基于ANSYS Workbench混流風(fēng)機(jī)流固耦合分析

戚冬達(dá)，龍海洋，李耀剛，董珈皓

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

隨著人們生活中對風(fēng)機(jī)的流量以及壓力的需求越來越高，混流式風(fēng)機(jī)得到越來越廣泛的應(yīng)用。混流式風(fēng)機(jī)是介于離心式風(fēng)機(jī)和軸流式風(fēng)機(jī)之間的一種風(fēng)機(jī)，其主要適用于高風(fēng)壓、低風(fēng)量的工作區(qū)域[1-2]。

流固耦合是把流體力學(xué)和固體力學(xué)相結(jié)合而形成的一種重要的力學(xué)分析方法，主要研究固體在流場作用下所產(chǎn)生的變化和固體變形對流場的影響[3-4]。胡強(qiáng)運(yùn)用流固耦合的方法對旋通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了分析，首先建立了葉片流固耦合的動態(tài)特性方程，接著運(yùn)用有限元方法對葉片的三維非定常流場的Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，最后應(yīng)用弱耦合的方法對葉片進(jìn)行數(shù)值模擬和流場分析[5]。邵學(xué)博基于ANSYS/CFX軟件對變截面多攻角的亞音速翼型分別進(jìn)行了單向流固耦合分析和雙向流固耦合分析，通過對兩種分析結(jié)果的對比，分析了兩種流固耦合方法的優(yōu)劣之處[6]。Hsu等運(yùn)用流固耦合的分析方法對某5 MW風(fēng)力機(jī)進(jìn)行分析，對于葉輪旋轉(zhuǎn)部分采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，結(jié)果表明由于存在滑移交界面，因此會影響葉片氣動載荷的模擬[7]。

本文基于ANSYS Workbench軟件，對某型號的混流式風(fēng)機(jī)進(jìn)行流固耦合分析，得出其全壓、效率、應(yīng)力以及變形等重要信息；并通過參數(shù)的變化，得出了在不同工況下的流場信息；最后將數(shù)據(jù)擬合，對比選取最優(yōu)的工況，為設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的工況和外形提供了依據(jù)。

1 混流式風(fēng)機(jī)模型

1.1 風(fēng)機(jī)模型建立

本文運(yùn)用SolidWorks三維軟件對混流式風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，風(fēng)機(jī)外徑400 mm，風(fēng)壓最大可達(dá)280 Pa，風(fēng)量最大可達(dá)4 512 m3/h，葉輪葉片數(shù)為6，導(dǎo)葉葉片數(shù)為15，軸流式風(fēng)機(jī)模型如圖1所示。建立整個(gè)流道的三維物理模型，根據(jù)對風(fēng)機(jī)風(fēng)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，需要對進(jìn)、出口區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)募娱L處理，入口區(qū)域?yàn)?倍風(fēng)機(jī)的當(dāng)量直徑，出口區(qū)域?yàn)?倍風(fēng)機(jī)的當(dāng)量直徑[8]。

圖1 混流式風(fēng)機(jī)模型

1.2 風(fēng)道網(wǎng)格劃分

本文利用CFD專用的前處理軟件ICEM來劃分整個(gè)風(fēng)機(jī)流道的網(wǎng)格。由于該風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在建模時(shí)對計(jì)算結(jié)果影響不大的區(qū)域(如電機(jī)、圓角、間隙等)進(jìn)行了省略，并且運(yùn)用布爾運(yùn)算的方法將風(fēng)機(jī)流道部分分成進(jìn)口區(qū)、葉輪區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)以及出口區(qū)4個(gè)子區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)的網(wǎng)格劃分。由于葉輪處的網(wǎng)格劃分比較困難，因此采用了適應(yīng)性更強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分；而進(jìn)、出口區(qū)域的結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，所以在劃分時(shí)采用了相對更加簡便的結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖2所示，總網(wǎng)格數(shù)為3 986 074，具體網(wǎng)格數(shù)和網(wǎng)格類型如表1所示。

2 計(jì)算模型設(shè)置

2.1 計(jì)算參數(shù)設(shè)定

(1) 控制方程。流固耦合所研究的原理就是把流體力學(xué)中的Navier-Stokes方程與固體力學(xué)中的虛功原理相結(jié)合，獨(dú)立求解后得到結(jié)果。基本原理的方程如下：

質(zhì)量守恒方程:

(1)

其中：ρ為密度；t為時(shí)間；u、v、w分別為速度矢量U在x、y、z方向上的分量。

動量守恒方程:

(2)

固體虛功原理：

(3)

(2) 采用多參考系模型(MRF)，按照定常流來模擬旋轉(zhuǎn)區(qū)域。

(3) 求解器選用壓力速度耦合求解器。湍流模型選用應(yīng)用最廣泛、計(jì)算精度比較高的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。求解時(shí)選用SIMPLE算法，對流相差分格式設(shè)置為二階迎風(fēng)格式。

圖2 流道網(wǎng)格

入口區(qū)葉輪區(qū)導(dǎo)葉區(qū)出口區(qū)網(wǎng)格239 6542 198 6011 223 128324 691類型FluidMRFFluidFluid

2.2 邊界條件設(shè)定

入口處采用速度入口，設(shè)定流速為7 m/s，入口大氣壓設(shè)定為默認(rèn)值0 Pa。

出口處為壓力出口，設(shè)定參考壓力值為0 Pa，流場中其他地方的壓力值都是以此為基準(zhǔn)。

葉片和機(jī)殼等位置設(shè)定為Wall，使氣體無法穿過壁面到達(dá)流場之外，壁面均設(shè)定為無滑移邊界條件。交界面處設(shè)置interface，旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。

2.3 材料屬性

空氣材料屬性：溫度20 ℃，密度1.2 kg·m-3，動力黏度1.85×10-5Pa·s。

風(fēng)機(jī)材料屬性：密度7 800 kg·m-3，彈性模量2×1011Pa，泊松比0.3。

3 單向流固耦合分析

基于ANSYS Workbench軟件，將流體分析模塊與靜力學(xué)分析模塊耦合，得到了耦合結(jié)果。

本文的風(fēng)機(jī)材料為Q235，設(shè)定安全系數(shù)為2，計(jì)算得到的許用應(yīng)力為117 MPa。

圖3為葉輪應(yīng)力云圖，其應(yīng)力從葉根處到葉頂處逐漸減小，最大應(yīng)力35.66 MPa，主要出現(xiàn)在葉根處，小于計(jì)算得到的許用應(yīng)力值，滿足風(fēng)機(jī)的使用條件。

圖4為風(fēng)機(jī)葉片的變形情況，從葉根到葉頂總位移逐漸增大，分布梯度明顯，在葉頂處達(dá)到最大變形0.259 mm，在許用范圍之內(nèi)。

圖3 葉輪應(yīng)力 圖4 葉輪變形

4 不同工況下性能對比

設(shè)定入口處的流速分別為4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s、10 m/s七種工況，對每種工況做流固耦合分析，再改變模型中導(dǎo)葉的數(shù)量，得出不同的流固耦合結(jié)果，并將結(jié)果擬合。

圖5和圖6分別為混流式風(fēng)機(jī)的全壓和效率曲線，從圖中可以看出，在整個(gè)工況范圍之內(nèi)導(dǎo)葉數(shù)為15的風(fēng)機(jī)全壓和效率比導(dǎo)葉數(shù)為13和17時(shí)的要高。在設(shè)計(jì)的工況流速6 m/s～8 m/s范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)的全壓和效率最大，全壓最大值可達(dá)到273 Pa，效率最大值可達(dá)72%。同時(shí)驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉數(shù)量的增加，在一開始會使得全壓以及效率增加，但是隨著導(dǎo)葉數(shù)的增多，風(fēng)機(jī)全壓和效率又開始逐漸降低，最佳的導(dǎo)葉數(shù)為15個(gè)。

圖7和圖8為15個(gè)導(dǎo)葉數(shù)情況下風(fēng)機(jī)的應(yīng)力和變形擬合曲線，隨著風(fēng)機(jī)流速逐漸增大，應(yīng)力值和位移值先逐漸變小，到達(dá)最小值之后又逐漸變大，但應(yīng)力和位移的變化范圍都滿足風(fēng)機(jī)的使用要求。

圖5 風(fēng)機(jī)全壓 圖6 風(fēng)機(jī)效率 圖7 葉輪應(yīng)力

圖8 風(fēng)機(jī)變形

5 結(jié)論

本文對混流式風(fēng)機(jī)做了流固耦合分析，通過改變不同的設(shè)計(jì)工況和導(dǎo)葉數(shù)，分析了不同使用條件和導(dǎo)葉數(shù)對風(fēng)機(jī)性能的影響。最終得出：在導(dǎo)葉數(shù)為15個(gè)時(shí)風(fēng)機(jī)的性能最佳，最佳的流速工況范圍在6 m/s～8 m/s，可得到最大風(fēng)壓為273 Pa，最大效率值為72%。同時(shí)最大應(yīng)力和變形也都滿足風(fēng)機(jī)的使用條件，這為風(fēng)機(jī)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

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