使用 Ansys Discovery 对离心风机进行仿真

了解设置模拟并获得有用结果的步骤。

离心风机：基础知识和重要性

离心风机，也称为径流式风机，是旨在通过将动能转化为势能来增加空气或气体的压力和流量的机械装置。它们的工作原理是利用旋转叶轮产生的离心力轴向吸入空气，然后径向排放空气。这种设计可以有效处理高压应用，并能够抵抗系统阻力移动大量空气。

离心风扇有多种类型，每种类型适用于不同的用途。主要类型包括（见右图）：

径向叶片风扇。它们坚固耐用，能够处理含有颗粒的空气，常用于物料搬运和集尘系统。
前倾式风扇。结构紧凑、噪音小，是建筑物暖通空调系统的理想选择。
后弯式（或后倾式）风扇效率更高，且可自行限制功耗，适合用于工业过程和大规模通风。

离心风扇广泛应用于各行各业。在暖通空调系统中，它们为建筑物提供空气循环和温度控制。工业过程使用它们进行通风、排烟和气动输送。它们在发电厂用于通风诱导，在汽车行业用于发动机冷却，至关重要。

离心风扇的选择取决于所需气流、压力、效率、噪音水平以及所输送介质的性质等因素。叶轮设计和电机效率的进步不断提高这些多功能机器的性能和能耗。

成分

这些风扇由叶轮和外壳组成。叶轮通常由金属或塑料制成，高速旋转，从入口吸入空气并加速流向出口。离心风扇的外壳用于引导气流并增加其压力。为了实现所需的性能，重要的是要考虑外壳的形状和尺寸以及叶轮叶片的数量和排列等因素。

模拟

可以使用不同的 CFD 工具来模拟涡轮机械。在本例中，我们使用 Ansys Discovery 快速评估风扇的液压功率。它是一种仿真驱动的设计工具，将交互式建模（包括参数化）与多种仿真功能集成在一起。在探索模式中，用户即使在更改模型或物理时也可以快速获得初步结果。这允许在细化模式中进行更精确的模拟之前探索不同的设计，在细化模式中，模型被网格化并使用更强大的求解器运行。

步骤。使用 Ansys Discovery 模拟离心风扇涉及以下步骤：

几何创建。首先创建离心风扇几何的 3D 模型，包括叶轮、外壳和任何其他组件。在此演示中，我们有一个后弯风扇的虚拟几何形状（出口直径：546 毫米，板厚：5 毫米，叶片厚度：10 毫米）。

使用适当的设计指南创建外壳。提取上面显示的叶轮外壳的体积。禁用叶轮进行模拟。您可以使用其他 CAD 工具创建自己的几何形状，Ansys Discovery 可从许多 CAD 软件导入文件。
物理设置。转到“模拟”选项卡并单击“流体流动”，从列表中选择第一个选项：“流动”。选择下面显示的入口区域（左），1）选择“入口”和 2）您喜欢的选项，3）输入适当的值和 4）空气温度（可选）。在此演示中，入口定义为 1 m/s 的等温流。对于出口部分，按照步骤 (5) 至 (8) 重复该过程，选择外壳上的区域（右）。这里我们有一个参考压力为 0 Pa 的部分。请注意，入口和出口值可以参数化。

返回“模拟”选项卡并单击“流体流动”。这次从列表中选择“旋转流体区域”。现在您必须选择一个几何图形，然后选择“叶轮外壳”。确保您在屏幕上看到 (1) 区域的名称，以及 (2) 以您喜欢的单位输入转速。对于此演示，风扇以 360 rpm 的速度旋转（通常此速度更高），方向如图所示。确保流体区域（“叶轮外壳”和“外壳”）指定空气作为材料。结构钢用于叶轮，但在本模拟中已禁用。
在探索模式下运行模型。通过选择屏幕底部的选项确保您处于探索模式。接下来，选择您想要的模拟保真度，同时记住每个保真度都有一个关联的单元格大小。如果您想知道单元格大小，请转到“模拟”选项卡并单击“大小预览”。将鼠标指针移到几何图形上，单元格大小将可见。有关更多详细信息，请观看以下视频。要解决模型，请单击屏幕右下角的绿色按钮。结果将在下一节中进行评估。
在“优化模式”下运行模型。单击“探索”选项卡右侧的白色箭头，转到“优化模式”。接下来，以与“探索模式”中相同的方式选择“保真度”。回想一下，在此模式下，用户可以创建网格。有不同的网格控件需要设置，但在此演示中，我们将使用以下选项。有关更多详细信息，请观看此视频。要针对每个保真度值求解模型，请单击屏幕右下角的绿色按钮，就像在“探索模式”中一样。

后处理结果：探索模式

以下结果针对不同的保真度（分辨率）级别进行了呈现。由于风扇的目的是提高静压，因此请先检查这些轮廓以了解域内的流动情况。选择您喜欢的单位，然后使用“方向场”工具并选择子午面，如下所示。

上图左下方的数字 1 表示这是使用较低保真度求解的第一个模型。随着保真度的降低，元素大小也会减小，结果也会更准确。表 1 显示了不同保真度值的结果，其中计算了入口体积流量和液压功率：

体积流量是空气密度、空气速度和入口面积的乘积。
液压功率是体积流量和压力升高的乘积。验证单位。

后处理结果：优化模式

现在，使用 Ansys Discovery 的第三个环境。如前所述，细化模式允许用户创建和控制网格以获得更准确的结果。我们还可以使用保真度选项卡来细化网格。如果您想通过输入单元大小（最小/最大）、增长率和膨胀层数来细化网格，请参考此。同样，下图是第一个具有最少单元数的模型，但表 2 提供了有关网格细化后结果的完整信息。