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利用CFD研究地铁用轴流通风机的安装角度与效率的关系 杨 樱/中建(北京)国际设计顾问有限公司 由世俊 张欢 高立江/天津大学 摘要：利用商用计算流体力学（CFD）软件FLUENT，对地铁用轴流通风机不同安装角下的内部流场进行模拟，并将各种情况下的全压效率和矢量场进行了比较，提供了风机设计的依据。 关键词：轴流式通风机 数值模拟 效率 安装角 中图分类号：TH432.1 文献标识码：B 文章编号：1006-8155（2007）04-0000-00 Investigation on the Connection between Angles of Setting and Efficiency within Axial-flow Fan for Subway by CFD Abstract: The inner flow fields in different angles of setting of axial-flow fan for subway are simulated by FLUENT software of CFD. The total efficiency and field of vector in different situations are compared. It provides the evidence for design of fan. Key words: axial-flow fan; numerical simulation; efficiency; angles of setting 0 引言 地铁环控系统是整个地铁工程的重要组成部分。列车和各种设备的运行以及乘客将释放出大量的热量，这就需要环控系统将这些热量处理掉，目前解决的方法主要有两种：机械制冷和机械通风的方式来排除。机械制冷的方式是环控系统的必然方式，然而由于地铁处于地面以下，而土壤是一个巨大的蓄热体，在近15年的时间内，产生的热量基本上都能被消化掉，因此，在地铁运行前近15年内完全可以利用机械通风的方式，充分利用土壤的蓄热能力满足空调的要求。在新建的地铁项目中，通风系统在地铁环控系统中将占有很高的地位[1]。 随着我国地铁建设项目不断增多，地铁专用风机作为通风系统的核心设备已经成为地铁环控系统研究的主要课题之一。地铁风机应该具有大流量、高压头、高效率、低噪声以及正反转风量和风压基本相同等特点，而且许多地铁工程空调和通风系统风机共用[2]。 由于相似理论不适用，目前的风机设计都是依赖大量的试验数据，开模后进行试验，比较后再采用性能较好的模型进行生产。因为模具较贵，所以生产成本也较高。随着计算机和CFD（计算流体动力学）技术的不断发展，为三维数值模拟越来越广泛的应用提供了条件。目前，利用CFD进行模拟正逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手段。 1 物理模的型建立 本课题选用的是某通风机厂制造的 TVF 可逆转地铁专用轴流通风机，叶轮直径为 2.0m，14个叶片，5个支架，标准转速990r/min。物理模型的建立是在FLUENT的前处理软件GAMBIT中进行的。计算模拟部分采用的是FLUENT6.1计算商用软件。 为了便于计算，将风机分成两部分：风机段和电机段。建模过程中先按整体建模，然后再用一个面将其分开，生成两个相连的体，中间面设为INTERIOR，依此类推划分其他的几个体。 由于在模拟过程中，风机出口中间有一个回流区，而FLUENT在计算过程中是将动能叠加，这样会造成结果的误差，因此本次模拟增加了一个加长段以便气流尽量的稳定，并且整个出口没有回流区。图1就是建完的风机模型。 本风机模型包含旋转的动边界和静止不动的静边界，因此将整个计算域划分成定子和转子两个子区域。定子区域就是支撑段，转子区域是风帽段和叶轮段的组合。本文中旋转叶轮和其他固定面的耦合采用了MRF系模型[3]。MRF模型的基本思想是把风道内流场简化为叶轮在某一位置的瞬时流场，用定常方法计算非定常问题。转子区域的网格在计算时保持静止，在惯性坐标系中以作用的哥氏力和离心力进行定常计算；而定子区域是在惯性坐标系里进行定常计算。在两个子区域的交界面处交换惯性坐标系下的流体参数，保证了交界面的连续性，达到了用定常计算来研究非定常问题的目的[4]。 图1 风机模型图 2 数学模型的选择 由于本次模拟忽略了温度场对风机性能参数的影响，所以没有能量方程，只有动量和质量方程，本课题选用的是标准k-ε双方程模型。这种模型是一种最简单的完整的湍流模型，它需要解两个变量：速度和长度。它在工业流场和热交换模拟中有非常广泛的应用，具有适用范围广、经济、合理的精度等优点，它是个半经验的公式，是从试验现象中总结出来的。 标准 k-ε模型是个半经验公式