利用SOLIDWORKS Flow Simulation驗(yàn)證無(wú)葉風(fēng)扇流量倍增技術(shù)

智誠(chéng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（深圳）有限公司 王漢武

利用SOLIDWORKS Flow Simulation驗(yàn)證無(wú)葉風(fēng)扇流量倍增技術(shù)

智誠(chéng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（深圳）有限公司 王漢武

無(wú)葉風(fēng)扇以其獨(dú)特的造型以及高效的通風(fēng)性能為世人所熟知，其安全性與創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，對(duì)風(fēng)扇行業(yè)產(chǎn)生了較大的影響。本文以無(wú)葉風(fēng)扇為研究對(duì)象，模擬了無(wú)葉風(fēng)扇整機(jī)與外部流場(chǎng)，驗(yàn)證了流量倍增現(xiàn)象。

一、引言

風(fēng)扇在傳統(tǒng)觀念里，都是指帶有葉片的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，依靠旋轉(zhuǎn)出風(fēng)。但到了2009年，英國(guó)的發(fā)明家James Dyson推出了一款新發(fā)明——無(wú)葉風(fēng)扇。無(wú)葉風(fēng)扇沒(méi)有傳統(tǒng)電風(fēng)扇的葉片，它吹出的風(fēng)比較柔和，且無(wú)沖擊感。因?yàn)樗谕庥^上沒(méi)有葉片，可以防止旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇造成誤傷，使用更加安全可靠。其利用出風(fēng)口的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠帶動(dòng)更多周圍的空氣向前運(yùn)動(dòng)，從而使空氣流量增加15倍左右。其工作原理如圖1所示。

圖1 無(wú)葉風(fēng)扇工作原理

二、三維模型的創(chuàng)建

由于無(wú)葉風(fēng)扇物理原型比較復(fù)雜，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)配合的裝置繁雜，包括葉輪、電機(jī)和一些蓋板等。為了進(jìn)行數(shù)值模擬研究，將其中一些部件作了簡(jiǎn)化處理。設(shè)定入口處為一恒定流量入口。簡(jiǎn)化后的模型全流場(chǎng)如圖2所示。

圖2

圖3中包含了無(wú)葉風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)與外部流動(dòng)情況。解釋了在數(shù)值模擬時(shí)，流體從底端進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)出口狹縫流至外界。周圍的空氣也被從狹縫流出的空氣所帶動(dòng)，合流向前運(yùn)動(dòng)。

三、網(wǎng)格劃分

為了保證在狹縫處的計(jì)算精度需要設(shè)置最小間隙為2mm，全局網(wǎng)格為4級(jí)最終劃分網(wǎng)格數(shù)量約為320萬(wàn)，網(wǎng)格切面圖如圖4所示。

圖3 無(wú)葉風(fēng)扇內(nèi)部氣體流動(dòng)方向

圖4 網(wǎng)格結(jié)果

四、設(shè)定邊界條件

本研究中三維數(shù)值計(jì)算以體積流量進(jìn)口為進(jìn)口邊界條件；以環(huán)境壓力為出口邊界條件。入口條件為恒定體積流量27m3/h。計(jì)算域模型直徑為640mm、1000mm和1200mm，分別進(jìn)行計(jì)算模擬和流動(dòng)分析，以便獲取較為合理的計(jì)算域。下面就從速度分布角度來(lái)研究這3種不同計(jì)算域的流場(chǎng)分布情況。

五、速度分布結(jié)果

圖5為不同計(jì)算域模型XY平面速度等高線圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，幾種尺寸的計(jì)算域速度大小接近，速度梯度分布大致相同，基本符合周圍氣流被帶動(dòng)的效果。

圖5 速度分布

流動(dòng)中，除了640mm模型，其余2個(gè)模型風(fēng)圈背后且靠近狹縫處有小面積的相對(duì)高速區(qū)域，且形狀較為接近。而640mm模型由于流動(dòng)計(jì)算區(qū)域尺寸較小的原因，此相對(duì)高速區(qū)域較大，幾乎覆蓋整個(gè)風(fēng)圈中心區(qū)域，此現(xiàn)象極可能是由于計(jì)算區(qū)域較小造成的流體流動(dòng)受擠壓匯聚而引起的。

六、流量倍增原因解析

通過(guò)查看結(jié)果中的表面參數(shù)可以得到參考面的體積流量約為0.0923m3/s，結(jié)果如圖6所示。

圖6 截面體積流量

基座進(jìn)口處的體積流量設(shè)為Q1：

Q1=0.0075m3/s

出口處的體積流量設(shè)為Q2，由于流場(chǎng)每一個(gè)橫截面上的質(zhì)量流量數(shù)值均有差別，所以這里以圖6所示的截面體積流量為例來(lái)計(jì)算說(shuō)明倍率關(guān)系：

Q2=0.0923m3/s

增大倍數(shù)定義為K，即：

K=Q2/Q1=0.0923/0.0075=12.3

由于本研究只考慮了科恩達(dá)曲面對(duì)流場(chǎng)的影響，而忽略了渦輪的影響，因此流量增大倍數(shù)和相關(guān)文獻(xiàn)中提到的約為15倍有一定差別。

七、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了使用SOLIDWORKS Flow Simulation模擬無(wú)葉風(fēng)扇的流動(dòng)情況。介紹了模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)格的劃分以及邊界條件的設(shè)定。分別模擬了不同計(jì)算域?qū)δM結(jié)果的影響。通過(guò)參數(shù)捕捉驗(yàn)證了無(wú)葉風(fēng)扇流量倍增的現(xiàn)象。

《智能制造》雜志征稿通知

一、征文范圍

1.數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造

2.智能設(shè)計(jì)理論、方法及系統(tǒng)

3.自動(dòng)化與現(xiàn)代制造系統(tǒng)

4.機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用

5.虛擬設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)

6.網(wǎng)絡(luò)化控制與制造技術(shù)

7.綠色設(shè)計(jì)與綠色制造中的智能技術(shù)

8.智能加工、智能檢測(cè)與控制

9.數(shù)字企業(yè)與數(shù)字化工廠

10.制造系統(tǒng)建模、運(yùn)行、控制、優(yōu)化與調(diào)度

11.先進(jìn)制造模式與戰(zhàn)略

12.制造信息與知識(shí)處理

13.數(shù)控技術(shù)與數(shù)字化裝備

14.現(xiàn)場(chǎng)總線與無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)

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