基本趋于一致.

(a)集流器完整截面

(b)集流器部分缺失截面

4.3 扇叶中心截面上速度矢量图

图3为扇叶中心截面上的速度矢量图，从两个图的对比分析可知两者速度分布比较相似，相差很小.空气出现流动速度较大的位置都是在远离出风栅板(顶部)的相反侧.风机内部流体的流动不是特别顺畅，在离心风机的内部存在一个流速较低的区域.从扇叶出来的气流对栅板有一定的冲击，这样会损失一部分动压，而由于栅板的阻挡作用，使其在附近有少量回流产生，不利于空气流出[5].同时我们还可以从图中很明显的看出，在扇叶所在的区域，空气流速是随着扇叶半径的增加而变大的.在风机的四个角落上，都存在细小的涡流，也将对空气的出流有一定的耗损[6].

(a)集流器完整截面

(b)集流器缺失截面

4.4 叶轮静压力云图

图4为风机叶轮的静压力云图，从两图可以很清楚的看出两种方案情况下，叶轮表面的静压力基本上是完全吻合的.静压力最大值都是出现在远离出风口的叶轮底部，而最小值都是集中在远离出风口的叶轮的顶部[7].

由以上分析结果可知，在以不同的集流器结构形式模型计算过程中，风机内部流动规律趋于一致；在集流器结构完整的模型中，集流器对回流的导流作用很小，在集流器结构不完整的模型中，集流器对回流的导流基本不起作用，故集流器结构是否完整对整体流场的影响很小.

(a)集流器完整截面

(b)集流器缺失截面

5 结论

通过对离心风机内部流场的模型建立、数值模拟、计算结果比较与分析，得到的总结和启发如下：

(1)对集流器结构完整和集流器结构部分缺失的模型仿真结果进行对比分析，得出不完整的集流器结构形式对风机内流场分布及冷却能力的影响效果并不大，两方案内部流动规律基本一致；

(2)离心风机内的流场非常复杂，压力与速度分布具有明显的轴不对称性.叶片间流体的速度与压力特性随位置的不同而发生变化，同时在叶轮的中心区域形成了一个流速较低的区域；

(3)由于叶轮带动流体一起旋转，产生离心力，随着半径的增加，流体的速度不断变大，在风机出口附近存在少部分气体回流现象.

[1]徐立超,胡海波.电机散热风扇外流道流场CFD分析[J].防爆电机,2011, 46 (2):18- 21.

[2]张敏革,李鑫钢,刘金成,等.一种多翼离心风机流场模拟与性能分析[J].化学工程,2011,39(11):51- 55.

[3]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M] .北京：清华大学出版社,2004:250- 251.

[4]李同桌,毕鹏飞,蒋楠.基于FLUENT的多翼离心风机内部流场的数值模拟与参数优化[J].河南理工大学学报,2012,31(6):702- 706.

[5]吴永昌.离心风机三维流场CFD模拟分析[J].齐齐哈尔大学学报,2010,26(3):35- 38.

[6]朱凤梅,李钦奉.大型离心风机流固耦合及叶轮震动特性分析[D].镇江：江苏科技大学,2013.

[7]田贵昌,李宝宽,陈中才.离心通风机内部压力场和流场的分析[J].风机技术，2007(6):18- 23.

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

赵子龙(1989-)，男，硕士研究生,主要从事柴油机仿真模拟与性能优化E-mail:912124922@qq.com.

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