平風(fēng)柵圓倒角出風(fēng)孔流場(chǎng)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(duì)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(dòng)細(xì)節(jié)，對(duì)比分析流場(chǎng)及其性能參數(shù)，以揭示倒角對(duì)改善風(fēng)柵性能的作用機(jī)理。研究表明，出風(fēng)孔倒圓角的流動(dòng)損失更小，氣流更均勻。

關(guān)鍵詞 風(fēng)柵；倒角；流場(chǎng)分析

中圖分類號(hào) F4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）06-0069-01

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)值計(jì)算方法的不斷完善，采用CFD技術(shù)對(duì)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬、性能預(yù)測(cè)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(lái)越廣泛的應(yīng)用在各種領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外很多工業(yè)機(jī)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(jì)效益。采用數(shù)值模擬方法來(lái)分析流場(chǎng)的流動(dòng)細(xì)節(jié)。并以此作為設(shè)計(jì)和改進(jìn)依據(jù)，可大幅度提高設(shè)計(jì)效率并降低成本。而且由于不受諸多試驗(yàn)、測(cè)試、經(jīng)費(fèi)、周期、難以實(shí)現(xiàn)極端工作條件以及當(dāng)時(shí)測(cè)試儀器發(fā)展等客觀條件的限制，基于數(shù)值模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法越來(lái)越體現(xiàn)出了其優(yōu)越性。本文的主要研究對(duì)象是兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)柵，根據(jù)全三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算技術(shù)，對(duì)比研究?jī)?nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象及其性能。

1 算例簡(jiǎn)介

實(shí)際模型尺寸進(jìn)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(gè)小孔，如圖1所示?？紤]到網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算時(shí)間，主要是為了驗(yàn)證倒角的影響，因此將模型做簡(jiǎn)化處理，進(jìn)口只留下底部50mm，每排各兩個(gè)孔，共8個(gè)孔，小孔部位尺寸同實(shí)際模型一樣。計(jì)算用模型只建氣流流體域部分，如圖2所示。分析對(duì)比倒角和倒圓角流場(chǎng)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(jì)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(jìn)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(jì)算域中的絕大部分區(qū)域，網(wǎng)格單元都接近于長(zhǎng)方體，網(wǎng)格質(zhì)量非常高。對(duì)于粘性問(wèn)題，其通過(guò)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(qiáng)健的優(yōu)化方法通過(guò)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(wàn)，最小正交角26.07°，最大延展比3.229，最大長(zhǎng)寬比87.77（見圖3）。

3 邊界條件及數(shù)值方法

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

4 收斂曲線和計(jì)算結(jié)果

收斂標(biāo)準(zhǔn)為：隨著迭代次數(shù)的增加，進(jìn)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(jìn)口靜壓2 500Pa時(shí)，倒圓角風(fēng)柵出口動(dòng)壓為2 314Pa、質(zhì)量流量為0.010 61kg/s，倒角風(fēng)柵出口動(dòng)壓為2 032Pa，質(zhì)量流量為0.009 8kg/s。對(duì)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(dòng)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(chǎng)分析

對(duì)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?kù)o壓變化均勻有規(guī)律，速度分布較均勻；從馬赫數(shù)云圖來(lái)看，倒角風(fēng)柵的小孔壁面處馬赫數(shù)低，說(shuō)明該處氣流流速低，這點(diǎn)也在氣流流線圖上得到了驗(yàn)證；從氣流流線圖來(lái)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(dòng)，存在氣流沖擊損失和分離損失。

6 結(jié)論

通過(guò)兩種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果以及流場(chǎng)的對(duì)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(dòng)壓，但是考慮到加工工藝問(wèn)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(jì)時(shí)還要多方面進(jìn)行權(quán)衡和考慮。

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