風(fēng)機(jī)流場仿真的案例
旋轉(zhuǎn)機(jī)械 流場分析｜基于STARCCM+的多翼離心風(fēng)機(jī)流場分析
04
流場分析
下面對設(shè)計(jì)工況下的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行分析。截取葉輪中間位置的 XY 截面與XZ 截面，網(wǎng)格如圖8所示。在XZ截面上建立速度矢量Vxz的流線分布，如圖10所示。從圖中可見流量大部分靠近蝸殼出口側(cè)流動，并且在蝸殼中形成了非常明顯的上下兩個(gè)二次渦流，這是蝸殼中主要損失之一。其主要的成因是軸向上流動分布不均，造成上下壓力不平衡而形成的二次流動。在XZ截面上建立徑向速度的矢量分布圖，如圖11所示。徑向速度間接代表了葉輪進(jìn)出口的流量分布。從圖中可以更加明顯的看到流量在軸向上分布非常不均勻，其主要原因是空氣從外界進(jìn)入葉輪前由于多翼離心風(fēng)機(jī)軸面流道的特點(diǎn)，無法使軸向進(jìn)氣能很好的均勻的導(dǎo)出徑向出氣，所以無法避免的造成了軸向速度分布不均勻。從優(yōu)化的角度需要對軸面流道和進(jìn)氣裝置的導(dǎo)流特性進(jìn)行優(yōu)化。
圖8 XZ、XY截面示意圖
圖9 XY截面葉輪示意圖
在XY截面上，建立面上葉輪內(nèi)部Vxy矢量的相對速度流線分布圖，如圖12所示。圖中可見葉輪間都或多或少的存在葉間渦，其中約有 2/5 的流道中渦占據(jù)一半位置以上，在流量集中區(qū)域渦相對較小，但仍然存在。因此葉間渦的作用對多翼離心風(fēng)機(jī)中的影響不可忽視。
展開 【流固耦合數(shù)值仿真算例】風(fēng)機(jī)葉片流固耦合數(shù)值仿真
風(fēng)機(jī) 是一種利用輸入的機(jī)械能來增加氣壓，并將氣體排出的機(jī)械。在中國，風(fēng)機(jī)是對 氣體壓縮和氣體輸送機(jī)械 的習(xí)慣簡稱，一般指的是 通風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī) 。風(fēng)機(jī)廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風(fēng)、排塵和冷卻，鍋爐和工業(yè)爐窯的通風(fēng)和引風(fēng)；空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的冷卻和通風(fēng)；谷物的烘干和選送， 風(fēng)洞風(fēng)源和氣墊船的充氣和推進(jìn) 等。 為了更好地了解風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，提高風(fēng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)水平與使用效能，可通過自建高性能并行集群仿真平臺， 利用OpenFOAM開源軟件進(jìn)行計(jì)算， 考慮流固耦合方式對風(fēng)機(jī)葉片上的氣動載荷進(jìn)行分析。 下圖為數(shù)值模擬結(jié)果。
風(fēng)機(jī)在計(jì)算域中的示意圖
風(fēng)機(jī)在計(jì)算域中的示意圖
風(fēng)機(jī)在簡化氣動力下轉(zhuǎn)動效果
流固耦合條件下模擬，可以考慮風(fēng)機(jī)塔架、機(jī)艙的振動響應(yīng)。
在此種模擬方法下，可以輸出風(fēng)場縱剖面速度云圖，考慮風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)。
單風(fēng)機(jī)尾渦效果展示
雙風(fēng)機(jī)尾渦效果展示
葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，其良好的設(shè)計(jì)，可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。考慮流固耦合方式對風(fēng)機(jī)葉片上的氣動載荷進(jìn)行分析，可以為風(fēng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)提供一個(gè)較為全面的建議及分析方法。
展開 ABAQUS：風(fēng)機(jī)應(yīng)力場（考慮流固耦合+離心力）分析案例講解
[圖片]
Workbench fluent風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片流場及溫度場仿真，附詳解視頻及原模型 ￥96
本文檔提供基于ANSYS的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組溫度場仿真全流程指南，涵蓋幾何處理、網(wǎng)格劃分、求解設(shè)置及后處理等核心環(huán)節(jié)，結(jié)合實(shí)用技巧與問題解決方案，助力用戶高效完成熱場分析，支撐機(jī)組熱管理設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。
請使用全英文路徑完成整個(gè)流程。
1. 幾何建模與處理
1.1 幾何導(dǎo)入與預(yù)處理
啟動SpaceClaim模塊
在ANSYS Workbench中創(chuàng)建新項(xiàng)目，拖拽 “fluid flow(fluent)”模塊至項(xiàng)目流程圖。右鍵選擇“edit Geometry in SpaceClaim ”進(jìn)入幾何建模界面。
通過菜單欄“File”→“Import”導(dǎo)入風(fēng)機(jī)模型（支持格式：STEP、IGES、Parasolid等），直接拖拽模型到窗口也行。若模型包含多余部件（如螺栓、支架），需手動刪除以簡化計(jì)算。
幾何切割與旋轉(zhuǎn)操作。平面切割：選擇選項(xiàng)卡中的切割工具，以塔筒底部或葉片根部為參考平面進(jìn)行切割，斷開幾何體的連接。此步驟確保后續(xù)旋轉(zhuǎn)操作僅作用于葉片部分。通過“Move”工具中的“Rotate”功能調(diào)整葉片至停機(jī)狀態(tài)（一個(gè)葉片朝下）。該軟件需要單獨(dú)學(xué)習(xí)操作的，可以關(guān)注作者的其他課程。
合并幾何體：使用“Combine”功能將旋轉(zhuǎn)后的葉片與塔筒合并為單一部件，避免后續(xù)分析中出現(xiàn)接觸面不連續(xù)問題。使用“Repair”工具修復(fù)模型中的微小縫隙或重疊面，確保幾何封閉性。對于復(fù)雜曲面（如葉片翼型），可通過“Simplify”功能減少局部細(xì)節(jié)，提升網(wǎng)格生成效率。
1.2 流體域抽取
創(chuàng)建外部流體域：在SpaceClaim中，選擇“準(zhǔn)備”選項(xiàng)卡，使用“外殼”工具沿風(fēng)機(jī)周圍生成長方體流體域，可以鍵盤上直接輸入數(shù)值。建議尺寸為風(fēng)機(jī)幾何的20-30倍。
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Abaqus流場（流-固耦合）仿真案例講解
Abaqus流場（流-固耦合）仿真案例講解
Fluent仿真實(shí)例：渦輪增壓機(jī)流場仿真
渦輪增壓機(jī)，葉片的轉(zhuǎn)速是28,000 RPM，空氣進(jìn)口溫度是302.6K，進(jìn)口流量是1500 SCFM，壓力出口總壓是153507 Pa。
渦輪增壓器的網(wǎng)格劃分分成3部分：進(jìn)風(fēng)管道、葉片和蝸殼。分別獨(dú)立劃分網(wǎng)格，需要在交界面處網(wǎng)格加密，有利于交界面的數(shù)據(jù)精確傳遞。
渦輪增壓機(jī)的葉片如下：
1、啟動軟件導(dǎo)入網(wǎng)格
1.1 啟動Fluent軟件，選擇3D求解器。
1.2 導(dǎo)入網(wǎng)格。
重排網(wǎng)格分區(qū)，操作：Mesh > Reorder > Domain。
2、模型設(shè)置
設(shè)置湍流模型為k-epsilon模型。
3、材料設(shè)置
渦輪增壓機(jī)的轉(zhuǎn)速很快，會對空氣進(jìn)行壓縮并產(chǎn)生熱量，所以這里將空氣設(shè)置為理想氣體。將空氣設(shè)置為理想氣體，軟件會提示將能量方程啟動。
4、計(jì)算域設(shè)置
首先設(shè)置轉(zhuǎn)速的單位，菜單欄Define > Units…
由于葉片區(qū)域是旋轉(zhuǎn)的，需要設(shè)置impeller區(qū)域。
在打開的設(shè)置頁面設(shè)置如下。
5、邊界設(shè)置
5.1 進(jìn)口inlet邊界，Type設(shè)置為mass-flow-inlet類型。
5.2 出口outlet，Type設(shè)置為pressure-outlet類型。
5.3 葉片旋轉(zhuǎn)邊界impeller_wall，Type設(shè)置為wall類型。
5.4 其他的壁面設(shè)置，shell_wall和windin_wall，即所有與周圍空氣接觸的壁面。由于增壓機(jī)壁面會和周圍環(huán)境對流換熱，這里將對流系數(shù)設(shè)置為10 w/m2-k。
6、interface面設(shè)置
這里有兩個(gè)對interface面，操作：軟件左側(cè)樹目錄Mesh Interface > Create/Edit…
展開 自主仿真 | 基于PERA SIM的水泵流場仿真分析
0.摘要
本文通過安世亞太自主開發(fā)的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid對水泵內(nèi)流場進(jìn)行計(jì)算分析，得到水泵在不同流量下的特性值。通過這個(gè)計(jì)算分析，展示PERA SIM Fluid的相關(guān)功能，希望對其他工程師有所幫助。
關(guān)鍵詞：水泵；MRF；揚(yáng)程特性曲線；效率特性曲線
1.引言
水泵作為一種廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用領(lǐng)域的流體輸送設(shè)備，其功能和應(yīng)用在現(xiàn)代社會中顯得尤為關(guān)鍵。水泵的主要功能是通過機(jī)械能的作用，將低處的水或其他液體提升至高處，或增加其壓力，以滿足灌溉、供水、排水、制冷、加熱等不同場合的需求。其應(yīng)用不僅限于日常生活，更深入到能源、化工、環(huán)保等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。然而，水泵在運(yùn)行過程中受到諸多因素的影響，如流體的物性、管道布置、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程等，這些因素直接關(guān)系到水泵的性能和效率。因此，對水泵特性進(jìn)行深入研究，不僅有助于優(yōu)化水泵設(shè)計(jì)、提高運(yùn)行效率，而且對于節(jié)能減排、推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。
在水泵的設(shè)計(jì)及優(yōu)化過程中，仿真技術(shù)的重要性不可忽視。通過仿真模擬，研究人員可以在不實(shí)際制造或安裝水泵的情況下，預(yù)測其性能表現(xiàn)，從而大幅縮短研發(fā)周期，減少成本投入。仿真可以模擬各種工作條件和流體特性，分析水泵在不同場景下的效率、穩(wěn)定性和可靠性。此外，仿真還有助于優(yōu)化水泵設(shè)計(jì)，通過調(diào)整參數(shù)和模型，實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。在評估水泵的節(jié)能潛力和環(huán)境影響方面，仿真技術(shù)同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，仿真不僅為水泵研究提供了有效的分析工具，更為水泵技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用提供了有力支撐。
本文通過通用流體分析軟件PERA SIM Fluid對離心泵內(nèi)流場流動進(jìn)行仿真分析，展示PERA SIM Fluid實(shí)現(xiàn)水泵特性研究的方法。
展開 Abaqus管道流場仿真(流-固耦合)案例講解（Part-3）
Abaqus管道流場仿真(流-固耦合)案例講解（Part-3）
WORKBENCH流固耦合案例#292-螺桿（單）擠出機(jī)流場和應(yīng)力仿真
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WORKBENCH流固耦合案例#292-螺桿（單）擠出機(jī)流場和應(yīng)力仿真
01
案例介紹
如圖所示的螺桿（單）擠出機(jī)，擠出量可以設(shè)定為800kgh，螺桿轉(zhuǎn)速340rpm，物料密度700kg/m3，粘度1620Pa.s，物料含水率為30%，要模擬此過程中的流場和螺桿應(yīng)力分布。
內(nèi)耳（耳蝸）流場及藥物傳遞仿真 ￥3500
最近，有研究人員探索發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)流可以用來沿耳蝸運(yùn)輸藥物。穩(wěn)流是一個(gè)非線性過程，伴隨著許多波動的流體運(yùn)動，包括內(nèi)耳的聲波。本篇文檔基于COMSOL軟件，在建立的三維螺旋耳蝸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，仿真計(jì)算了穩(wěn)流效應(yīng)將藥物從耳蝸底部向頂點(diǎn)運(yùn)輸?shù)倪^程。
感興趣的朋友可下載模型了解詳細(xì)過程，也可加我Q：172497934，進(jìn)一步交流與合作
船舶工程-船舶煙氣流場仿真APP
通過船舶工程-船舶煙氣流場分析APP可以快速評估煙囪的高度是否合理。
近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，船舶煙氣排放已經(jīng)成為了一個(gè)備受關(guān)注的問題。受船舶行駛方向、風(fēng)速和風(fēng)向的影響，煙氣從排氣管排出后的流動情況比較復(fù)雜，在個(gè)別情況下還會發(fā)生回卷現(xiàn)象。如果回卷后的煙氣進(jìn)入上層建筑處所，則會影響船員的日常生活和身體健康。為此，一些船東會對煙囪高度提出加高要求（增加2.5~3.0 m），目的是防止煙氣與煙灰回卷。
然而，如何評估煙囪的高度是否合理呢？這里介紹一款船舶工程-船舶煙氣流場分析APP，可以快速評估煙囪的高度是否合理。
該APP可以通過輸入船舶的基本參數(shù)，如船型、排氣管直徑、航行速度、風(fēng)向、風(fēng)速等，對船舶煙氣的流動情況進(jìn)行模擬分析，從而評估煙囪的高度是否合理。該APP還可以提供詳細(xì)的煙氣流場圖和數(shù)值分析結(jié)果，幫助船東和船舶設(shè)計(jì)師更好地了解船舶煙氣流動情況，優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)和排放標(biāo)準(zhǔn)。
對于船東和船舶設(shè)計(jì)師而言，使用該APP可以有效地避免煙氣回卷等問題，減少對船員和上層建筑的影響，提高船舶的安全性和舒適性。同時(shí)，該APP還可以為環(huán)保部門提供數(shù)據(jù)支持，幫助監(jiān)管部門更好地了解船舶排放情況，推進(jìn)環(huán)保工作。
總之，船舶工程-船舶煙氣流場分析APP是一款非常實(shí)用的工具，可以幫助船東和船舶設(shè)計(jì)師評估煙囪的高度是否合理，從而提高船舶的舒適性和安全性，促進(jìn)環(huán)保工作的開展。
訪問Simapps平臺，在線計(jì)算船舶工程-船舶煙氣流場仿真APP：
https://www.simapps.com/v2/engineering-app/all/33159
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流場分析：基于STAR CCM+軸流風(fēng)葉仿真分析
圖6 仿真風(fēng)量對比圖
06
流場分析
湍動能的大小反應(yīng)了壓力的脈動程度，湍動能越大說明壓力脈動越大。
內(nèi)嚙合齒輪泵瞬態(tài)流場仿真
王鑫鑫
安世亞太沈陽分公司
利用ANSYS Fluent軟件能夠方便的計(jì)算齒輪泵工作過程中的性能參數(shù)，本文僅以內(nèi)嚙合齒輪為例，介紹了仿真主要方法，對于其他類型如外嚙合齒輪泵可以此為參考，選擇合適的方法。
在對齒輪泵進(jìn)行流場仿真計(jì)算時(shí)，通常會遇到三個(gè)方面的問題：
1）嚙合間隙如何處理？
2）劃分什么樣的網(wǎng)格？
3）動網(wǎng)格如何設(shè)置？
下面介紹如何使用ANSYS Fluent軟件解決這三方面問題，順利的實(shí)現(xiàn)齒輪泵動態(tài)流場的仿真。
本文所選取的實(shí)例模型如圖1所示，主要包含內(nèi)齒圈、齒輪軸、月牙隔板、泵殼等部件。
圖 1.內(nèi)嚙合齒輪模型
嚙合間隙的處理方法
如圖2，由于齒輪之間的嚙合間隙極小，會給流體域網(wǎng)格劃分帶來很大的困難，而且一般需要采用動網(wǎng)格技術(shù)模擬齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，太小的間隙也會使嚙合區(qū)域網(wǎng)格重構(gòu)時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲，造成計(jì)算不收斂，所以通常都會對嚙合位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?圖2. 齒輪嚙合間隙示意
目前常用的處理方法主要是分離法，即通過增加兩個(gè)齒輪之間的安裝中心距來加大齒輪嚙合區(qū)域的間隙，這種方法保留了輪齒的真實(shí)形狀，但是可能會造成齒輪與其他結(jié)構(gòu)干涉等問題。另一種方法是齒面移動法，即將兩側(cè)齒面分別繞著旋轉(zhuǎn)軸向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，保證嚙合區(qū)最小間隙在0.05mm左右。
展開 壓氣機(jī)動葉流場仿真分析
今天給大家?guī)淼氖遣捎肐NTESIM CFD軟件進(jìn)行壓氣機(jī)動葉流場仿真分析。建立動葉片單流道模型，使用周期邊界條件及單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系SRF方法，模擬動葉旋轉(zhuǎn)流場，分析時(shí)采用 SST kw 湍流模型。
壓氣機(jī)模型
單流道計(jì)算域
選擇“單位設(shè)置" 在彈出窗口中選擇“SI（m,kg,s,K,A）”國際單位
新建物理模型，選擇“Compressible Flow"
進(jìn)行流體仿真控制。
在基本設(shè)置中，流體性質(zhì)選擇“湍流”，湍流模型為SST，介質(zhì)屬性設(shè)置為理想氣體，粘性模型為Sutherland模型
在求解控制中，對流離散項(xiàng)為REO格式，熵修正系數(shù)為0.2；線性方程組求解最大迭代次數(shù)設(shè)置為50次 ；CFL縮減因子設(shè)置為4
設(shè)置分析類型，迭代次數(shù)2000次 ? 勾選“自適應(yīng)CFL”，設(shè)置 CFL初始值為5、衰減因子1.5、增長因子0.5、最小值5、最大值10
設(shè)置入口邊界：
右鍵單擊"邊界條件>入口>亞音速入口” ，選擇節(jié)點(diǎn)組件“inlet”,“入口設(shè)定類型”選擇“熱力學(xué)量”，輸入總溫318K、總壓101325Pa、流動方向?yàn)?Y
設(shè)置出口邊界
選擇節(jié)點(diǎn)組件“outlet”，輸入“靜壓”101325Pa
選擇節(jié)點(diǎn)組件“hub、 “shround”與“wall_yepian”，設(shè)置“恒定熱流” 為0，即絕熱壁面
定義交界面
在彈出窗口中選中組件“peri_1”和“peri_2”，單擊“確定”
設(shè)置周期邊界條件，選擇網(wǎng)格交界面。
展開 基于Fluent電磁流場散熱特性仿真
控制合適的網(wǎng)格尺寸，為計(jì)算熱傳導(dǎo)過程，需對IGBT、整流橋、線圈盤等發(fā)熱元件設(shè)置固體計(jì)算域，因此空氣與各發(fā)熱元件的對流換熱過程可采用流固耦合模型進(jìn)行計(jì)算。
圖2 電磁爐內(nèi)部計(jì)算域網(wǎng)格
2.3 流體控制方程
仿真模型基于RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes）方程。
2.4 邊界條件設(shè)置
電磁爐系統(tǒng)中共有四個(gè)熱源，分別為微晶面板上表面、線圈盤、IGBT和整流橋。微晶面板上表面的熱量主要來自鍋體，可為微晶面板上表面設(shè)置與鍋體相同的固定溫度，因此當(dāng)模擬燒水時(shí)，可設(shè)置微晶面板上表面為100℃。通過實(shí)驗(yàn)測得線圈盤、IGBT和整流橋的發(fā)熱功率分別為100W、7.4W和3.3W左右，因此可為這三個(gè)發(fā)熱元件設(shè)置相應(yīng)的體熱源。樣機(jī)所用軸流風(fēng)機(jī)的型號為SF12025SM，其轉(zhuǎn)速為2500rpm，PQ性能曲線如圖3所示。為節(jié)約計(jì)算成本，縮短計(jì)算時(shí)間，可采用風(fēng)扇模型來模擬風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。發(fā)熱元件與散熱片之間以及發(fā)熱元件與空氣之間的熱傳遞過程采用耦合壁面模型進(jìn)行計(jì)算，其他可忽略熱傳遞過程的壁面，如聚風(fēng)板、導(dǎo)風(fēng)筋、外殼等，可設(shè)置為絕熱壁。風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口和電磁爐出風(fēng)口分別設(shè)置為壓力進(jìn)口和壓力出口。采用定常求解器計(jì)算傳熱及流動過程，即忽略控制方程中的時(shí)間偏導(dǎo)項(xiàng)，這樣計(jì)算出的溫度場和流場均為不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定狀態(tài)。壓力與速度的耦合采用壓力耦合方程組半隱式算法（SIMPLE）來實(shí)現(xiàn)。
圖3 SF12025SM型號風(fēng)機(jī)性能曲線
3 計(jì)算結(jié)果及分析
3.1 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證
為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，需在與仿真模型相同的工況下對樣機(jī)進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。
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