平風(fēng)柵圓倒角出風(fēng)孔流場分析

李建森+朱與倫+王磊

摘 要 為了獲得風(fēng)柵出風(fēng)孔處倒角和倒圓角對風(fēng)柵性能的影響，采用數(shù)值模擬方法研究了兩種結(jié)構(gòu)下風(fēng)柵內(nèi)部的流動細(xì)節(jié)，對比分析流場及其性能參數(shù)，以揭示倒角對改善風(fēng)柵性能的作用機理。研究表明，出風(fēng)孔倒圓角的流動損失更小，氣流更均勻。

關(guān)鍵詞 風(fēng)柵；倒角；流場分析

中圖分類號 F4 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）06-0069-01

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)值計算方法的不斷完善，采用CFD技術(shù)對流動進行數(shù)值模擬、性能預(yù)測以及為改型提供依據(jù)已經(jīng)廣泛的被工程領(lǐng)域所認(rèn)可，并且越來越廣泛的應(yīng)用在各種領(lǐng)域。國內(nèi)外很多工業(yè)機構(gòu)已經(jīng)采用CFD技術(shù)成功地完成產(chǎn)品的改造以及新型產(chǎn)品預(yù)研，取得了顯著的經(jīng)濟效益。采用數(shù)值模擬方法來分析流場的流動細(xì)節(jié)。并以此作為設(shè)計和改進依據(jù)，可大幅度提高設(shè)計效率并降低成本。而且由于不受諸多試驗、測試、經(jīng)費、周期、難以實現(xiàn)極端工作條件以及當(dāng)時測試儀器發(fā)展等客觀條件的限制，基于數(shù)值模擬試驗的設(shè)計方法越來越體現(xiàn)出了其優(yōu)越性。本文的主要研究對象是兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)柵，根據(jù)全三維流場數(shù)值計算技術(shù)，對比研究內(nèi)部的流動現(xiàn)象及其性能。

1 算例簡介

實際模型尺寸進口高度510.83mm，孔深7mm，倒角1mm，外側(cè)兩排倒圓角R3.5mm，內(nèi)側(cè)兩篇倒圓角R2mm，孔之間間隔38mm，共264個小孔，如圖1所示?？紤]到網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格質(zhì)量和計算時間，主要是為了驗證倒角的影響，因此將模型做簡化處理，進口只留下底部50mm，每排各兩個孔，共8個孔，小孔部位尺寸同實際模型一樣。計算用模型只建氣流流體域部分，如圖2所示。分析對比倒角和倒圓角流場以及性能參數(shù)。

2 網(wǎng)格劃分

利用NUMECA軟件的HEXPRESS模塊生成計算域網(wǎng)格。HEXPRESS全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成器是專業(yè)的CFD模擬前處理軟件包，采用了先進的體到面的網(wǎng)格生成技術(shù)和八叉樹網(wǎng)格拆分方法，在物面附近網(wǎng)格被適當(dāng)細(xì)化并投影到物面上，從而形成貼體網(wǎng)格。在計算域中的絕大部分區(qū)域，網(wǎng)格單元都接近于長方體，網(wǎng)格質(zhì)量非常高。對于粘性問題，其通過拆分第一層網(wǎng)格的方法在物面層附近生成各向異性的高質(zhì)量的邊界層網(wǎng)格；而魯棒性強健的優(yōu)化方法通過消除物面附近的負(fù)體積和凹體積網(wǎng)格單元，調(diào)整整體網(wǎng)格的正交性，從而保證了網(wǎng)格的品質(zhì)。網(wǎng)格總數(shù)為355萬，最小正交角26.07°，最大延展比3.229，最大長寬比87.77（見圖3）。

3 邊界條件及數(shù)值方法

數(shù)值計算采用了NUMECA FINE/Open軟件包的Hexstream求解器。本求解器通過Jameson的有限體積差分格式，并與Spalart-Allmaras湍流模型對相對坐標(biāo)系下的三維雷諾平均Navier-Stokes方程相結(jié)合來進行求解，為了獲得定常解采用顯式四階Runge-Kutta法時間推進的方式，還將二階和四階人工粘性項加入進來，以完成對數(shù)值計算中過程中的偽數(shù)值振蕩的消除。另一方面，為了提高計算效率，通過采用局部時間步長、殘差光順、多重網(wǎng)格法等多種加速收斂措施。風(fēng)機輸送過來的風(fēng)，通過集風(fēng)箱等裝置進入風(fēng)柵，風(fēng)柵進口面上的靜壓經(jīng)過風(fēng)柵完全轉(zhuǎn)化為出口的動壓。計算工況點如下：大氣壓101 325Pa，靜壓2 500Pa。給定進口總壓103 825Pa（絕對壓力），進口總溫293K，進口軸向進氣，出口靜壓101 325Pa。

4 收斂曲線和計算結(jié)果

收斂標(biāo)準(zhǔn)為：隨著迭代次數(shù)的增加，進出口質(zhì)量流量的誤差在0.1%以內(nèi)，總性能參數(shù)如壓比、效率、扭矩等不隨迭代步數(shù)的增加發(fā)生變化。在相同的條件下，進口靜壓2 500Pa時，倒圓角風(fēng)柵出口動壓為2 314Pa、質(zhì)量流量為0.010 61kg/s，倒角風(fēng)柵出口動壓為2 032Pa，質(zhì)量流量為0.009 8kg/s。對比性能參數(shù)，可以看出倒圓角的風(fēng)柵的質(zhì)量流量和出口動壓都要高于倒角風(fēng)柵，即倒圓角的損失要小于倒角風(fēng)柵。

5 流場分析

對比兩種結(jié)構(gòu)風(fēng)柵的靜壓等值線圖，倒圓角結(jié)構(gòu)的小孔處靜壓變化均勻有規(guī)律，速度分布較均勻；從馬赫數(shù)云圖來看，倒角風(fēng)柵的小孔壁面處馬赫數(shù)低，說明該處氣流流速低，這點也在氣流流線圖上得到了驗證；從氣流流線圖來看，倒角結(jié)構(gòu)的氣流在拐彎處不能很好地貼合壁面流動，存在氣流沖擊損失和分離損失。

6 結(jié)論

通過兩種結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果以及流場的對比分析表明，在出風(fēng)孔處倒圓角可以減少風(fēng)柵中的能量損失，提高出口動壓，但是考慮到加工工藝問題，采用倒圓角結(jié)構(gòu)的工藝復(fù)雜性很高，制造成本也將比較高，因此在風(fēng)柵設(shè)計時還要多方面進行權(quán)衡和考慮。

參考文獻

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