基于計(jì)算流體力學(xué)的園林吹風(fēng)機(jī)仿真研究

楊闖，林淑芳，楊柳

（ 1.上海電動(dòng)工具研究所 上海電動(dòng)工具工程技術(shù)研究中心，上海 200031；2.上海汽車(chē)商用車(chē)有限公司，上海 200438 ）

基于計(jì)算流體力學(xué)的園林吹風(fēng)機(jī)仿真研究

楊闖1，林淑芳2，楊柳1

（ 1.上海電動(dòng)工具研究所 上海電動(dòng)工具工程技術(shù)研究中心，上海 200031；2.上海汽車(chē)商用車(chē)有限公司，上海 200438 ）

介紹計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，以DC 18 V園林吹風(fēng)機(jī)為例，使用三維軟件UG建立園林吹風(fēng)機(jī)蝸殼、葉輪以及風(fēng)管流道的簡(jiǎn)化模型，利用ANSYS CFX流體分析軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，對(duì)仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界條件設(shè)置等，分析計(jì)算流體力學(xué)CFX得出的流域風(fēng)速分布曲線和壓力分布云圖。比較仿真的出風(fēng)口風(fēng)速與真實(shí)樣機(jī)所測(cè)得的風(fēng)速，數(shù)值是相近的，得出了計(jì)算流體力學(xué)仿真的準(zhǔn)確性，為驗(yàn)證蝸殼的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

流體分析；園林吹風(fēng)機(jī)；風(fēng)速；CFX

0 引言

電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展大大改變了科技進(jìn)程，流體力學(xué)的發(fā)展也因此出現(xiàn)了嶄新面貌，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)如今，在流體動(dòng)力學(xué)方面，CFD已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域有較好地應(yīng)用。如在航空航天領(lǐng)域模擬飛機(jī)的大公角飛行和機(jī)動(dòng)飛行；在汽車(chē)領(lǐng)域模擬汽車(chē)外流場(chǎng)，計(jì)算對(duì)稱(chēng)面、地面和車(chē)身表面的壓力分布；在氣象預(yù)報(bào)，冶金行業(yè)，油氣開(kāi)采，渦輪水泵等方面都有著廣泛應(yīng)用。

1 概述

目前市場(chǎng)上，常用的計(jì)算流體力學(xué)分析工具除了1981年英國(guó)CHAM公司首先推出求解流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的商業(yè)軟件PHOENICS之外，還有數(shù)十種工具。如采用有限容積法、拼片式塊狀結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)的CFX；第一個(gè)使用有限元法（FEM）的CFD軟件FIDA；采用一些基本的算法解決城市污染預(yù)測(cè)、葉輪中的流動(dòng)、管道流動(dòng)等生活中實(shí)際問(wèn)題的PHOENICS軟件；在計(jì)算穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、牛頓流體及非牛頓流體的流動(dòng)、多孔介質(zhì)中的流動(dòng)、亞聲速及超聲速流動(dòng)方面尤其在汽車(chē)工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛的STAR-CD軟件。

2 實(shí)例應(yīng)用

電動(dòng)工具行業(yè)新產(chǎn)品推出速度快、技術(shù)全面性高、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，對(duì)產(chǎn)品研發(fā)成本、研發(fā)響應(yīng)速度都提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)電動(dòng)工具廠商，尤其是微小民營(yíng)企業(yè)，對(duì)研發(fā)產(chǎn)品性能指標(biāo)的測(cè)定，大多采用功能樣機(jī)——校驗(yàn)測(cè)試的方法。待功能樣機(jī)制作完成后進(jìn)行功能性測(cè)試，對(duì)測(cè)試中的問(wèn)題進(jìn)行圖紙修改。如果偏差太大，需要再次制作功能樣機(jī)測(cè)試，如此反復(fù)，不僅增加了前期的研發(fā)成本，而且前期的周期也會(huì)增大。

本文將以DC 18 V園林吹風(fēng)機(jī)為例，敘述計(jì)算流體力學(xué)在電動(dòng)工具行業(yè)中的應(yīng)用。園林吹風(fēng)機(jī)主要由電機(jī)、風(fēng)葉、左右機(jī)殼（包括蝸殼）、電池包、充電器、風(fēng)管、開(kāi)關(guān)組件等組成，見(jiàn)圖1。

衡量一款園林吹風(fēng)機(jī)性能優(yōu)劣，除了綜合考慮零部件電機(jī)和電池包容量等，出風(fēng)量和風(fēng)速是衡量其優(yōu)劣的關(guān)鍵。風(fēng)速的快慢除了與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，跟風(fēng)葉的設(shè)計(jì)和蝸殼的結(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)系。

圖1 園林吹風(fēng)機(jī)的2D簡(jiǎn)圖

3 仿真模型

3.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)企業(yè)的要求，設(shè)計(jì)一款DC 18 V園林吹風(fēng)機(jī)，利用三維造型軟件UG建立模型如圖2所示。根據(jù)前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，生成包含理想氣體如圖3所示的流體域。流體域包括風(fēng)葉內(nèi)部的流體域以及蝸殼、風(fēng)管、進(jìn)出風(fēng)口處的流體域。

圖2 園林吹風(fēng)機(jī)的3D圖

圖3 園林吹風(fēng)機(jī)的流域模型圖

首先在計(jì)算流體力學(xué)ANSYS CFX軟件中，對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格離散，對(duì)風(fēng)葉、風(fēng)管、蝸殼、進(jìn)風(fēng)口流體區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為1 222 087個(gè)。如圖4所示的網(wǎng)格劃分。

圖4 園林吹風(fēng)機(jī)流域模型網(wǎng)格劃分

3.2 初始環(huán)境及邊界條件設(shè)置

最后，根據(jù)知識(shí)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)后果三分法理論，我們?cè)诔浞掷弥R(shí)服務(wù)的正經(jīng)濟(jì)后果效應(yīng)的同時(shí)，還須關(guān)注知識(shí)服務(wù)的零和經(jīng)濟(jì)后果效應(yīng)和負(fù)經(jīng)濟(jì)后果效應(yīng)，因?yàn)榱愫徒?jīng)濟(jì)后果觀認(rèn)為知識(shí)服務(wù)經(jīng)濟(jì)行為帶來(lái)的正的經(jīng)濟(jì)效益和負(fù)的經(jīng)濟(jì)效益正好處于正負(fù)相抵狀態(tài)，即意味著做無(wú)用功，未收到期望的經(jīng)濟(jì)效益，而負(fù)經(jīng)濟(jì)后果觀認(rèn)為知識(shí)服務(wù)經(jīng)濟(jì)行為僅僅帶來(lái)負(fù)的經(jīng)濟(jì)效益，即給利益相關(guān)者造成純粹的經(jīng)濟(jì)損失。站在理性經(jīng)濟(jì)人角度，我們應(yīng)趨利避害，充分利用知識(shí)服務(wù)的正經(jīng)濟(jì)后果效應(yīng)觀，盡量避開(kāi)知識(shí)服務(wù)的零和經(jīng)濟(jì)后果效應(yīng)觀和負(fù)經(jīng)濟(jì)后果效應(yīng)觀造成的影響。

邊界條件是進(jìn)行CFD分析的必要條件，文中將空氣作為不可壓縮流體且進(jìn)、出風(fēng)口分別與大氣相連通，進(jìn)風(fēng)口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口（pressure inlet），出風(fēng)口邊界條件設(shè)置為壓力出口(pressure outlet)。將模型中的風(fēng)葉流體域、蝸殼流體域、風(fēng)管流體域以及進(jìn)風(fēng)口流體域均設(shè)置為流體區(qū)域（fluid）。

由于本模型園林吹風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，其管道內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)也并不復(fù)雜，故將采用流體力學(xué)中較常用的工程湍流模型k-ε，其中k為湍動(dòng)能，定義為速度波動(dòng)的變化量，其單位為m2/s2。ε為湍流能耗散，即指速度波動(dòng)耗散的速率，其單位是單位時(shí)間的湍流動(dòng)能，如m2/s3。

k-ε模型是在系統(tǒng)方程里引入了兩個(gè)新變量。連續(xù)方程為

動(dòng)量方程為

式中，B為體積力總和；μeff為有效黏度；p′為修正壓力。其表達(dá)式為

式中，μt是湍流黏度，k-ε模型假設(shè)湍流黏度與湍動(dòng)能耗散有關(guān)，即

其中Cμ是常數(shù)，k、ε值直接從湍動(dòng)能耗散方程中求解，湍動(dòng)能方程為

式中，Cε1、Cε2、σk、σε為常數(shù)。

Pk是黏性力和浮力的湍流產(chǎn)物，其方程為

3.3 CFX仿真結(jié)果及分析

根據(jù)企業(yè)的測(cè)試報(bào)告，電機(jī)空載轉(zhuǎn)速約為13 500 r/min，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速為9 500 r/min。進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)分析時(shí)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)速設(shè)置為9 500 r/min。分析結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 中間截面速度流線

圖6 中間截面靜壓云圖

圖7 整體靜壓云圖

圖8 整體流線圖

企業(yè)根據(jù)功能樣機(jī)采用如圖9所示的測(cè)速儀測(cè)得此款DC 18 V吹風(fēng)機(jī)風(fēng)速約為60 m/s，按照1 Mph=1．6 km/h計(jì)算，約等于135 Mph。而計(jì)算流體力學(xué)CFX仿真分析的出風(fēng)口流速為圖10所示59．5 114 m/s，誤差低于0．5%，仿真分析的結(jié)果與實(shí)測(cè)值非常接近，因此流體分析仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際的情況。根據(jù)流體仿真分析，還可計(jì)算得出圖10所示的數(shù)據(jù)。

圖9 測(cè)速儀

圖10 CFX分析處理器數(shù)值截圖

式中，Q是風(fēng)量，單位為m3/h，V是風(fēng)速，單位為m/s，S是出風(fēng)口面積，單位為m2。

當(dāng)S是0．0 142 876 m2時(shí)，求得風(fēng)量Q為137．36 m3/h。

如圖10所示葉輪扭矩為0．3 368 N·m，根據(jù)公式P=T×n/9．55，其中轉(zhuǎn)速n為9 500 r/ min，算得軸功率為335 W。

出口壓力為1 083．65 Pa。

由公式可算得全壓效率為56．73%。

從CFX流場(chǎng)的靜壓云圖可以看出，進(jìn)風(fēng)流域和出風(fēng)流域處的壓力分布都很均勻，表明氣流在進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)區(qū)域都沒(méi)有出現(xiàn)氣流回流現(xiàn)象。風(fēng)葉流域和蝸殼流域起到了很好的整流作用。

從CFX流場(chǎng)的速度云圖來(lái)看，風(fēng)葉和蝸殼處有些許回流和渦流現(xiàn)象。未來(lái)若需提高出風(fēng)口風(fēng)速，可以使用CFD流固耦合仿真，對(duì)風(fēng)葉和蝸殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體仿真，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)ANSYS CFX對(duì)園林吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行流體分析，使用計(jì)算流體力學(xué)仿真的結(jié)果與真實(shí)樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果是基本一致的，表明流體分析的準(zhǔn)確性。在電動(dòng)工具的應(yīng)用實(shí)踐中，流體分析還可以對(duì)進(jìn)出風(fēng)口、排風(fēng)結(jié)構(gòu)、葉輪、氣體的冷卻、防塵等流動(dòng)效果進(jìn)行評(píng)估，從而可以?xún)?yōu)化流道、減少流動(dòng)損失、提高流動(dòng)效率。

[1]謝龍漢，趙新宇，張炯明． ANSYS CFX流體分析及仿真[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2012．

[2]楊闖．基于ADAMS的修枝機(jī)變速箱機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真分析研究[J]．電動(dòng)工具，2015(2)．

[3]周建輝．航空電子設(shè)備冷卻軸流風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2009，(03)：634-642．

[4]吳荔星，劉正偉，鄭宗峰．電動(dòng)工具研發(fā)中的CAE技術(shù)應(yīng)用[J]．電動(dòng)工具，2009，(2)：7-17．

Research on Garden Blower Simulation Based on Computational Fluid Dynamics

Yang Chuang1, Lin Shufang2, Yang Liu1
(1. Shanghai Electric Tool Research Institute Shanghai electric tool engineering technology research center, Shanghai 200031, China; 2. SAIC Motor Commercial Vehicle Co., Ltd., Shanghai 200438, China)

Introduce the present development status of computational fluid dynamics, with DC 18V garden blower as an example, using three-dimensional software UG establish simplified models of garden blower scroll case, impeller and air duct flow. Use ANSYS CFX fluid analysis software and standard model to mesh the simulation model, set the boundary conditions and so on. Analysis and calculate the watershed wind speed distribution curve and pressure distribution nephogram. Compare the wind velocity of simulation outlet to which provided by the real prototype, and the numerical value is close, obtaining the accuracy of computational fluid dynamics simulation, and provide the basis of the stability of scroll case verification and structure optimization.

Fluid analysis; Garden blower; Wind speed; CFX

TM02

A

1674-2796（2015）06-0001-04

2015-09-10

楊闖（1988—），男，碩士研究生，工程師，主要從事充電式園林工具與電動(dòng)工具整機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的工作。