如何利用Fluent進(jìn)行風(fēng)扇流動(dòng)特性和噪聲特性計(jì)算？

一、風(fēng)扇流場(chǎng)分析

1、案例介紹

風(fēng)扇可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻等很多場(chǎng)景，合理的風(fēng)扇設(shè)計(jì)將極大地提高風(fēng)扇的效率，但由于管道風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)非常復(fù)雜，通過(guò)理論計(jì)算對(duì)其流動(dòng)進(jìn)行定性分析十分困難，風(fēng)洞試驗(yàn)雖然可以得到其流動(dòng)參數(shù)和噪聲特性，但也無(wú)法對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部的流動(dòng)細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。本案例演示如何利用Fluent進(jìn)行風(fēng)扇流動(dòng)特性和噪聲特性計(jì)算。

2、幾何建模和流場(chǎng)計(jì)算域建立

本案例風(fēng)扇外徑為384mm，輪轂直徑為140mm，輪轂比為0.365，8扇葉均勻分布，外流場(chǎng)建模充分考慮到進(jìn)氣試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，入口區(qū)長(zhǎng)度至少為入口處管道直徑的六倍；而出口區(qū)的長(zhǎng)度則應(yīng)保證至少為出口位置管道直徑的十倍；至于旋轉(zhuǎn)流體區(qū)，是指包含了風(fēng)扇本體以及周圍流場(chǎng)的圓柱體區(qū)域，應(yīng)當(dāng)保證其尺寸盡量靠近風(fēng)扇葉片的直徑。

3、模型網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格生成作為仿真計(jì)算中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其結(jié)果直接控制了后續(xù)計(jì)算過(guò)程的效率與精度。為了保證劃分結(jié)果的質(zhì)量，應(yīng)選擇合適的網(wǎng)格尺寸，防止太疏或太密的網(wǎng)格產(chǎn)生，在流量梯度較大的流動(dòng)區(qū)域內(nèi)，應(yīng)當(dāng)盡量提高網(wǎng)格質(zhì)量（高細(xì)密度，較小的歪斜度）；至于梯度小的區(qū)域可以在保證精度的基礎(chǔ)上適當(dāng)較少網(wǎng)格數(shù)目。

本案例旋轉(zhuǎn)流體區(qū)由于包含了風(fēng)扇本體且流動(dòng)情況最為復(fù)雜，為了保證足夠的計(jì)算精度，該區(qū)域網(wǎng)格尺寸最小。管道區(qū)網(wǎng)格尺寸較旋轉(zhuǎn)區(qū)略大。

4、邊界條件設(shè)定與旋轉(zhuǎn)模型選取

完成網(wǎng)格生成后需進(jìn)行邊界條件的設(shè)置。在流動(dòng)的計(jì)算過(guò)程需要設(shè)定的邊界條件包括：

（1）流動(dòng)入口條件：根據(jù)吸氣試驗(yàn)的要求將流動(dòng)入口設(shè)置為壓力邊界條件，其中入口處壓值定義為大氣壓力，且氣體沿軸線方向流動(dòng)；

（2）流動(dòng)出口條件：根據(jù)吸氣試驗(yàn)的要求將流動(dòng)入口設(shè)置為壓力邊界條件，出口壓力值定義為 0，即出口處沒(méi)有外界的作用；

（3）壁面邊界條件：主要為通流區(qū)的管壁表面。

對(duì)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的仿真則是通過(guò) MRF 模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Fluent 中常用的多運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系模型包括：SMM（滑移網(wǎng)格模型）,MPM(混合面模型)以及 MRF（多重參考系模型）?？紤]到風(fēng)扇中氣體運(yùn)動(dòng)屬于定常流動(dòng)，所以選擇計(jì)算量相對(duì)較少的 MRF 基準(zhǔn)。

作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械仿真中最常使用的模型，MRF 模型計(jì)算思路在于：將算法區(qū)間分成數(shù)個(gè)運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立的子區(qū)間，先在各子部分間對(duì)流場(chǎng)方程進(jìn)行求解，通過(guò)各部分間的交界面完成流場(chǎng)信息的傳遞。

作為 CFD 模型中唯一運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流體域，將其邊界條件設(shè)定為 Fluid（流動(dòng)域）。在 Fluent 軟件中選擇 MRF，并且將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速定義為坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)速。

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5、計(jì)算方程選擇與仿真參數(shù)設(shè)置

對(duì)于風(fēng)扇內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，采用定常計(jì)算模型進(jìn)行仿真，且計(jì)算過(guò)程中不考慮重力的影響。利用 SIMPLE 方程完成速度與壓力的解耦，將湍流模型定義為 RNG k-ε 的雙方程模型。

在 Fluent 軟件對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況將流體材料定義為空氣且認(rèn)為風(fēng)扇內(nèi)部流體不可壓縮；由于流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有熱能的交換所以不對(duì)能量守恒方程進(jìn)行求解，只考慮流體連續(xù)方程以及動(dòng)量方程。對(duì)于控制方程中的湍動(dòng)能耗散項(xiàng)以及動(dòng)量項(xiàng)等使用二階迎風(fēng)的離散格式，在迭代過(guò)程中使用欠松馳因子以加速收斂。

6、風(fēng)扇流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

用Fluent軟件對(duì)轉(zhuǎn)速為2000rpm的風(fēng)扇進(jìn)行計(jì)算，得到包括速度矢量圖、壓力云圖結(jié)果如下所示。

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二、風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲分析

1、噪聲分析步驟

在 Fluent 中對(duì)于風(fēng)機(jī)噪聲的仿真是分為兩個(gè)部分先后完成的：

（1）首先使用大渦模擬模型（LES）對(duì)風(fēng)扇流場(chǎng)中的瞬態(tài)控制方程求解獲得流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定值，通過(guò)計(jì)算結(jié)果得到風(fēng)扇的噪聲源（即風(fēng)扇葉片上的動(dòng)態(tài)載荷）；

（2）接下來(lái)則是通過(guò)求解 FW-H 模型的方法對(duì)風(fēng)機(jī)載荷進(jìn)行分析并得到噪聲值。

2、瞬態(tài)流場(chǎng)仿真邊界條件設(shè)定

聲場(chǎng)仿真過(guò)程中由于其 CFD 模型與流場(chǎng)極為相似因此不再另行建立模型，而是對(duì)原有流場(chǎng)模型的邊界條件進(jìn)行修改。由于噪聲特性的仿真屬于非定常計(jì)算，雖然同樣將旋轉(zhuǎn)流體域設(shè)為唯一的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，但是改用滑移網(wǎng)格模型對(duì)風(fēng)扇的動(dòng)葉片與靜止區(qū)域進(jìn)行耦合以保證瞬態(tài)計(jì)算的精確度。

在控制方程的離散過(guò)程中使用PISO 算法代替原來(lái)的 SIMPLE 方法，相比較而言 PISO 算法在原有“預(yù)測(cè)-修正”方法的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)再修正過(guò)程，對(duì)原有計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了二次改進(jìn)，有效的提高了計(jì)算精度與方程的收斂速度。至于迭代過(guò)程中參數(shù)的設(shè)置，將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.0001s，而計(jì)算的截止頻率取 6000Hz，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算 40 次，迭代次數(shù)為 1000。

3、氣動(dòng)噪聲邊界條件設(shè)定與后處理

將2.2節(jié)中的計(jì)算結(jié)果與 FW-H 方程相結(jié)合在葉片表面使用二重積分獲得隨需要的聲壓值信號(hào)，在進(jìn)行噪聲參數(shù)設(shè)定時(shí)，以風(fēng)扇本體為噪聲源，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)則按照 GB/T2888-2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》中的規(guī)定設(shè)置，取風(fēng)機(jī)前 1m 處噪聲結(jié)果作為分析。

最終可以得到1m處噪聲值計(jì)算結(jié)果為78dB(A)，完成聲場(chǎng)計(jì)算過(guò)程后得到的數(shù)據(jù)是時(shí)域信號(hào)，還需使用Fluent 軟件后處理功能中的快速傅立葉變換模塊（FFT）完成時(shí)頻轉(zhuǎn)換獲得聲壓級(jí)頻譜圖，如下所示。

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三、Fluent在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械介紹

旋轉(zhuǎn)機(jī)械指的是可以回轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備，例如發(fā)電機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、汽車引擎、工業(yè)機(jī)械等等。這些機(jī)械設(shè)備通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生能量、驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件或執(zhí)行各種功能。旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、能源等領(lǐng)域。

2、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用

除了上文氣動(dòng)噪聲計(jì)算外，F(xiàn)luent軟件提供了豐富的可以用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的模型，來(lái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)品的流體力學(xué)分析和優(yōu)化，包括參考系模型、滑移網(wǎng)格模型、動(dòng)網(wǎng)格模型、動(dòng)網(wǎng)格和重疊網(wǎng)格模型，一些典型的案例包括：風(fēng)浪條件下海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率分析，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)機(jī)間距等使風(fēng)機(jī)效率達(dá)到最高；船用螺旋槳、飛機(jī)用螺旋槳、飛機(jī)用涵道渦輪等部件設(shè)計(jì)；離心泵空化特性與顆粒磨損特性分析；齒輪泵動(dòng)態(tài)流場(chǎng)模擬......

審核編輯：劉清