利用SOLIDWORKS Flow Simulation驗(yàn)證無葉風(fēng)扇流量倍增技術(shù)

智誠計算機(jī)輔助設(shè)計（深圳）有限公司 王漢武

利用SOLIDWORKS Flow Simulation驗(yàn)證無葉風(fēng)扇流量倍增技術(shù)

智誠計算機(jī)輔助設(shè)計（深圳）有限公司 王漢武

無葉風(fēng)扇以其獨(dú)特的造型以及高效的通風(fēng)性能為世人所熟知，其安全性與創(chuàng)造性的設(shè)計，對風(fēng)扇行業(yè)產(chǎn)生了較大的影響。本文以無葉風(fēng)扇為研究對象，模擬了無葉風(fēng)扇整機(jī)與外部流場，驗(yàn)證了流量倍增現(xiàn)象。

一、引言

風(fēng)扇在傳統(tǒng)觀念里，都是指帶有葉片的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，依靠旋轉(zhuǎn)出風(fēng)。但到了2009年，英國的發(fā)明家James Dyson推出了一款新發(fā)明——無葉風(fēng)扇。無葉風(fēng)扇沒有傳統(tǒng)電風(fēng)扇的葉片，它吹出的風(fēng)比較柔和，且無沖擊感。因?yàn)樗谕庥^上沒有葉片，可以防止旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇造成誤傷，使用更加安全可靠。其利用出風(fēng)口的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠帶動更多周圍的空氣向前運(yùn)動，從而使空氣流量增加15倍左右。其工作原理如圖1所示。

圖1 無葉風(fēng)扇工作原理

二、三維模型的創(chuàng)建

由于無葉風(fēng)扇物理原型比較復(fù)雜，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)配合的裝置繁雜，包括葉輪、電機(jī)和一些蓋板等。為了進(jìn)行數(shù)值模擬研究，將其中一些部件作了簡化處理。設(shè)定入口處為一恒定流量入口。簡化后的模型全流場如圖2所示。

圖2

圖3中包含了無葉風(fēng)扇內(nèi)部流動與外部流動情況。解釋了在數(shù)值模擬時，流體從底端進(jìn)口進(jìn)入，通過出口狹縫流至外界。周圍的空氣也被從狹縫流出的空氣所帶動，合流向前運(yùn)動。

三、網(wǎng)格劃分

為了保證在狹縫處的計算精度需要設(shè)置最小間隙為2mm，全局網(wǎng)格為4級最終劃分網(wǎng)格數(shù)量約為320萬，網(wǎng)格切面圖如圖4所示。

圖3 無葉風(fēng)扇內(nèi)部氣體流動方向

圖4 網(wǎng)格結(jié)果

四、設(shè)定邊界條件

本研究中三維數(shù)值計算以體積流量進(jìn)口為進(jìn)口邊界條件；以環(huán)境壓力為出口邊界條件。入口條件為恒定體積流量27m3/h。計算域模型直徑為640mm、1000mm和1200mm，分別進(jìn)行計算模擬和流動分析，以便獲取較為合理的計算域。下面就從速度分布角度來研究這3種不同計算域的流場分布情況。

五、速度分布結(jié)果

圖5為不同計算域模型XY平面速度等高線圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，幾種尺寸的計算域速度大小接近，速度梯度分布大致相同，基本符合周圍氣流被帶動的效果。

圖5 速度分布

流動中，除了640mm模型，其余2個模型風(fēng)圈背后且靠近狹縫處有小面積的相對高速區(qū)域，且形狀較為接近。而640mm模型由于流動計算區(qū)域尺寸較小的原因，此相對高速區(qū)域較大，幾乎覆蓋整個風(fēng)圈中心區(qū)域，此現(xiàn)象極可能是由于計算區(qū)域較小造成的流體流動受擠壓匯聚而引起的。

六、流量倍增原因解析

通過查看結(jié)果中的表面參數(shù)可以得到參考面的體積流量約為0.0923m3/s，結(jié)果如圖6所示。

圖6 截面體積流量

基座進(jìn)口處的體積流量設(shè)為Q1：

Q1=0.0075m3/s

出口處的體積流量設(shè)為Q2，由于流場每一個橫截面上的質(zhì)量流量數(shù)值均有差別，所以這里以圖6所示的截面體積流量為例來計算說明倍率關(guān)系：

Q2=0.0923m3/s

增大倍數(shù)定義為K，即：

K=Q2/Q1=0.0923/0.0075=12.3

由于本研究只考慮了科恩達(dá)曲面對流場的影響，而忽略了渦輪的影響，因此流量增大倍數(shù)和相關(guān)文獻(xiàn)中提到的約為15倍有一定差別。

七、結(jié)語

本文介紹了使用SOLIDWORKS Flow Simulation模擬無葉風(fēng)扇的流動情況。介紹了模型的簡化、網(wǎng)格的劃分以及邊界條件的設(shè)定。分別模擬了不同計算域?qū)δM結(jié)果的影響。通過參數(shù)捕捉驗(yàn)證了無葉風(fēng)扇流量倍增的現(xiàn)象。

《智能制造》雜志征稿通知

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1.數(shù)字化設(shè)計與制造

2.智能設(shè)計理論、方法及系統(tǒng)

3.自動化與現(xiàn)代制造系統(tǒng)

4.機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用

5.虛擬設(shè)計與虛擬樣機(jī)

6.網(wǎng)絡(luò)化控制與制造技術(shù)

7.綠色設(shè)計與綠色制造中的智能技術(shù)

8.智能加工、智能檢測與控制

9.數(shù)字企業(yè)與數(shù)字化工廠

10.制造系統(tǒng)建模、運(yùn)行、控制、優(yōu)化與調(diào)度

11.先進(jìn)制造模式與戰(zhàn)略

12.制造信息與知識處理

13.數(shù)控技術(shù)與數(shù)字化裝備

14.現(xiàn)場總線與無線傳感網(wǎng)技術(shù)

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