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前言 笔者之前做过几个关于内部风扇(fan)的案例,感兴趣的读者可以搜索历史消息或者点击文末的历史消失查看。彼时的风扇是位于计算域内部的,而实际上FLUENT还有外部风扇边界条件可用,此时可以模拟送风或者排风。今天,我们做一个外部风扇边界的案例,供参考。2 模型描述和求解设置 还是用如下的二维轴对称管道模型,管道内径Φ30mm,长300mm,里面有个内径Φ20mm的孔板。FLUENT的外部风扇有送风(intake fan)和排风(exhaust fan)两种,都是通过无厚度的压力阶跃来实现风扇的模拟,你可以理解为对应实际的鼓风机和抽风机,只是用一个无厚度的面来模拟。只需要输入风扇的流量压降特性曲线即可以计算得到管道的流量。
假设风扇的流量压降特性曲线如下,风机特性曲线的压力通常指的就是全压。
需要注意的是,软件的风扇特性曲线是按“速度—压力”输入,而不是“流量—压力”输入,因此需要把流量按管道内径换算成速度(如下图)。
风扇的输入面板如下,其实和压力边界很相似,只是输入的不是压力值,而是恒定压力阶跃或者流速压力特性曲线。
本案例,我们分别计算鼓风机、抽风机、鼓风机+抽风机三种情形。对应的边界条件组合为“intake fan+pressure outlet”、“pressure inlet+exhaust fan”和“intake fan+exhaust fan”,其中压力出口表压0Pa,压力入口全压0Pa。3 计算结果3.1 鼓风机 管道的速度分布如下,从左往右,流向正确。
进口平均速度为5.46m/s,对比风扇曲线,工作点压力亦即风扇出口压力(全压)约为120Pa。
我们读取管道进出口全压,结果显示出口全压正常,而入口全压为0Pa,表征的是流体的能量(以全压计)由0增加到19.13Pa,这个能量增量来自于风机,流体不可能无端增加能量。若要获得实际的入口全压或者说风机的出口全压,需要分别读取流体的静压和动压,两者之和即为动压。从下面的报表可以看出,入口全压为103.27Pa+18.27Pa=121.54Pa,和风扇曲线工作点压力一致。
3.2 抽风机 管道的速度分布如下,从左往右,流向正确。
出口平均速度为5.56m/s,对比风扇曲线,工作点压力亦即风扇出口压力(全压)约为102Pa。
进出口的静压和动压分别如下,可以看出,管道内部都是负压,而且在出口负压最大,这就是抽风机的功能,很好理解。同时,可以发现出口的全压约为-101.15Pa,注意到exhaust fan边界条件的输入面板中表压为0Pa,相当于抽风机的背压,因此抽风机的全压力增加量为101.15Pa,即工作点压力。
3.3 鼓风机+抽风机 管道的速度分布如下,从左往右,流向正确。
进出口的流速约为6m/s,相比单独鼓风机或者抽风机有增加,这很好理解,相当于两台风机串联。
此时,我们看一下进出口的静压值,比单独抽风机高,比单独鼓风机低,也就是说我们想要获得一定的流量,同时要降低管道内的压力水平,可以用鼓风机搭配抽风机来实现。
需要指出的一个问题时,如果管道阻力特性曲线和风扇特性曲线很不搭,也就是风扇选项非常不合适,曲线相交在很靠近坐标轴的位置,对于有抽风机的情况,出口可能会有回流,可能较难获得收敛解(残差曲线如下),此时可以先用稳态迭代一定步数,然后用很小的时间步长进行瞬态求解,会一定程度增强收敛稳定性。
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