STAR-CCM+风机仿真全攻略，让风机设计优化后效率提升16%

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导读：风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械。风机是中国对气体压缩和气体输送机械的习惯简称，通常所说的风机包括通风机，鼓风机，风力发电机。风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却，锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送，风洞风源和气垫船的充气和推进等。

一、认识风机

1、风机的分类

（1）按进出风原理

轴流风机：指气体进入叶轮的方向与气体脱离叶轮的方向在同一水平线上的风机，适合相对于风量较大，静压不是太大的场合。
离心风机：指进风方向与出风方向呈90度角的风机(气体脱离叶轮时)，适合于较高风压，风量也较大的场合，可以克服很大的阻力。
混流风机：指界于离心风机和轴流风机之间的风机，即进风方向与出风方向所呈的角既非90度也不在同一条水平线上，它综合了离心风机和轴流风机的特点。

（2）按压力分类

低压离心通风机在标准状态下，通风机全压Ptf≤980Pa。
中压离心通风机在标准状态下，通风机全压Ptf=980~2942Pa。
高压离心通风机在标准状态下，通风机全压Ptf=2942~14710Pa。

2、风机专业术语

风量：用于表示空气流量的大小。风量=截面积*风速
常用单位：立方米/小时，即CMH，m^3/h；
全压：用于确定空气阻力的大小。单位：帕，Pa
全压=静压+动压
静压：用于确定气流的阻力，也就是沿程阻力(系统阻力)；
动压：空气流动时自身产生的阻力。动压=1/2ρv2；
转速：用于表示风机运转时的速度。单位：转/分(r/min)，RPM；
轴功率：风机实际耗能。单位：千瓦，Kw；
电机功率：是风机所配电机的功率，一定比轴功率大。单位：Kw
噪音：用于表示风机运转时所产生的噪音的大小。单位：分贝，dB(A)；
静压效率：以SE%(STATIC EFFICIENCY)表示。
公式：SE%=A/B

A=风量(m^3/h)*静压(Pa)，B=轴功率(Kw)×1000×3600

风机相似律：对于同一类型的风机等比放大时，其参数按一定的规律作相应变化。
相似率计算公式：

通风机进口标准状况：它是指通风机进口处空气的压力为一个标准大气压(760mmHg或101325Pa)，温度为20℃，相对湿度为50%的气体状况。
流量：它是单位时间内流过通风机的气体容积，而与空气密度无关。

Q=A×V

流量常用单位：m^3/h；而风机性能计算中均用m^3/s。
通风机的全压Ptf：气流在某一点或某一截面上的总压等于该点截面上的静压与动压之和。Ptf= Psf + Pdf
全压常用单位：Pa
通风机的动压Pdf：通风机出口截面上气体动能所表征的压力，即：

Pdf= ρ2 * c22/2

Ρ2：出风密度 c2出口流速

动压常用单位：Pa
通风机的静压Psf：通风机静压定义为通风机全压减去通风机动压。即：Psf=Ptf-Pdf，静压常用单位：Pa。
通风机的转速n：通风机的转速是以每分钟旋转数，单位(r/min)。
通风机的效率：通风机全压效率ηtf，等于通风机的全压有效功率与轴功率的比值，即：ηtf = Petf/Psh=Ptfqv/1000/Psh
机械效率是表征通风机轴承损失和传动损失的好坏，是通风机机械传动系统设计的主要指标。当风机转速不度而运行于低负荷工况时，因机械损失不变，故机械效率还将降低。
风扇的气动性能：风扇的气动性能，主要通过两个曲线描述：P-Q曲线和效率曲线。

P-Q曲线

P-Q曲线直接决定了风扇的适用条件，效率曲线决定了风扇的使用成本。

P-Q曲线描述了风扇静压和流量之间的关系，是风扇最重要的特性曲线。l风扇静压是风扇的出口静压和入口总压之间的差值，流量为通过风扇的体积流量。

P-Q曲线呈单调递减形式，即风扇静压会随着流量的增加而减少。

根据AMCA Standard 210-16的规定，将最大流量工况称为”free delivery“，0 流量工况称为”shut-off“。

效率曲线

效率曲线描述了风扇气动效率和流量之间的关系。风扇效率计算公式为：

其中，Q 为体积流量，Ps为风扇静压，Pi为风扇输入功率。

效率曲线为山峰状，即中等流量工况下风扇效率较高，小流量和大流量的效率较低。

在 0 流量和最大流量两个极端工况下，其效率为 0。

二、风机的仿真

风扇在CFD仿真中包括两类情况：

需要通过CFD获得气动性能，并指导设计优化 ·需要通过CFD进行合理的风扇选型与评估
通过CFD获取风扇P-Q曲线和效率曲线，其步骤如下：

（1）确定需要分析的叶片转速

（2）对计算域进行网格划分

（3）对最大流量工况进行分析

（4）对其他工况点进行分析

（5）汇总结果并绘制曲线

1、风机计算的三种方法

风扇的CFD建模方法包括移动参考系法、刚体运动（滑移网格法）、重叠网格三类。

方法一、移动参考系法

移动参考坐标系通常用于模拟区域的刚体旋转和平移，而不移动网格节点。此建模方法在移动参考坐标系中将瞬态问题转化为稳态问题，从而提供时间平均求解。

方法二、刚体运动法

涉及刚体运动的系统示例包括搅拌器、涡轮机、压缩机、泵以及内部或外部组件绕固定轴旋转或沿固定路径平移的其他设备，假设移动的组件不变形。

刚性移动网格，需要时间精确行为时，STAR-CCM+ 提供了可在瞬态分析期间移动网格节点的刚体运动模型：

旋转
平移
旋转和平移
轨迹

方法三、重叠网格方法

重叠网格用于离散具有以任意方式相互重叠的多个不同网格的计算域。它们最适用于处理可以将几何封闭在重叠区域中并设为不同位置的大型运动以及优化研究。重叠网格方法通过在一个区域的受体网格单元与另一个区域的供体网格单元（具体来说就是标记为活动的网格单元）之间交换数据来耦合区域。

典型的重叠模拟具有封闭整个求解域的背景区域以及围绕体（如船体或翼面）的重叠区域。重叠区域的外表面定义为重叠边界。

2、风机P-Q曲线的自动计算

P-Q曲线描述了风扇静压和体积流量之间的关系.STAR-CCM 的Design Manager中的扫掠功能，自变量为体积流量，目标函数为静压差，通过扫描计算不同体积流量下的静压差，自动得到P-Q曲线。

3、风机效率优化

风机效率优化有两种方法：参数化优化和伴随形状优化。

方法一：参数化优化

参数化优化是达到设计目标的一种方法，通过将设计目标参数化，采用优化方法，不断的调整设计变量，使得设计结果不断接近参数化的目标值。

首先，将风机叶片参数化

通过寻优算法对叶片进行优化

优化前叶片

优化后叶片

优化后效率提升16%

方法二：伴随形状优化

伴随法属于梯度法的一种, 通过求解微分方程得到目标函数对设计变量的敏感性。根据敏感性采用自定义函数通过控制点对叶片进行变形，从而获得性能提升的叶片。

叶片控制点

优化后的叶片出现了弯扭。

风机效率提升如下，每经过一次迭代优化效率提升一点，优化后效率提升2个点。

4、风机噪音计算

气动声学是多物理场建模和模拟的一个分支，涉及由流体流动引发的噪声源和随后所产生的声波传播，声音产生的主要机制可归类为：

涡流脱落噪声：从流体中的钝体释放的涡旋，因涡流脱落引起的体上的时间变化循环会在体本身上产生波动力，该波动力将传递到流体并作为声音传播。
湍流结构相互作用噪声：碰撞在固体表面上的涡旋结构产生局部压力波动。
尾缘噪声：因边界层不稳定性与表面边的相互作用产生噪声，例如旋转叶片上的流动产生的噪声。
FfowcsWilliams-Hawkings（FW-H）气动声学模型：FW-H气动声学模型是基于积分公式预测远场声学，该模型可计算远场声信号，这些信号由CFD求解得出的近场流场数据扩展得到，目的是预测每个接收器位置处的小振幅声压波动。FW-H声学模型只用于预测自由空间中的声音传播，不包括声音反射、折射或材料改性等效果。FW-H模型是将连续性方程和动量方程精确地重新整理为不均匀波方程形式，即使在积分表面位于非线性流体区域中的情况下，FW-H方程的结果同样精确，其根据自由空间格林函数来计算接受器位置处的声压。