利用SOLIDWORKS Flow Simulation验证无叶风扇流量倍增技术

智诚计算机辅助设计（深圳）有限公司 王汉武

利用SOLIDWORKS Flow Simulation验证无叶风扇流量倍增技术

智诚计算机辅助设计（深圳）有限公司 王汉武

无叶风扇以其独特的造型以及高效的通风性能为世人所熟知，其安全性与创造性的设计，对风扇行业产生了较大的影响。本文以无叶风扇为研究对象，模拟了无叶风扇整机与外部流场，验证了流量倍增现象。

一、引言

风扇在传统观念里，都是指带有叶片的旋转机械，依靠旋转出风。但到了2009年，英国的发明家James Dyson推出了一款新发明——无叶风扇。无叶风扇没有传统电风扇的叶片，它吹出的风比较柔和，且无冲击感。因为它在外观上没有叶片，可以防止旋转的风扇造成误伤，使用更加安全可靠。其利用出风口的特殊结构设计，能够带动更多周围的空气向前运动，从而使空气流量增加15倍左右。其工作原理如图1所示。

图1 无叶风扇工作原理

二、三维模型的创建

由于无叶风扇物理原型比较复杂，且内部结构配合的装置繁杂，包括叶轮、电机和一些盖板等。为了进行数值模拟研究，将其中一些部件作了简化处理。设定入口处为一恒定流量入口。简化后的模型全流场如图2所示。

图2

图3中包含了无叶风扇内部流动与外部流动情况。解释了在数值模拟时，流体从底端进口进入，通过出口狭缝流至外界。周围的空气也被从狭缝流出的空气所带动，合流向前运动。

三、网格划分

为了保证在狭缝处的计算精度需要设置最小间隙为2mm，全局网格为4级最终划分网格数量约为320万，网格切面图如图4所示。

图3 无叶风扇内部气体流动方向

图4 网格结果

四、设定边界条件

本研究中三维数值计算以体积流量进口为进口边界条件；以环境压力为出口边界条件。入口条件为恒定体积流量27m3/h。计算域模型直径为640mm、1000mm和1200mm，分别进行计算模拟和流动分析，以便获取较为合理的计算域。下面就从速度分布角度来研究这3种不同计算域的流场分布情况。

五、速度分布结果

图5为不同计算域模型XY平面速度等高线图，从中可以发现，几种尺寸的计算域速度大小接近，速度梯度分布大致相同，基本符合周围气流被带动的效果。

图5 速度分布

流动中，除了640mm模型，其余2个模型风圈背后且靠近狭缝处有小面积的相对高速区域，且形状较为接近。而640mm模型由于流动计算区域尺寸较小的原因，此相对高速区域较大，几乎覆盖整个风圈中心区域，此现象极可能是由于计算区域较小造成的流体流动受挤压汇聚而引起的。

六、流量倍增原因解析

通过查看结果中的表面参数可以得到参考面的体积流量约为0.0923m3/s，结果如图6所示。

图6 截面体积流量

基座进口处的体积流量设为Q1：

Q1=0.0075m3/s

出口处的体积流量设为Q2，由于流场每一个横截面上的质量流量数值均有差别，所以这里以图6所示的截面体积流量为例来计算说明倍率关系：

Q2=0.0923m3/s

增大倍数定义为K，即：

K=Q2/Q1=0.0923/0.0075=12.3

由于本研究只考虑了科恩达曲面对流场的影响，而忽略了涡轮的影响，因此流量增大倍数和相关文献中提到的约为15倍有一定差别。

七、结语

本文介绍了使用SOLIDWORKS Flow Simulation模拟无叶风扇的流动情况。介绍了模型的简化、网格的划分以及边界条件的设定。分别模拟了不同计算域对模拟结果的影响。通过参数捕捉验证了无叶风扇流量倍增的现象。

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