2研究对象
本文研究的对象是离心风机在内部流场进行模拟分析。本章主要介绍离心风机结构以及一些结构参数。
2.1 结构尺寸
离心风机耳的结构如图2.1所示，主要由叶轮、机壳、进口集流器、导流片、电动机等部件组成。
图2.1 离心风机结构简图
Fig.2.1 Structural diagram of centrifugal fan
1- 进气室；2-进气口；3-叶轮；4-蜗壳；5-主轴；6-出气口；7-扩散器
叶轮旋转产生的离心力使空气获得动能, 然后经蜗壳和蜗壳出口扩散段将部分动能转化为静压。这样,风机出口的空气就是具有一定静压的风流。
从结构上看离心风机与轴流风机有以下区别：升压较大：蜗壳普遍采用矩形截面，制造工艺简单，适于焊接；缺点是流量较小。由于气体从进气口轴向吸入要转约度转进入叶道，故其流道较复杂，同时也势必产生各种损失，因此一般说，效率远低于轴流通风机。再有离心式通风机体积较大，给安装、运输带来一定的困难。
2.2 研究对象的结构参数
本次研究的离心风机属于主要技术参数为：20个叶片，叶轮转速为1862.4转/分钟，额定流量为30kg/s。具体参数如表2.1所示。
表2.1 研究对象设计参数
Tab.2.1 Design key parameters of radial compressor
叶轮转速 叶轮额定流量 叶片数目 风机类型 进口直径
1862.4转/分钟 30kg/s 20个 离心通风机 0.8m 2.3 本章小结
1、熟悉离心风机的外部结构。
2、了解本次研究的离心风机的结构参数及运行工况。
3数值模拟
与实验相比，数值模拟能够反复进行，方便地控制和调整参数，在理论研究和实验之间搭起了一座“桥梁”。数值模拟可以研究一些非常复杂的过程，可重复性强，可以灵活的改变初始条件、边界条件以及几何边界条件，可以获得整个流场的流动信息，从而能够更加透彻地对整个流场进行分析，以避免造成极大的经济损失和人力浪费。随着计算机性能的高速发展，数值模拟在各门学科的研究中应用将更加广泛，起到越来越重要的作用。基于上述原因，本章对离心风机叶片内部流场进行了数值计算。
3.1 控制方程
任何流动都要遵循基本的守恒定律，包括：质量守恒定律（连续性方程）、动量守恒定律（动量方程或N-S方程）和能量守恒定律（能量方程）。对于定常流动，其时均形式的控制方程组为：
连续性方程：
div?V?0 (3-1)
动量方程：
?p??(?u?2)?(?u?v?)?(?u?w?)?div?uV?div(??gradu)???????Su (3-2a)
?x??y?z???x??????p??(?u?v?)?(?v?2)?(?v?w?)?div?vV?div(??gradv)???????Sv (3-2b)
?y??x?y?z??????p??(?u?w?)?(?v?w??(?w?2)?div?wV?div(??gradw)???????Sw (3-2c)
?z??y?z???x???
能量方程：
?k????u?T?????T???w?T?div?VT?div?gradT???????x?y?z?c????
?????????S?T （3-3）
式中，速度矢量V在x、y、z方向的速度分量分别为u、v、w (m/s)；
?为流体的动力粘滞系数(Pa·s)；
Su、Sv和Sw是动量守恒方程中的广义源项；
T为热力学温度(K)，c为比热容(J/(kg·K))；
k为流体的传热系数 (W/(m2·K))，ST为粘性耗散项；即流体的内热源以及
由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。
由于上述方程式（3-1）、式（3-2a）～（3-2c）和（3-3）中出现了u、v、w、
p、T、?和Reynolds应力等七个未知量，这样为了使基本方程组封闭以便求
解还需要补充气体状态方程和湍流模型。对于理想气体状态方程为
p??RT （3-4）
式中，R为摩尔气体常数（＝287 kJ/kg·K）。
建立在涡粘性概念基础（Eddy Viscosity Model）上的湍流模型主要有零方程模型、一方程模型和两方程模型。一方程模型被认为是代数模型和两方程模型之间的桥梁。其中，Spalart-Allmaras（简称S-A）一方程模型其容错功能好，处理复杂流动的能力强，S-A模型已得到广泛应用。S-A模型与B-L模型相比，其湍流涡粘场是连续的。S-A模型优于k??模型（两方程模型）之处在于其容错性好，计算量少，同时又有较高的精度。由于模型方程的因变量函数在对数律区内与到壁面的距离成线性关系，所以可以使用相对于低雷诺数模型较粗的网格。以往的研究结果证明，该湍流模型能够准确地预测轴流叶轮机械内部流场和叶顶间隙流场的流动，因此本文选用的湍流模型为S-A一方程模型。
3.2 计算工具
本次计算工具为NUMECA软件，它主要包括：流体动力学分析软件和设计优化软件两大类。本次主要应用NUMECA的三大模块IGG、FINE、和CFVIEW分别对空调室外机风扇进行网格划分、数值模拟和结果处理。（1）分析软件包有FINE/TURBO、FINE/AERO、和FINE/HEXA 等，其中均包括前处理，求解器和后处理三个部分。FINE/TURBO 用于内部流动，FINE/AERO 用于外部绕流，FINE/HEXA 可用内部或外部流动，但为非结构自适应网格。（2）设计软件包有两个：FINE/DESIGN 和FINE/DESIGN3D。下面向您介绍一下各个部分：
FINE/TURBO，可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘性或无粘内部（其中包括任何叶轮机械:轴流或离心，风机，压缩机，泵，透平等。单级或多级，或正机，或任何其他内部流动：管流，涡壳，阀门等）流动的数值模拟。的其中包括IGG：网格生成器。可生成任何几何形状的结构网格。采用准自动的块化技术和摸板技术。生成网格的速度及质量均远高于其它软件。
IGG/AUTOGRID：网格生成器。可自动生成任何叶轮机械（包括任何轴流，混流，离心机械，可带有顶部、根部间隙，可带有分流叶片，等）的H 形，I 形和HOH 形网格。该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械最好、最方便及网格质量最好的网格生成软件。
EURANUS:求解器。求解三维雷诺平均的NS 方程。采用多重网格加速技术；全二阶精度的差分格式；基于MPI 平台的并型处理；可求解任何二维、三维、定常/非定常、可压/不可压，单级或多级，或整个机器的粘性/无粘流动。可处理任何真实气体；有多中转/静子界面处理方法；自动冷却孔计算的模块；多级通流计算；自动初场计算；湿蒸汽机算；共额传热计算；气固两相流计算；等等。其多级（10 级以上）求解性能良好。
CFVIEW：功能强大流动显示器。可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。特别是可处理和制作适合于叶轮机械的任何S1 和S2 面，及周向平均图。该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械最好的后处理软件。 FINE/HEXA:非结构网格CFD 求解器。该模块的独特性在于：她所采用的网格全是六面体的非结构网格（这是目前最先进的方法之一）；自动自适应的多重网格求解器。
HEXPRESS：非结构网格生成器。可自动生成任意复杂三维几何体的全六面体非结构网格。可直接输入多种作图软件的数据，并对其有自动修补动能。
FINE/DESIGN用于S1 面流场的分析和叶型的再设计。基于反问题方法，即按照用户给出载荷分布而设计叶型。该在设计过程可通过由用户给出的许多约束（包括几何和制造约束）来控制。该独特的工具采用NUMECA 的技术并在所有速度范围（可压缩和不可压缩）内求解NS 方程。可用于轴流和离心机，可带有分流叶片。其界面非常友好，可在一小时左右优化一个叶片。该反设计方法的发展起始于冯卡门流体力学研究院。所集成的截面FINE/DESIGN 得到四个主要的叶轮机械厂家的协助，他们是：SARLIN, SNECMA/SEP, GRUNDFOS 及THERMODYN 等。
FINE/DESIGN3D 是一个空前新颖的，用于新型、高效三维叶型设计和优化的软件工具。它给用户提供了一个设计叶轮机械的新概念。该软件是在国际上（日、美、欧）叶轮机械行业各主要企业的协做下发展的。它以用户定义的多参数目标函数，以及几何和机械等方面的约束，来定义设计性能目标。该优化设计过程是全自动的，优化范围可覆盖约束之内的整个空间，而不像其它软件采用仅能覆盖非常有限个点的人工尝试和修改的方法。