摘 要

管道风扇作为一种重要的通风产品在日常生活中得到了广泛的应用，其性能受到翼型、安装角、外径、风道形状等多方面因素的影响，因此需要更进一步的研究分析这些因素对风扇气流组织的影响，包括速度场、压力场及性能曲线等。

本文使用计算流体力学的的方法对方形壁式管道风扇进行数值模拟与流场分析。计算流体力学是为流体运动方程提供数值近似。一般CFD方法分为3步：1，前端处理。这里使用Gambit软件对方形壁式管道风扇进行建模。首先应用Gambit将翼型数据导入软件中，通过线，面等操作生成风扇模型。对所得模型划分网格，输出并保存网格文件。2，求解器。启用Fluent-3d求解器进行计算。再经过多次迭代计算最终结果收敛。3，后处理。对风扇的不同区域进行速度场与压力场分析,包括输出压力云图、速度矢量图等可视化图形，了解到风扇内部流动信息，为分析风扇出现的内部流动原因做好准备，对一些轴流管道风扇产品也具有一定的参考价值。

关键词：管道风扇；仿真；流场分析；计算流体动力学

ABSTRACT

A Duct fan is an important ventilation products and it has been widely used in the daily life. Its performance depends on several factors such as airfoil, installation angle, diameter, duct shape and so on, so we need further research and analysis to find out how these factors can affect the fan airflow organization, including the speed field, pressure field and performance curve.

In this paper, numerical simulation and flow field analysis of square wall duct fans are carried out by using computational fluid dynamics method. CFD provides numerical approximation to the equations that govern fluid motion. CFD method contain three main elements: 1, A pre-processor. Here we use Gambit software to model square wall duct fans. First, use Gambit to get the airfoil data into the software and through the line, surface and other operations to generate fan model. After dividing the grid of the fan model, save the mesh file. 2, A flow solver .Enable the Fluent-3d solver to calculate the grid. And after several iterations the calculation would stop if we reach the result of convergence. 3, A post-processor. We can carry out the velocity field and pressure field analysis of the different regions of the fan, Including Outputing pressure cloud map, velocity vector map and other visual graphics. So we can find out the internal flow information of the fan and get ready to analyze the reasons for the internal flow of the fan. And for some axial flow duct fan products it may also have some reference value.

Key words：duct fan；simulation；flow field analysis；computational fluid dynamics

Table of Contents

1 前言 - 6 -

1.1国内外风扇研究发展概况 - 6 -

1.2.管道风扇的应用和优点 - 7 -

1.3. 研究方法 - 8 -

1.4.特色与创新 - 8 -

2 Fluent简介 - 9 -

2.1 计算流体力学简介 - 9 -

2.2 fluent简介 - 9 -

2.3 fluent基本问题 - 10 -

2.3.1 网格划分技术 - 10 -

2.3.2 软件的基本构成 - 10 -

2.3.3 fluent在流体机械中的应用 - 10 -

3 方形壁式管道风扇三维建模及网格生成 - 13 -

3.1 GAMBIT简介 - 13 -

3.2 网格生成技术 - 13 -

3.3 利用Gambit建模 - 16 -

3.4 划分网格 - 25 -

3.5 边界设置 - 26 -

4 方形壁式风扇内部流场的数值计算 - 27 -

4.1 利用Fluent-3d求解器进行计算 - 27 -

4.1.1 读入网格文件 - 28 -

4.1.2 网格检查 - 28 -

4.1.3 确定长度单位为mm - 28 -

4.1.4 调整网格 - 29 -

4.2 定义单位与紊流模组 - 29 -

4.2.1 定义单位 - 29 -

4.2.2 定义紊流模型 - 30 -

4.3 设定边界条件 - 30 -

4.3.1 设定进口、出口边界 - 30 -

4.3.2 设定rotafluid以及blade-wall。 - 31 -

4.4 解算 - 33 -

4.4.1初始化流场。 - 33 -

4.4.2 设立监视窗口 - 33 -

4.4.3 迭代运算 - 34 -

5 结果与分析 - 35 -

5.1 收敛曲线 - 35 -

5.2 速度场分析 - 36 -

5.2.1速度场沿轴向的分布 - 36 -

5.2.2 进口与出口速度场分布 - 37 -

5.2.3叶轮速度场分析 - 39 -

5.3压力场分析 - 40 -

5.3.1沿轴向的压力分布图 - 40 -

5.3.2 叶轮表面的压力分布图 - 40 -

5.3.3进出口的压力分布 - 41 -

5.4 通风量 - 42 -

5.5 迹线 - 43 -

6 工作总结与展望 - 44 -

致 谢 - 45 -

参考文献 - 46 -

1 前言

1.1国内外风扇研究发展概况

对于风扇的研究大概追溯到上世纪 八十年代，相对于广泛应用的大型风机，风扇的研究要落后许多。美国的学者 Quin D 等人研究了雷诺数对小型轴流式风扇性能的影响，通过一些实验发现雷诺数对风扇性能影响并不是很大，在这基础之上，他们提出了一种新的方法，对任何尺寸的轴流式风扇，该方法都可以进行三维线性扩展。日本的学者 Toru Shigemitsu等人对原有的轴流式风扇模型进行了一些变动，对原模型增加了一个反转风扇模型，用 CFD 对其进行了数值模拟，分析研究了修改后风扇的压力分布、内部流动、速度分布以及风扇性能等等特性。GRIMES R等人对具有不同轮毂比的风扇进行了实验研究以及理论分析，并在此基础上提出了让小型轴流风扇获得最佳轮毂比的设计方法。李杨，欧阳华等人研究了不同周向前弯角度的轴流式风扇，结果他们发现：前弯角度对于叶顶泄漏流动的影响是比较大的，叶片周向前弯角度的增加，可以导致叶顶泄漏涡由起始位置沿叶弦朝叶片向后缘移动，当前弯角增加到了一定的角度之后，泄漏涡受到了叶片尾迹的影响随之逐渐减弱。应用了径向平衡原理， 王企鲲、陈康民运用计算流体动力学技术十分细致的研究了变环量指数 a 是如何影响小型散热风扇的气动性能。他们发现如果满足约束条件，通过降低变环量系数能够增加风扇的气动性能，这样能够提高其散热能力，并且他们还提出了小型散热风扇扭叶片的设计方法。杨爱玲等人分析研究了掠叶片对风扇性能的影响，他们对于原始轴流风扇进行了前掠l0°和后掠 l0°的改变，并且对其进行数值模拟，结果可以发现：前掠叶片有利增大风扇的流量，而减少流动损失；后掠叶片增大了流动损失，而减少了风扇做功。

随着计算技术的迅猛发展，在流体机械领域内，计算流体动力学（CFD）已经成为分析研究流体流动性质的一个十分重要的方法。CFD是一种用于预测和分析复杂流体流动性质的计算技术，充分运用现代计算机强大的数值运算能力与图像显示的形象便捷的特点。流体在空间域以及时间域原本是连续的物理量的场，通过对其进行离散化处理，在这些离散点上建立起各变量的代数方程组，迭代求解出这些物理场变量的近似解，并使计算误差控制在一定范围内以符合工程实际要求。