基于计算流体力学的园林吹风机仿真研究

杨闯，林淑芳，杨柳

（ 1.上海电动工具研究所 上海电动工具工程技术研究中心，上海 200031；2.上海汽车商用车有限公司，上海 200438 ）

基于计算流体力学的园林吹风机仿真研究

杨闯1，林淑芳2，杨柳1

（ 1.上海电动工具研究所 上海电动工具工程技术研究中心，上海 200031；2.上海汽车商用车有限公司，上海 200438 ）

介绍计算流体力学的发展现状，以DC 18 V园林吹风机为例，使用三维软件UG建立园林吹风机蜗壳、叶轮以及风管流道的简化模型，利用ANSYS CFX流体分析软件，采用标准k-ε模型，对仿真模型进行网格划分，边界条件设置等，分析计算流体力学CFX得出的流域风速分布曲线和压力分布云图。比较仿真的出风口风速与真实样机所测得的风速，数值是相近的，得出了计算流体力学仿真的准确性，为验证蜗壳的稳定性和结构优化提供了依据。

流体分析；园林吹风机；风速；CFX

0 引言

电子计算机的出现和迅速发展大大改变了科技进程，流体力学的发展也因此出现了崭新面貌，计算流体动力学（CFD）应运而生。现如今，在流体动力学方面，CFD已经在多个领域有较好地应用。如在航空航天领域模拟飞机的大公角飞行和机动飞行；在汽车领域模拟汽车外流场，计算对称面、地面和车身表面的压力分布；在气象预报，冶金行业，油气开采，涡轮水泵等方面都有着广泛应用。

1 概述

目前市场上，常用的计算流体力学分析工具除了1981年英国CHAM公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件PHOENICS之外，还有数十种工具。如采用有限容积法、拼片式块状结构化网络的CFX；第一个使用有限元法（FEM）的CFD软件FIDA；采用一些基本的算法解决城市污染预测、叶轮中的流动、管道流动等生活中实际问题的PHOENICS软件；在计算稳态与非稳态流动、牛顿流体及非牛顿流体的流动、多孔介质中的流动、亚声速及超声速流动方面尤其在汽车工业上应用非常广泛的STAR-CD软件。

2 实例应用

电动工具行业新产品推出速度快、技术全面性高、市场竞争激烈，对产品研发成本、研发响应速度都提出了越来越高的要求。传统电动工具厂商，尤其是微小民营企业，对研发产品性能指标的测定，大多采用功能样机——校验测试的方法。待功能样机制作完成后进行功能性测试，对测试中的问题进行图纸修改。如果偏差太大，需要再次制作功能样机测试，如此反复，不仅增加了前期的研发成本，而且前期的周期也会增大。

本文将以DC 18 V园林吹风机为例，叙述计算流体力学在电动工具行业中的应用。园林吹风机主要由电机、风叶、左右机壳（包括蜗壳）、电池包、充电器、风管、开关组件等组成，见图1。

衡量一款园林吹风机性能优劣，除了综合考虑零部件电机和电池包容量等，出风量和风速是衡量其优劣的关键。风速的快慢除了与电机转速有关，跟风叶的设计和蜗壳的结构有着直接的关系。

图1 园林吹风机的2D简图

3 仿真模型

3.1 几何模型及网格划分

根据企业的要求，设计一款DC 18 V园林吹风机，利用三维造型软件UG建立模型如图2所示。根据前期结构设计，生成包含理想气体如图3所示的流体域。流体域包括风叶内部的流体域以及蜗壳、风管、进出风口处的流体域。

图2 园林吹风机的3D图

图3 园林吹风机的流域模型图

首先在计算流体力学ANSYS CFX软件中，对流体域进行网格离散，对风叶、风管、蜗壳、进风口流体区域细化网格，网格总数为1 222 087个。如图4所示的网格划分。

图4 园林吹风机流域模型网格划分

3.2 初始环境及边界条件设置

最后，根据知识服务的经济后果三分法理论，我们在充分利用知识服务的正经济后果效应的同时，还须关注知识服务的零和经济后果效应和负经济后果效应，因为零和经济后果观认为知识服务经济行为带来的正的经济效益和负的经济效益正好处于正负相抵状态，即意味着做无用功，未收到期望的经济效益，而负经济后果观认为知识服务经济行为仅仅带来负的经济效益，即给利益相关者造成纯粹的经济损失。站在理性经济人角度，我们应趋利避害，充分利用知识服务的正经济后果效应观，尽量避开知识服务的零和经济后果效应观和负经济后果效应观造成的影响。

边界条件是进行CFD分析的必要条件，文中将空气作为不可压缩流体且进、出风口分别与大气相连通，进风口边界条件设置为压力进口（pressure inlet），出风口边界条件设置为压力出口(pressure outlet)。将模型中的风叶流体域、蜗壳流体域、风管流体域以及进风口流体域均设置为流体区域（fluid）。

由于本模型园林吹风机结构较为简单，其管道内空气流动状态也并不复杂，故将采用流体力学中较常用的工程湍流模型k-ε，其中k为湍动能，定义为速度波动的变化量，其单位为m2/s2。ε为湍流能耗散，即指速度波动耗散的速率，其单位是单位时间的湍流动能，如m2/s3。

k-ε模型是在系统方程里引入了两个新变量。连续方程为

动量方程为

式中，B为体积力总和；μeff为有效黏度；p′为修正压力。其表达式为

式中，μt是湍流黏度，k-ε模型假设湍流黏度与湍动能耗散有关，即

其中Cμ是常数，k、ε值直接从湍动能耗散方程中求解，湍动能方程为

式中，Cε1、Cε2、σk、σε为常数。

Pk是黏性力和浮力的湍流产物，其方程为

3.3 CFX仿真结果及分析

根据企业的测试报告，电机空载转速约为13 500 r/min，电机负载转速为9 500 r/min。进行计算流体力学分析时，旋转区域转速设置为9 500 r/min。分析结果如图5、图6、图7、图8所示。

图5 中间截面速度流线

图6 中间截面静压云图

图7 整体静压云图

图8 整体流线图

企业根据功能样机采用如图9所示的测速仪测得此款DC 18 V吹风机风速约为60 m/s，按照1 Mph=1．6 km/h计算，约等于135 Mph。而计算流体力学CFX仿真分析的出风口流速为图10所示59．5 114 m/s，误差低于0．5%，仿真分析的结果与实测值非常接近，因此流体分析仿真结果能够准确的反应实际的情况。根据流体仿真分析，还可计算得出图10所示的数据。

图9 测速仪

图10 CFX分析处理器数值截图

式中，Q是风量，单位为m3/h，V是风速，单位为m/s，S是出风口面积，单位为m2。

当S是0．0 142 876 m2时，求得风量Q为137．36 m3/h。

如图10所示叶轮扭矩为0．3 368 N·m，根据公式P=T×n/9．55，其中转速n为9 500 r/ min，算得轴功率为335 W。

出口压力为1 083．65 Pa。

由公式可算得全压效率为56．73%。

从CFX流场的静压云图可以看出，进风流域和出风流域处的压力分布都很均匀，表明气流在进风和出风区域都没有出现气流回流现象。风叶流域和蜗壳流域起到了很好的整流作用。

从CFX流场的速度云图来看，风叶和蜗壳处有些许回流和涡流现象。未来若需提高出风口风速，可以使用CFD流固耦合仿真，对风叶和蜗壳的结构进行流体仿真，并对其进行优化设计。

4 结语

通过计算流体动力学ANSYS CFX对园林吹风机进行流体分析，使用计算流体力学仿真的结果与真实样机实测结果是基本一致的，表明流体分析的准确性。在电动工具的应用实践中，流体分析还可以对进出风口、排风结构、叶轮、气体的冷却、防尘等流动效果进行评估，从而可以优化流道、减少流动损失、提高流动效率。

[1]谢龙汉，赵新宇，张炯明． ANSYS CFX流体分析及仿真[M]．北京：电子工业出版社，2012．

[2]杨闯．基于ADAMS的修枝机变速箱机械传动机构仿真分析研究[J]．电动工具，2015(2)．

[3]周建辉．航空电子设备冷却轴流风扇优化设计[J]．航空动力学报，2009，(03)：634-642．

[4]吴荔星，刘正伟，郑宗峰．电动工具研发中的CAE技术应用[J]．电动工具，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

杨闯（1988—），男，硕士研究生，工程师，主要从事充电式园林工具与电动工具整机产品研发的工作。