集流器的結構對風機流場及冷卻能力的影響

趙子龍,賈紹華,李明海

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028; 2.大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022)

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集流器的結構對風機流場及冷卻能力的影響

趙子龍1,賈紹華2,李明海1

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028; 2.大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022)

為研究集流器結構對風機流場及冷卻能力的影響，利用Fluent分析軟件對風機在不同集流器結構下的流動特性進行仿真模擬，得到不同集流器結構形式下風機流場的分布情況以及風機出口的冷卻風流量.通過計算結果的對比分析，得出不完整的集流器結構對整個風機流體分布及冷卻能力有少量的影響，但是影響效果不明顯.

風機；流場；Fluent

0 引言

風機是電機冷卻系統中非常重要的零部件，本文分析的風機主要是由葉輪、機殼、進風口、集流器、出風柵板(起防護作用)等組成.在風機的進風口，我們經常能夠看到一個圓弧狀的東西，這個就叫集流.集流器的結構形式會影響風機性能，設計良好的集流器流動損失較小，而設計不合理會使進口條件惡化，導致性能下降[1].目前對于集流器的研究主要集中在試驗分析小型軸流式風機的數值模擬方面而仿真模擬的分析還不多.隨著計算流體力學(CFD)技術的迅速發展，CFD已被廣泛應用于流體機械的設計開發中.目前，CFD技術已經發展到可以替代部分研究性試驗，國內外已經建成許多數值仿真實驗室[2].

本文研究集流器結構對風機流場及冷卻能力的影響，利用Fluent分析軟件對風機在不同集流器結構下的流動特性進行仿真模擬，得到不同集流器結構形式下風機流場的分布情況以及風機出口的冷卻風流量.

1 風機CFD分析的主要內容

本文要研究的內容就是分析兩個不同的圓弧形集流器對整個風機流場分布及冷卻能力的影響.冷卻能力的是以風機相同轉速下，出口的空氣流量大小為判斷標準.用Fluent分析軟件對風機在2種不同集流器結構形式下的流動特性進行仿真模擬.

2 物理模型與系統參數

風機性能參數：風機長0.87 m、寬0.72 m、高0.42 m，風扇上有12個葉片.扇葉轉速n=3 550 r/min，進風量Q=126 m3/min.方案一為集流器結構完整，集流器的圓弧底面深入到扇葉轉動的輪盤下面一定距離，起到完整的導流作用.方案二為

(a)集流器結構完整 (b)集流器部分缺失

(c)整體實體模型 (d)旋轉區域模型

圖1 風機模型圖

集流器圓弧底面結構在距離扇葉轉動圓盤一定距離的位置就停止，不伸進轉動盤里面.本文的實體模型如圖1所示.

3 網格劃分與計算模型參數設置

3.1 計算方法及網格劃分

風機屬于旋轉機械，風機旋轉區與非旋轉區的耦合采用移動參考坐標系模型MRF.流場模擬的湍流采用標準k-e模型，近壁面區域按標準壁面函數法處理.求解方程選用SIMPLE計算方法對風機進行三維湍流流動的數值模擬.在分析過程中把空氣當作不可壓縮流體來處理并且粘性系數為常數[3].由于風機模型結構復雜，所以我們在這里用STAR-CCM+作為Fluent的前處理器，對其畫非結構化四面體網格.

3.2 風機CFD模型參數設置

方案模型計算時，將分離出來的包括旋轉葉輪的區設置為轉動區，其余區域為靜止區域.旋轉葉輪的前后盤和葉片壁面類型設置為轉動并給定其轉速為3 550 r/min，外圍壁面則設置為靜止狀態.方案一、方案二入口邊界條件均設為速度入口，保證相同的入口流量126 m3/min，入流方向垂直于壁面，出口均為標準大氣壓強，出流方向垂直于壁面.

4 計算結果分析

4.1 計算參數及結果

兩種計算方案的計算結果均達到二階精度收斂.計算規模、迭代次數等詳細信息列于下表1中.

表1 兩方案計算規模、迭代次數

表2列出了兩種方案風機進口的靜壓力值與進、出口質量流量.從表中可以得出在集流器結構完整的風機進口附近靜壓力值相比于另一方案的要小，同時兩個方案的出口質量流量基本不變，相差不到0.1 kg/s，即可知集流器結構不完整對風機冷卻能力的影響不大.

表2 兩方案入口壓力，進出口質量流量

4.2 徑向中心截面上速度矢量圖

圖2為風機徑向(沿著x方向)中心截面上速度矢量圖，其中黑色部分是風扇壁面.在風機集流器末端，集流器完整與否對局部流場影響還是很明顯的.在集流器完整的風機中，由于集流器的導流作用，經過風扇旋轉作用流動的空氣在遇到固體壁面后，由于其阻擋作用，而風扇又不斷的旋轉對風有個推動作用力，所以風在無法從出風口排出后開始往上流動，經過集流器的導流作用又進入到風機中[4].在集流器結構缺失的風機中，由于風扇的旋轉作用，空氣同樣有相似大小的流動速度，由于風扇的不斷旋轉形成推力，空氣開始上升，但是由于集流器末端沒有伸入到風扇里面，對空氣形成不了很好的導流作用，同時集流器末端距離葉輪有一定的距離值，在葉輪吸進去的風中，由于這時的空氣有了一定的速度，有一小股氣流會直接從集流器末端跟葉輪的的頂端之間的空隙流出去，這時會跟原來由于遇到壁面而上升的空氣相遇，阻止了空氣流入風扇里面.雖然集流器結構對局部影響大，但是流經集流器末端間隙的空氣量很少，對整體流場形成不了大的影響.由兩圖的對比可知總體上兩種方案所得的風機內部流動情況基本趨于一致.

(a)集流器完整截面

(b)集流器部分缺失截面

4.3 扇葉中心截面上速度矢量圖

圖3為扇葉中心截面上的速度矢量圖，從兩個圖的對比分析可知兩者速度分布比較相似，相差很小.空氣出現流動速度較大的位置都是在遠離出風柵板(頂部)的相反側.風機內部流體的流動不是特別順暢，在離心風機的內部存在一個流速較低的區域.從扇葉出來的氣流對柵板有一定的沖擊，這樣會損失一部分動壓，而由于柵板的阻擋作用，使其在附近有少量回流產生，不利于空氣流出[5].同時我們還可以從圖中很明顯的看出，在扇葉所在的區域，空氣流速是隨著扇葉半徑的增加而變大的.在風機的四個角落上，都存在細小的渦流，也將對空氣的出流有一定的耗損[6].

(a)集流器完整截面

(b)集流器缺失截面

4.4 葉輪靜壓力云圖

圖4為風機葉輪的靜壓力云圖，從兩圖可以很清楚的看出兩種方案情況下，葉輪表面的靜壓力基本上是完全吻合的.靜壓力最大值都是出現在遠離出風口的葉輪底部，而最小值都是集中在遠離出風口的葉輪的頂部[7].

由以上分析結果可知，在以不同的集流器結構形式模型計算過程中，風機內部流動規律趨于一致；在集流器結構完整的模型中，集流器對回流的導流作用很小，在集流器結構不完整的模型中，集流器對回流的導流基本不起作用，故集流器結構是否完整對整體流場的影響很小.

(a)集流器完整截面

(b)集流器缺失截面

5 結論

通過對離心風機內部流場的模型建立、數值模擬、計算結果比較與分析，得到的總結和啟發如下：

(1)對集流器結構完整和集流器結構部分缺失的模型仿真結果進行對比分析，得出不完整的集流器結構形式對風機內流場分布及冷卻能力的影響效果并不大，兩方案內部流動規律基本一致；

(2)離心風機內的流場非常復雜，壓力與速度分布具有明顯的軸不對稱性.葉片間流體的速度與壓力特性隨位置的不同而發生變化，同時在葉輪的中心區域形成了一個流速較低的區域；

(3)由于葉輪帶動流體一起旋轉，產生離心力，隨著半徑的增加，流體的速度不斷變大，在風機出口附近存在少部分氣體回流現象.

[1]徐立超,胡海波.電機散熱風扇外流道流場CFD分析[J].防爆電機,2011, 46 (2):18- 21.

[2]張敏革,李鑫鋼,劉金成,等.一種多翼離心風機流場模擬與性能分析[J].化學工程,2011,39(11):51- 55.

[3]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M] .北京：清華大學出版社,2004:250- 251.

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[5]吳永昌.離心風機三維流場CFD模擬分析[J].齊齊哈爾大學學報,2010,26(3):35- 38.

[6]朱鳳梅,李欽奉.大型離心風機流固耦合及葉輪震動特性分析[D].鎮江：江蘇科技大學,2013.

[7]田貴昌,李寶寬,陳中才.離心通風機內部壓力場和流場的分析[J].風機技術，2007(6):18- 23.

Influence of Current Collector Structure on Fan Flow Field and Cooling Capacity

ZHAO Zilong1,JIA Shaohua2,LI Minghai1

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.Dalian Loco.Co.,Ltd,Dalian 116022,China)

To study the influence current collector fan structure on flow field and the cooling capacity,fluent analysis software is used to simulate different current collector flow characteristics,and the distribution of the fan flow field is obtained.Through comparative analysis of the calculation results,it is concluded that the incomplete current collector has a small effect on the fan flow field and the cooling capacity,but the effect is not obvious.

fan;fluid field;Fluent

1673- 9590(2016)03- 0053- 04

2015- 09- 10

趙子龍(1989-)，男，碩士研究生,主要從事柴油機仿真模擬與性能優化E-mail:912124922@qq.com.

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