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在STAR-CCM+中风扇的三种不同分析方法

2017-04-25王国强邢超赵玉军

汽车实用技术 2017年6期
关键词:流线介质风扇

王国强,邢超,赵玉军

(陕西重型汽车有限公司,陕西 西安 710200)

在STAR-CCM+中风扇的三种不同分析方法

王国强,邢超,赵玉军

(陕西重型汽车有限公司,陕西 西安 710200)

文章通过三种不同的方法对风扇进行了模拟,并用流量和压降对分析结果进行评价。分析结果表明:三种方法均能较准确的模拟风扇,但在流场和压力分布上有一定的差别。

风扇;流场;压降

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-81-03

前言

风扇模型在计算分析中的运用,可使分析结果更贴合实际,但代价就是模型的前处理、计算模型的复杂性增加、计算资源和时间的增加。fan interface的提出,可以避免实际风扇模型给计算带来的诸多不便,可以使计算的收敛更快,但fan interface也有其自身的不足。fan interface 是对fan momentum source的一种简单替代,它通过计算流过轴流风扇的流量或速度模拟风扇的压降,然而却不能像 fan momentum source那样增加旋转。究竟这两者在计算结果上有啥差异,本文将通过对比分析进行探讨。

1、风扇模型的理论基础

1.1 “fan momentum source”介绍

为了更好地模拟轴流风扇的性能,在STAR-CCM+中,使用了源项“fan momentum source”,“fan momentum source”使用了“actuator disk”理论来理论近似风扇的工作过程,在做计算分析的过程中,可以不需要风扇的实际模型。其理论分析过程如下:

为了得到风扇作用到流动介质上的力,本文先从风扇前后介质流动情况的速度三角形来陈述,如下图所示:

图1 风扇叶片进出口速度三角形

符号列表:

Vin:介质进口速度

Vaxial:介质轴向速度

ε:叶片安装角

β:叶片弦线与轴向的夹角

ω:风扇旋转角速度

r:叶片半径

Vout,absolute:介质出口绝对速度

Vout,relativ:介质出口相对速度

介质以Vin进入风扇,并假设Vin= Vaxial,风扇在θ方向上以ω的角速度进行旋转,且风扇叶片本身不扭转。

由连续性方程可得Vaxial.in=Vaxial.out,由动量守恒方程可知:作用于物体上所有力的总和等于通过物体表面的净动量。基于此,在θ方向上有:

这是叶片作用于介质的切向力,而总的力的方向垂直于叶片表面,故叶片作用于介质的轴向力为:

如果将风扇置于x-y平面中,则Fz=Faxial。为了将切向力在直角坐标系下进行表述,现假设有一点P在直角坐标下下的坐标为(xp,yp,zp),c点风扇的中心点,其坐标为(xc,yc,zc),如下图所示:

图2 直角坐标系下风扇位置

为风扇的压升,Ψ为体积流量,C1和 C2是由载荷曲线上两个工作点确定的常数。

1.2 风扇定律

2、三种方案所用模型的介绍

2.1 模型通用部分介绍

模型全长12米,进出口面积相等,直径均为1.3米;进出口段长度相等,且直管段部分的长度为5.1米;风扇段长度为0.125米。

图3 风扇的进气段与出气段

2.2 风扇段不同建模方法

2.2.1 具有实际风扇模型

风扇顺时针旋转,叶片数为9片,直径为704.012mm,覆环直径635mm。见图4。

图5 风扇的计算域

图6 Fan Interface面

图4 实际风扇模型

2.2.2 无实际风扇模型,并启用Moment Source Option项。

在此方法中,并无风扇实际模型,仅保留风扇的计算域,风扇的特性由特性曲线给出。通过Tables和Reference Frames将风扇特性加入到计算域中,并将风扇域中 Momentum Source Option设置为Fan类型。见图5。

2.2.3 无实际风扇模型,无风扇计算域,不启动Moment Source Option项,仅用interface模拟风扇性能。

在此方法中,仅用interface替代风扇。将interface的类型设置为Fan,并通过Fan Curve将风扇特性应用于interface中。见图6。

2.3 风扇特性

当风扇转速为3000rpm时,风扇特性如下表所示:

表1 风扇流量与压升对应关系

3、计算结果及分析

计算分析是在风扇转速一定(3000rpm)、进口流量一定的情况下进行分析计算的。并用风扇压升和风扇后流线对不同方法进行评价。

进口边界类型:Mass Flow Inle 进口流量:8.4kg/s 即6.99m3/s

出口边界类型:Pressure Outlet 出口压力:0Pa (参考压力:101325Pa)

3.1 压力流线图

图7 实际风扇模型压力流线图

图8 风扇域模型压力流线图

图9 Fan interface压力流线图

3.2 三种方式下的压升对比

表2 三种方式下风扇的压升对比

从流线图和表2上看:

(1)由于实际风扇模型有9片叶片,在每个叶片的的后部都有明显的尾流;

(2)相对于实际风扇模型,风扇域模型由于没有风扇实体模型,所以后部流线的分布和旋转都比较均匀;

(3)在实际的分析过程中,Fan interface模型模型简单,计算效率高,但从流线来看,该模型并未考虑气流的旋转,仅仅模拟了通过风扇的压升状况;

(4)从表2来看,三种方法对压升的分析均比较准确,实际风扇模型最好,风扇域模型次之,Fan interface模型的最大偏差也只有-6.7%,也基本能满足分析要求。

4、结论

风扇模型在汽车热管理分析或其它涉及到散热、冷却、通风等方面都有广泛的应用,对不同的分析,考虑的着眼点不同,导致对分析结论的侧重点不同,其中也涉及到模型的复杂程度和计算资源的配置情况,本文对风扇模型的三种处理方法,希望能对计算结果的评价及计算分析过程中模型的选择提供帮助。当然,最好的模型还是实际风扇模型。

[1] 李明,李明高.STAR-CCM+与流场计算[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2] 林建忠,流体力学M].北京:清华大学出版社,2005.

Three Different Methods of Fan Simulation in STAR-CCM+

Wang Guoqiang, Xingchao, Zhao Yujun
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

By means of three different methods simulation of fan is performed in STAR-CCM+. Its results were compared in according with flow rate and pressure drop. It could be found that the three methods can simulate the fan accurately, however,some differences in the distribution of flow field and pressure drop can be seen.

fan; flow field; pressure drop

U467.3

A

1671-7988 (2017)06-81-03

王国强,工程师,就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院,研究方向为汽车气动与热管理分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.027

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