楊闖，林淑芳，楊柳

（ 1.上海電動工具研究所 上海電動工具工程技術研究中心，上海 200031；2.上海汽車商用車有限公司，上海 200438 ）

基于計算流體力學的園林吹風機仿真研究

楊闖1，林淑芳2，楊柳1

（ 1.上海電動工具研究所 上海電動工具工程技術研究中心，上海 200031；2.上海汽車商用車有限公司，上海 200438 ）

介紹計算流體力學的發(fā)展現(xiàn)狀，以DC 18 V園林吹風機為例，使用三維軟件UG建立園林吹風機蝸殼、葉輪以及風管流道的簡化模型，利用ANSYS CFX流體分析軟件，采用標準k-ε模型，對仿真模型進行網(wǎng)格劃分，邊界條件設置等，分析計算流體力學CFX得出的流域風速分布曲線和壓力分布云圖。比較仿真的出風口風速與真實樣機所測得的風速，數(shù)值是相近的，得出了計算流體力學仿真的準確性，為驗證蝸殼的穩(wěn)定性和結(jié)構優(yōu)化提供了依據(jù)。

流體分析；園林吹風機；風速；CFX

0 引言

電子計算機的出現(xiàn)和迅速發(fā)展大大改變了科技進程，流體力學的發(fā)展也因此出現(xiàn)了嶄新面貌，計算流體動力學（CFD）應運而生?，F(xiàn)如今，在流體動力學方面，CFD已經(jīng)在多個領域有較好地應用。如在航空航天領域模擬飛機的大公角飛行和機動飛行；在汽車領域模擬汽車外流場，計算對稱面、地面和車身表面的壓力分布；在氣象預報，冶金行業(yè)，油氣開采，渦輪水泵等方面都有著廣泛應用。

1 概述

目前市場上，常用的計算流體力學分析工具除了1981年英國CHAM公司首先推出求解流動與傳熱問題的商業(yè)軟件PHOENICS之外，還有數(shù)十種工具。如采用有限容積法、拼片式塊狀結(jié)構化網(wǎng)絡的CFX；第一個使用有限元法（FEM）的CFD軟件FIDA；采用一些基本的算法解決城市污染預測、葉輪中的流動、管道流動等生活中實際問題的PHOENICS軟件；在計算穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動、牛頓流體及非牛頓流體的流動、多孔介質(zhì)中的流動、亞聲速及超聲速流動方面尤其在汽車工業(yè)上應用非常廣泛的STAR-CD軟件。

2 實例應用

電動工具行業(yè)新產(chǎn)品推出速度快、技術全面性高、市場競爭激烈，對產(chǎn)品研發(fā)成本、研發(fā)響應速度都提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)電動工具廠商，尤其是微小民營企業(yè)，對研發(fā)產(chǎn)品性能指標的測定，大多采用功能樣機——校驗測試的方法。待功能樣機制作完成后進行功能性測試，對測試中的問題進行圖紙修改。如果偏差太大，需要再次制作功能樣機測試，如此反復，不僅增加了前期的研發(fā)成本，而且前期的周期也會增大。

本文將以DC 18 V園林吹風機為例，敘述計算流體力學在電動工具行業(yè)中的應用。園林吹風機主要由電機、風葉、左右機殼（包括蝸殼）、電池包、充電器、風管、開關組件等組成，見圖1。

衡量一款園林吹風機性能優(yōu)劣，除了綜合考慮零部件電機和電池包容量等，出風量和風速是衡量其優(yōu)劣的關鍵。風速的快慢除了與電機轉(zhuǎn)速有關，跟風葉的設計和蝸殼的結(jié)構有著直接的關系。

圖1 園林吹風機的2D簡圖

3 仿真模型

3.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)企業(yè)的要求，設計一款DC 18 V園林吹風機，利用三維造型軟件UG建立模型如圖2所示。根據(jù)前期結(jié)構設計，生成包含理想氣體如圖3所示的流體域。流體域包括風葉內(nèi)部的流體域以及蝸殼、風管、進出風口處的流體域。

圖2 園林吹風機的3D圖

圖3 園林吹風機的流域模型圖

首先在計算流體力學ANSYS CFX軟件中，對流體域進行網(wǎng)格離散，對風葉、風管、蝸殼、進風口流體區(qū)域細化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為1 222 087個。如圖4所示的網(wǎng)格劃分。

圖4 園林吹風機流域模型網(wǎng)格劃分

3.2 初始環(huán)境及邊界條件設置

最后，根據(jù)知識服務的經(jīng)濟后果三分法理論，我們在充分利用知識服務的正經(jīng)濟后果效應的同時，還須關注知識服務的零和經(jīng)濟后果效應和負經(jīng)濟后果效應，因為零和經(jīng)濟后果觀認為知識服務經(jīng)濟行為帶來的正的經(jīng)濟效益和負的經(jīng)濟效益正好處于正負相抵狀態(tài)，即意味著做無用功，未收到期望的經(jīng)濟效益，而負經(jīng)濟后果觀認為知識服務經(jīng)濟行為僅僅帶來負的經(jīng)濟效益，即給利益相關者造成純粹的經(jīng)濟損失。站在理性經(jīng)濟人角度，我們應趨利避害，充分利用知識服務的正經(jīng)濟后果效應觀，盡量避開知識服務的零和經(jīng)濟后果效應觀和負經(jīng)濟后果效應觀造成的影響。

邊界條件是進行CFD分析的必要條件，文中將空氣作為不可壓縮流體且進、出風口分別與大氣相連通，進風口邊界條件設置為壓力進口（pressure inlet），出風口邊界條件設置為壓力出口(pressure outlet)。將模型中的風葉流體域、蝸殼流體域、風管流體域以及進風口流體域均設置為流體區(qū)域（fluid）。

由于本模型園林吹風機結(jié)構較為簡單，其管道內(nèi)空氣流動狀態(tài)也并不復雜，故將采用流體力學中較常用的工程湍流模型k-ε，其中k為湍動能，定義為速度波動的變化量，其單位為m2/s2。ε為湍流能耗散，即指速度波動耗散的速率，其單位是單位時間的湍流動能，如m2/s3。

k-ε模型是在系統(tǒng)方程里引入了兩個新變量。連續(xù)方程為

動量方程為

式中，B為體積力總和；μeff為有效黏度；p′為修正壓力。其表達式為

式中，μt是湍流黏度，k-ε模型假設湍流黏度與湍動能耗散有關，即

其中Cμ是常數(shù)，k、ε值直接從湍動能耗散方程中求解，湍動能方程為

式中，Cε1、Cε2、σk、σε為常數(shù)。

Pk是黏性力和浮力的湍流產(chǎn)物，其方程為

3.3 CFX仿真結(jié)果及分析

根據(jù)企業(yè)的測試報告，電機空載轉(zhuǎn)速約為13 500 r/min，電機負載轉(zhuǎn)速為9 500 r/min。進行計算流體力學分析時，旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)速設置為9 500 r/min。分析結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 中間截面速度流線

圖6 中間截面靜壓云圖

圖7 整體靜壓云圖

圖8 整體流線圖

企業(yè)根據(jù)功能樣機采用如圖9所示的測速儀測得此款DC 18 V吹風機風速約為60 m/s，按照1 Mph=1．6 km/h計算，約等于135 Mph。而計算流體力學CFX仿真分析的出風口流速為圖10所示59．5 114 m/s，誤差低于0．5%，仿真分析的結(jié)果與實測值非常接近，因此流體分析仿真結(jié)果能夠準確的反應實際的情況。根據(jù)流體仿真分析，還可計算得出圖10所示的數(shù)據(jù)。

圖9 測速儀

圖10 CFX分析處理器數(shù)值截圖

式中，Q是風量，單位為m3/h，V是風速，單位為m/s，S是出風口面積，單位為m2。

當S是0．0 142 876 m2時，求得風量Q為137．36 m3/h。

如圖10所示葉輪扭矩為0．3 368 N·m，根據(jù)公式P=T×n/9．55，其中轉(zhuǎn)速n為9 500 r/ min，算得軸功率為335 W。

出口壓力為1 083．65 Pa。

由公式可算得全壓效率為56．73%。

從CFX流場的靜壓云圖可以看出，進風流域和出風流域處的壓力分布都很均勻，表明氣流在進風和出風區(qū)域都沒有出現(xiàn)氣流回流現(xiàn)象。風葉流域和蝸殼流域起到了很好的整流作用。

從CFX流場的速度云圖來看，風葉和蝸殼處有些許回流和渦流現(xiàn)象。未來若需提高出風口風速，可以使用CFD流固耦合仿真，對風葉和蝸殼的結(jié)構進行流體仿真，并對其進行優(yōu)化設計。

4 結(jié)語

通過計算流體動力學ANSYS CFX對園林吹風機進行流體分析，使用計算流體力學仿真的結(jié)果與真實樣機實測結(jié)果是基本一致的，表明流體分析的準確性。在電動工具的應用實踐中，流體分析還可以對進出風口、排風結(jié)構、葉輪、氣體的冷卻、防塵等流動效果進行評估，從而可以優(yōu)化流道、減少流動損失、提高流動效率。

[1]謝龍漢，趙新宇，張炯明． ANSYS CFX流體分析及仿真[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2012．

[2]楊闖．基于ADAMS的修枝機變速箱機械傳動機構仿真分析研究[J]．電動工具，2015(2)．

[3]周建輝．航空電子設備冷卻軸流風扇優(yōu)化設計[J]．航空動力學報，2009，(03)：634-642．

[4]吳荔星，劉正偉，鄭宗峰．電動工具研發(fā)中的CAE技術應用[J]．電動工具，2009，(2)：7-17．

Research on Garden Blower Simulation Based on Computational Fluid Dynamics

Yang Chuang1, Lin Shufang2, Yang Liu1
(1. Shanghai Electric Tool Research Institute Shanghai electric tool engineering technology research center, Shanghai 200031, China; 2. SAIC Motor Commercial Vehicle Co., Ltd., Shanghai 200438, China)

Introduce the present development status of computational fluid dynamics, with DC 18V garden blower as an example, using three-dimensional software UG establish simplified models of garden blower scroll case, impeller and air duct flow. Use ANSYS CFX fluid analysis software and standard model to mesh the simulation model, set the boundary conditions and so on. Analysis and calculate the watershed wind speed distribution curve and pressure distribution nephogram. Compare the wind velocity of simulation outlet to which provided by the real prototype, and the numerical value is close, obtaining the accuracy of computational fluid dynamics simulation, and provide the basis of the stability of scroll case verification and structure optimization.

Fluid analysis; Garden blower; Wind speed; CFX

TM02

A

1674-2796（2015）06-0001-04

2015-09-10

楊闖（1988—），男，碩士研究生，工程師，主要從事充電式園林工具與電動工具整機產(chǎn)品研發(fā)的工作。