FLUENT 的风机选型中的应用

李洪旗

（同方威视技术股份有限公司， 北京 100085）

0 引言

在某些工程设计中经常会涉及到风机选型。 风机选型需要知道三个参数一是气体密度，二是系统流量，三是系统的在此流量下风机出风口的静压[1-2]。 气体的密度是选型过程中第一要素， 可通过实测或风机工作环境计算得出。 流量参数根据系统要求选择，但风机出口的静压，则与系统机构密切相关。 规则且典型的结构可以通过查找经验公式进行估算，但对于不规则，不典型的结构，一般需要通过实验的方法测量。实验方法结果准确，但是周期长，成本高[3]。近年来随着计算机仿真技术的发展，应用仿真技术可以比较好的解决这个问题。 FLUENT[4]流体仿真，是通过有限元方式构建系统流体空间，然后通过特定的流体模型对其进行计算，最终获得仿真数据。这种计算方式比传统经验估算方式适应范围更广，数据更可靠，在风机选型中有重要意义。

1 模型的建立

1.1 物理模型

此系统模型为一个喷吹装置与直径0.2m，长度10m的风管连接[5]。 风管的入口与风机出口连接，喷吹装置的出口与大气相通，具体结构外形如图1 所示。 仿真方案是通过在入口给予几个不同速度大小的流体介质（出口均为大气压，表压为0Pa），计算出不同入口流速下，入口的流体静压， 流体介质为空气。 因为模拟的气流速度都低于100m/s，所以空气作不可压缩流体处理[6]。 最后以风速为横轴，静压为纵轴做图，即可得到此系统的阻力特性曲线。

图1 系统物理模型

1.2 数值计算的数学模型及求解方法

在计算过程中假设： ①整个流动过程中无能量交换即不需使用能量方程；②空气密度为一常数，即流动为不可压缩流动。 连续性方程（质量守恒方程）和动量方程（动量守恒方程）可以简化为[7]：

计算中选用Patankar 和Spalding 建立的SMPLE 算法 （压力耦合方程的半隐式算法） 的改进型算法-SMPLEC 算法进行CFD 数值模拟求解。 空间离散格式采用二阶迎风格式格式（Second Order Upwind），这种格式常用于除六面体网格以外的其他格式 （在喷吹装置模型的网格划分中， 将网格划分为四面体网格）。 湍流模型采用Realizable k－ε 两方程模型[8]，该模型已经被有效运用于混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动、旋转均匀剪切流等多种不同类型的流动模拟， 模型中关于k 和ε的运输方程为：

式中：ρ—流体密度；xi，xj—各坐标分量；σk，σε—湍动能k和耗散率ε 的湍流普朗特数；Gk—由平均速度梯度所产生的湍动能；Gb—由浮力影响所产生的湍动能；YM—可压缩湍动脉动膨胀对总的耗散率的影响；μ—分子黏性系数；μt—湍流黏性系数；Sε和Sk—用户针对该模型所自定义的源项。

1.3 网格划分

合理的网格，不仅能提高数值计算的精度，更能加大计算的收敛速度。

图2 是风管及喷吹装置有限元网格划分结果， 风管位置无截面尺寸变化， 结构简单， 因此网格划分相对稀疏。 喷吹装置截面尺寸变化大，结构相对复杂，因此网格相对密集[9]。 在实际工况计算前，先采用3 种不同网格数量进行计算。 以便对有限元网格的无关性，进行验证。

图2 风管及喷吹装置有限元网格

对三种不同网格（Grid1=1.5 万，Grid2=3.3 万，Grid3=5.2 万）的计算结果进行比较分析，对距离喷吹装置出口某处结构断面位置提取7 个监测点仿真数值， 作静压和速度分布图，分别见图3 和图4。 从图中可看出，不同网格数对计算结果影响比较小，可认为网格已达到无关性。综合考虑计算精度及计算成本， 实际采用网格Grid2 进行实际多工况仿真计算。

图4 速度分布图

2 边界条件

设置图1 入口的边界条件为速度入口条件。

设置图1 出口的边界条件为压力出口条件， 由于出口始终连接大气，所以出口压力始终0Pa（表压）。

设置图1 边界的边界条件为固定壁面条件。 壁面采用无滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数。

流体介质空气密度，依据风机测试的环境温度，大气压力按如下公式换算。

式中：ρ—密度；P2—实际压力；P1—标准大气压；T —热力学温度；t —摄氏温度。

风机测试环境摄氏温度t=-15℃， 实际压力P2=98510Pa，标准大气压P1=101325Pa，计算得出风机使用环境空气密度ρ=1.33kg/m3。

3 仿真结果分析

截取入口风速11m/s，出口压力0Pa，仿真结果如图5到图9 所示。

图5 系统静压云图

图5 是系统静压云图， 从图中可以看出系统入口静压992Pa，出口静压0Pa，在风管段静压基本不变，在喷吹装置局部，静压从992Pa 降至0Pa。

图6 是系统速度云图， 从图中可以看出系统入口风速11m/s，出口风速38.7m/s。 在靠近边界附近，风速基本为0m/s，表示靠近边界位置，由于流体的粘性作用，流体与接触面保持相对静止。

图6 系统速度云图

图7 是系统全压云图， 从图中可以看出入口全压约1063Pa，出口全压约724Pa，出口全压较入口全压下降，这个差值就是流体在系统流动过程中的压力损失。

图7 系统全压云图

图8 是风管流线图， 从图中可以看出风管段的流线由于风管段流体结构规则，没有截面突变的结构，流线基本平行于边界，属于层流，流动状态简单。

图8 风管流线图

图9 是喷吹装置流线图[11-12]，从图中可以看出此段流线由于流体区域空间结构的复杂变化， 导致这个区域流动状态相对复杂，已出现涡流。因此这段的压力变化很难通过经验公式进行计算[13]。

图9 喷吹装置流线图

图10 是仿真后得到的系统阻力特性曲线，横坐标为入口风速，纵坐标是相应的入口静压。

图10 系统阻力特性

从图10 仿真数值曲线可以看出，系统入口风速和入口静压，近似呈现线性关系。 随着入口风速的增加，入口静压也随之升高。

4 风机选型

根据测试需要， 选取出风口风速35m/s 为系统工作点，出风口面积0.01m2，根据以下流量式（1），计算风机流量0.35m3/s。 根据流量不变原理（式2），换算出系统入口风速约11m/s。 根据仿真结果，系统入口风速11m/s 时，系统入风口静压992Pa。 则选取风机参数为出风口风速12m/s，出口静压1100Pa（有预留）。

式中：Q—风机流量；S—出风口面积；V—出风口风速。

式中：Q入—入风口流量；Q出—出风口流量。

5 测试内容

5.1 测试准备

测试器材准备风速计，测速范围0～30m/s，压差计，测压范围±35kPa，组装系统（图11），在风机出风口侧面预留静压测压口。为进一步验证FLUENT 仿真精度，实验中测量系统几个工作点对应的风速与静压关系， 风机电机增加变频器控制[14-15]，对风机出风口风速在5～11m/s 范围控制调节。由于风机出风口风速直接不易直接测量，根据流量不变原理， 通过测量喷吹装置出风口风速换算出风机出口风速。在测试过程中，将风机出口风速调整到各个工作点风速附近（5m/s，7m/s，9m/s，11m/s）。

5.2 测试结果

表1 是实验测得的4 组数据， 其中数据（940Pa，10.6m/s）是风机电机2000RPM，正常工况工作点测得，其它三组由变频器控制风机电机转速测得。通过图10 及表二数据，可以看出仿真与试验数据对比结果，系统入口静压误差分别为9.5%、6.1%、8.6%、5.2%， 数值均在10%以内，如果同时考虑到入口风速误差的影响，则仿真的入口静压误差将更小。

表1 测量相关数据

表2 实际测量数据与仿真数据对比误差

6 结论

以上通过FLUENT 软件对系统的阻力特性进行了数值仿真，根据仿真结果，选型风机型号。 最后经过试验测量对比，风机在正常工况工作点的误差结果，满足工程需要，并且扩大的3 组实验数据说明，软件仿真数据的可靠性。 FLUNET 软件使用方便， 可对复杂流场参数进行模拟，对系统设计选型提供了可靠的量化数据，对系统选型优化有重要意义。