使用有限元方法评价不同风道结构的通风效果

使用有限元方法评价不同风道结构的通风效果

王晓野

新疆金风科技股份有限公司     新疆乌鲁木齐市 830000

摘要：使用Ansys软件的有限元方法对不同风道结构的通风效果进行评价。讨论的是流固耦合场中固定入流气压时，通过设计不同的风道结构，其通风效率受风道内局部湍流分布的影响。

关键字：有限元方法；流固耦合；湍流分布

引言

有限元方法已在设计施工各领域中大范围使用，主要用于建筑、机械制造、电子电磁及气液流场等项目工程设计的数值仿真验证。本文主要涉及的是对风力发电机组内某段风道结构设计的通风效果的数值验证，是流固耦合场问题，同时考虑了流体和结构体特性，旨在使用数值仿真的方式提高分析效率，降低实装验证成本。[1]

1.求解耦合场问题

流固耦合问题遵循最基本的守恒原则，所以在流固耦合交界处，应满足流体与固体应力（），位移（），热流量（），温度（）等变量的相等或守恒，即满足如下4个方程：

    (1-1)

以上是流固耦合分析所采用的基本控制方程，为便于分析，可建立控制方程的通用形式，再给定各参数及适当的初始条件和边界条件，统一求解。

由于同时求解流固的控制方程，不存在时间之后问题，所以直接解法在理论上非常先进和理想。但是在实际应用中，直接解法很难将现有CFD和CSM技术真正结合到一起，同时考虑到同步求解的收敛难度和耗时问题，直接解法目前主要应用于：压电材料模拟等电磁-结构耦合和热-结构耦合等简单问题中，对流动和结构的耦合只能应用于一些非常简单的研究中。

本文采用的是流固耦合分离解法。流固耦合的分离解法不需要耦合流固控制方程，是按设定顺序在同一求解器或不同的求解器中分别求解流体控制方程和固体控制方程，通过流固交界面交换传递流体域和固体域的计算结果。待收敛达到要求后，进行下一刻的计算，依次求得最终结果。分离解法有时间滞后性和耦合界面上的能量不完全守恒的缺点，但是这种方法的优点也很突出，可以最大化的利用已有计算流体力学和固体力学的方法和程序，对内存的需求也大幅降低，因此可以用来求解实际的大规模问题。所以目前几乎在所有商业CAE软件中，流固耦合分析都采用的是分离解法。[2]

2三种设计模型说明

2.1原型设计

图1（左）中风道位置的箱体是此次用于对比实验的结构体。其3D设计结构见图1（中）和图1（右）。作为大型钣金件，方体加工复杂度和成型成本低。

图1 风道原型设计图

2.2 改进的#1模型

#1模型是在原有模型基础上，使用内切椭圆的方式对模型的进风和出风口的两个方形接口进行了改进，同时保持无法更改的原有高度和入风口的尺寸。

图2 #1模型

2.3改进的#2模型

#2模型是考虑到这种改进减小了容器的容积，且#1的椭圆器件并不容易加工，想改造一种易于加工的模型。改造方法是底部沿用内切椭圆，建模拉伸时设置5°的倾斜角，上表面是与底面同比例缩小的椭圆。同时维持模型原有高度和入风口的尺寸。5°的尺寸设计是考虑到喇叭口对气体传输较有利，但较好地比例是喇叭口的纵深与直径5:1。[3]

建模参数为，喇叭口纵深是573mm，上椭圆短轴是805mm，显然并不符合最优设计比例，原因有：

1. 考虑到器件所在位置并不允许在尺寸上做过多调整，所以只能在形状上给予一定比例的调整。
2. 上椭圆短轴方向需要并排放两个直径350mm的进气口且之间有50mm的间隔距离，如果进一步缩小角度会进一步缩小上椭圆面面积，难以放下两个进气口。

图3 #2模型

3 Ansys仿真验证参数设置说明[4]

本文涉及的三个模型的测试环境是Ansys workbench 16.0软件，用到的模块有三个：mesh，fluent，result。

3.1 mesh工具中参数

表1 Mesh工具的设置

3.2 Fluent求解器中初始条件设置

表2 Fluent求解器的设置

k-epsilon模型选择的说明：Fluent求解器一共提供三种k-epsilon模型，

RNG K-Epsilon模型可以处理高应变率及流动弯曲程度较大的流动，且考虑了旋转效应，对强旋流计算精度有较好支持。还提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式，以便正确处理近壁区域的数据。

本文所涉及的管道内通风按照雷诺数（）计算应该属于湍流模型，按照一个标准大气压，20℃，平均流速为10m/s，平均密度为1.204kg/m3，黏度系数1.5e-05m2/s，管道直径905mm的环境来计算，雷诺数是7.2e+05。可见管道内是完全湍流状态。选用专注于旋流模型的RNG k-epsilon模型后，显示出计算结果对称，涡流特征显著。

4 结果及对比说明[5]

表3 三个模型主要指标对比

从三个模型的主要指标来对比，可以大致得出以下结论：

1. 圆形比方形管道在降噪和节省表面材料两方面有显著优势。按照管道理论的结论，同断面面积的情况下，在对气体阻力方面，方形管道是圆形的1.2倍。
2. 在两个圆形管道中选择，#1比#2和原模型噪音更小。加工难度更大，上下底长短轴不同比例不好放样，可能需要模具进行加工，价格偏高。出风量小0.5%。
3. 由于#2在模拟数据中表现出的强湍流和不对称性，如果选择较#1好加工、放样难度低的#2作为圆形管道，则出风量会比原模型提升0.4%，但加工复杂度可能大幅降低，且圆形相对稳定性较好，焊接较少，后期做隔热和降噪加工都比原模型方便。
4. 如果使用拓扑优化的方法对#1和#2的结构进一步改进，应该可以一定程度上解决管道内部的旋流和高低压不均衡等问题。比如对#1的腰部适当的放大，对#2腰部适当的缩小，可以保证气体流动时更好的利用管道的长度和形状保持速度和流向。

结语

综上所述，通风管道设计也是工业设计的重要环节之一，但由于该风道所处外环境受限，其纵深及口径尺寸难以做局部调整，所以本文所涉及的优化设计难以达到最优，只能在现有条件下为避免湍流影响风速和散热效果，尽可能改善。

参考文献

[1]王勖成, 邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法-第2版[M]. 清华大学出版社, 1997.

[2]陈道礼, 饶刚, 魏国前. 结构分析有限元法的基本原理及工程应用[M]. 冶金工业出版社, 2012.

[3]北京市设备安装工程公司. 全国通用通风管道计算表[M]. 中国建筑工业出版社, 1977.

[4]宋学官, 蔡林, 张华. ANSYS流固耦合分析与工程实例[M]. 中国水利水电出版社, 2012.

[5]孙一坚, 沈恒根. 工业通风.第4版[M]. 中国建筑工业出版社, 2010.