石家庄风机模型计算

3.7 边界条件与初始条件
    初始条件和边界条件是控制方程有确定解的前提，对其的处理，直接影响到计算结果的精度。对于瞬态问题，必须给定初始条件。对于稳态问题，不需要初始条件。本论文研究的三级离心风机内部流道的仿真计算采用稳态仿真，因此只需要给定边界条件。
边界条件分为面边界条件和流体区域条件。面边界条件又分为流道壁面边界条件和流道进出口边界条件，而流体域也有动域即旋转区域和静止区域之分。
1、流道壁面
    本文研究的三级离心风机的流道壁面分为两部分，一部分是各级叶轮叶片的壁面，另一部分是除叶片壁面外的其他流道壁面。
    对于三级叶轮的叶片壁面，都设置为以风机轴旋转的旋转壁面，旋转速度与所处流体域的旋转速度一致，如图 3-16 所示。 风机的其它流道壁面是不可变形的固体壁面，因此除叶轮壁面外的其他壁面设为相对边界内部网格无滑移的固定壁面。
2、流道进口面、出口面
    根据该风机正常工作时进口断面所处的状态，采用压力入口作为入口边界条件，边界总压为一个标准大气压。
    风机出口边界条件采用压力出口，根据实际工况，给定压力值。
3、流体域
    流体域分为各级叶轮内部及附近的旋转域及其它部分的静止区域。对于旋转区域流体流动的描述采用动参考坐标系 moving reference frame(MRF)模型，指定旋转轴和旋转速度。由于此风机为三级，所以将三级叶轮内部流域及其附近流域流体的流动设为 MRF模型，且每级设置区域的形状相同，如图 3-17 所示。计算过程中，为了更快的达到收敛，采用了将转速逐步加高到所需要的转速的方法来设置该域的转速。其它静域部分采用静止坐标系。旋转区域与静止区域的交接面采用 interface 边界条件进行上下游的数据交换。
3.8 求解参数设置
3.8.1 求解器的选择
Fluent6.3 提拱了两种数值求解方法：基于压力的求解器和基于密度的求解器。
基于压力的求解器采用常规意义上的投影方法进行计算，即首先通过动量方程求解速度场，继而通过压力方程的修正使得速度场满足连续性条件，由于压力方程来源于连续性方程和动量方程，从而保证整个流场的模拟结果同时满足质量守恒和动量守恒。再通过迭代过程重复求解控制方程直至结果收敛来求解压力方程和动量方程。
基于密度的求解方法是直接求解瞬态 N-S 方程，将瞬态问题转化为时间推进的瞬态问题，由给定的初场时间推进到收敛的稳态解。
从传统上讲，基于压力的求解器是用于低速、不可压缩流动，基于密度的求解器是针对高速、可压缩流开发的。
三级离心风机内部流动的介质是理想气体，因此它是高速、可压缩的稳态流动。所以本课题选用基于密度的求解器。
3.8.2 湍流模型的选择
     Fluent 软件中的湍流模型及其功能如下表 3-2 所示。
选择模型时主要依靠以下几点：流体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制。本文研究的三级离心风机的内部流动属于流线曲率大、有旋转和分离的复杂流动，在上述所涉及的湍流模型中，只有 RNG  k-ε模型可以很好的处理流线弯曲程度较大的流动。所以综合考虑，本文采用的湍流模型为两方程模型中的 RNG k-ε模型。
3.8.3 其他数值方法的选择
针对基于密度的求解器，在 Fluent6.3 中提供了两种通量格式，AUSM 和 Roe-FDS通量格式，AUSM 提供了对不连续激波提供更高精度的分辨率，Roe-FDS 通量格式减小了在大涡模拟计算中的耗散，本文采用 Roe-FDS 通量格式。
Fluent 中提供了多种离散格式对每一个控制方程的对流项进行求解，不同的离散格式对应不同的离散结果，常用的离散格式有一阶迎风格式、二阶迎风格式、乘方格式和QUICK 格式。一般来讲，一阶离散的收敛性比二阶离散好，但精度稍差，然而考虑到本文研究的三级离心风机的流道较长且形状复杂，在适当降低精度的情况下，选择收敛性较好的一阶离散格式。
由于本文研究模型的复杂性，考虑到现有资源的限制，将迭代计算的结束判断标准设为要求所有残差都小于 10-3，同时要求风机内部流道任意截面的体积流量和平均压力保持一定值或在某定值周围进行小范围的上下波动。
本文进行数值迭代的机器是一台八核的 PC 机（主频 2.8GHz，内存为 6G），通过采用“-r6.3.26 3d –t6”命令进行六核并行计算，迭代 140000 次左右各项指标趋于收敛。
3.9 本章小结
     本章详细介绍了三级离心风机的基本结构及内部流场计算模型的建立过程。首先，介了离心风机的一般结构、类型及本课题研究的三级离心风机的主要结构和性能参数。而后提出了建立计算模型的相关假设，同时根据三级离心风机的具体结构和几何参数，利用 Pro/E 建立了该风机内部流道的几何模型，并对应用 GAMBIT 软件进行网格划分进行了详细的介绍。最后通过比较介绍了流场计算前求解器参数的设置，包括求解器的选择、湍流模型的选择、通量类型及离散格式的选择等。