一、風扇流場分析

1、案例介紹

風扇可以用于發動機的冷卻等很多場景，合理的風扇設計將極大地提高風扇的效率，但由于管道風扇內部流動非常復雜，通過理論計算對其流動進行定性分析十分困難，風洞試驗雖然可以得到其流動參數和噪聲特性，但也無法對流場內部的流動細節進行描述。本案例演示如何利用Fluent進行風扇流動特性和噪聲特性計算。

2、幾何建模和流場計算域建立

本案例風扇外徑為384mm，輪轂直徑為140mm，輪轂比為0.365，8扇葉均勻分布，外流場建模充分考慮到進氣試驗標準，入口區長度至少為入口處管道直徑的六倍；而出口區的長度則應保證至少為出口位置管道直徑的十倍；至于旋轉流體區，是指包含了風扇本體以及周圍流場的圓柱體區域，應當保證其尺寸盡量靠近風扇葉片的直徑。

3、模型網格的劃分

網格生成作為仿真計算中的關鍵環節，其結果直接控制了后續計算過程的效率與精度。為了保證劃分結果的質量，應選擇合適的網格尺寸，防止太疏或太密的網格產生，在流量梯度較大的流動區域內，應當盡量提高網格質量（高細密度，較小的歪斜度）；至于梯度小的區域可以在保證精度的基礎上適當較少網格數目。

本案例旋轉流體區由于包含了風扇本體且流動情況最為復雜，為了保證足夠的計算精度，該區域網格尺寸最小。管道區網格尺寸較旋轉區略大。

4、邊界條件設定與旋轉模型選取

完成網格生成后需進行邊界條件的設置。在流動的計算過程需要設定的邊界條件包括：

（1）流動入口條件：根據吸氣試驗的要求將流動入口設置為壓力邊界條件，其中入口處壓值定義為大氣壓力，且氣體沿軸線方向流動；

（2）流動出口條件：根據吸氣試驗的要求將流動入口設置為壓力邊界條件，出口壓力值定義為 0，即出口處沒有外界的作用；

（3）壁面邊界條件：主要為通流區的管壁表面。

對風扇旋轉運動的仿真則是通過 MRF 模型來實現的。Fluent 中常用的多運動坐標系模型包括：SMM（滑移網格模型）,MPM(混合面模型)以及 MRF（多重參考系模型）。考慮到風扇中氣體運動屬于定常流動，所以選擇計算量相對較少的 MRF 基準。

作為旋轉機械仿真中最常使用的模型，MRF 模型計算思路在于：將算法區間分成數個運動相互獨立的子區間，先在各子部分間對流場方程進行求解，通過各部分間的交界面完成流場信息的傳遞。

作為 CFD 模型中唯一運動的旋轉流體域，將其邊界條件設定為 Fluid（流動域）。在 Fluent 軟件中選擇 MRF，并且將風機轉速定義為坐標系的轉速。

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5、計算方程選擇與仿真參數設置

對于風扇內部的穩態流動，采用定常計算模型進行仿真，且計算過程中不考慮重力的影響。利用 SIMPLE 方程完成速度與壓力的解耦，將湍流模型定義為 RNG k-ε 的雙方程模型。

在 Fluent 軟件對參數進行設定時，根據實際工況將流體材料定義為空氣且認為風扇內部流體不可壓縮；由于流動過程中沒有熱能的交換所以不對能量守恒方程進行求解，只考慮流體連續方程以及動量方程。對于控制方程中的湍動能耗散項以及動量項等使用二階迎風的離散格式，在迭代過程中使用欠松馳因子以加速收斂。

6、風扇流場計算結果分析

用Fluent軟件對轉速為2000rpm的風扇進行計算，得到包括速度矢量圖、壓力云圖結果如下所示。

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二、風扇氣動噪聲分析

1、噪聲分析步驟

在 Fluent 中對于風機噪聲的仿真是分為兩個部分先后完成的：

（1）首先使用大渦模擬模型（LES）對風扇流場中的瞬態控制方程求解獲得流場的動態穩定值，通過計算結果得到風扇的噪聲源（即風扇葉片上的動態載荷）；

（2）接下來則是通過求解 FW-H 模型的方法對風機載荷進行分析并得到噪聲值。

2、瞬態流場仿真邊界條件設定

聲場仿真過程中由于其 CFD 模型與流場極為相似因此不再另行建立模型，而是對原有流場模型的邊界條件進行修改。由于噪聲特性的仿真屬于非定常計算，雖然同樣將旋轉流體域設為唯一的運動區域，但是改用滑移網格模型對風扇的動葉片與靜止區域進行耦合以保證瞬態計算的精確度。

在控制方程的離散過程中使用PISO 算法代替原來的 SIMPLE 方法，相比較而言 PISO 算法在原有“預測-修正”方法的基礎上添加了一個再修正過程，對原有計算結果進行了二次改進，有效的提高了計算精度與方程的收斂速度。至于迭代過程中參數的設置，將時間步長設定為0.0001s，而計算的截止頻率取 6000Hz，在每個時間步長內計算 40 次，迭代次數為 1000。

3、氣動噪聲邊界條件設定與后處理

將2.2節中的計算結果與 FW-H 方程相結合在葉片表面使用二重積分獲得隨需要的聲壓值信號，在進行噪聲參數設定時，以風扇本體為噪聲源，而監測點則按照 GB/T2888-2008《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》中的規定設置，取風機前 1m 處噪聲結果作為分析。

最終可以得到1m處噪聲值計算結果為78dB(A)，完成聲場計算過程后得到的數據是時域信號，還需使用Fluent 軟件后處理功能中的快速傅立葉變換模塊（FFT）完成時頻轉換獲得聲壓級頻譜圖，如下所示。

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三、Fluent在旋轉機械中的應用

1、旋轉機械介紹

旋轉機械指的是可以回轉或旋轉的機械設備，例如發電機、風力渦輪機、汽車引擎、工業機械等等。這些機械設備通過旋轉運動來產生能量、驅動機械部件或執行各種功能。旋轉機械廣泛應用于工業、交通、能源等領域。

2、旋轉機械中的應用

除了上文氣動噪聲計算外，Fluent軟件提供了豐富的可以用于旋轉機械的模型，來進行旋轉機械產品的流體力學分析和優化，包括參考系模型、滑移網格模型、動網格模型、動網格和重疊網格模型，一些典型的案例包括：風浪條件下海上風力發電機功率分析，通過優化風機間距等使風機效率達到最高；船用螺旋槳、飛機用螺旋槳、飛機用涵道渦輪等部件設計；離心泵空化特性與顆粒磨損特性分析；齒輪泵動態流場模擬......

審核編輯：劉清