ＣＦＤ在轴流式风力灭火机中的应用开题报告

1. 研究目的与意义

风力灭火机是林火直接扑救技术装备之一。风力灭火机的工作原理是用高风速、大风量气流吹散燃烧物产生的火苗，通过对流换热降温，使燃烧的化学反应速度降低。同时大量气流进入火场，使可燃气体浓度降低，并随气流带走部分可燃气体，过量的氧也会抑制燃烧。风力灭火机基本要求是高速空气射流，高速空气射流是由高风速和大风量组成。因此，增加风速，增大风量是改善风力灭火机灭火性能的关键。

目前风力灭火机大多数都采用离心式风机。传统离心式风力灭火机出口风量小、有效风速低、出口风压大，灭火工作效率较低。轴流式风机作为风力灭火机的主要部件，与离心式风机相比，轴流式风机的空气流向与风机主轴平行，轴流式风机出口风速高，风量大，风压较小，符合风力灭火机所需要的灭火要求，有助于风力灭火机灭火效率的提高。要提高风力灭火机的气动性能的关键是要了解其内部流动现象、流动结构和能耗机理。

轴流式灭火风机由轴流叶轮、圆形轴流风筒和锥形射流风筒3个主要部件组成。轴流式风力灭火机依靠小型汽油机带动轴流式灭火风机的轴流叶轮高速旋转,将外部空气整流吸入后增压加速,形成强有力的高速空气射流,从风力灭火机射流风筒出口处排出高风速、大流量气流,用以吹灭火焰,并迅速带走燃烧物燃烧产生的热量,使其燃烧区域的温度急剧下降到燃点以下,从而实现风力灭火目的。

2. 国内外研究现状分析

计算流体动力学（computationalfluiddynamics，简称cfd）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。随着计算技术的发展，在流体机械领域，计算流体动力学（cfd）已成为分析流体流动性质的一个个重要工具。cfd是一种用于预测和分析复杂流体流动性质的计算技术，包括对各种类型的流体在各种速度范围内的复杂流动在计算机上进行数值模拟的计算。cfd的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值cfd可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程飞动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。

cfd在最近20年中得到飞速的发展,除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外,还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制,例如由于问题的复杂性,既无法作分析解,也因费用昂贵而无力进行实验确定,而cfd的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的cfd软件可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验,历史上也曾有过首先由cfd数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。cfd软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点,都有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。cfd软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

cfd的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程，一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用cfd方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。之所以要使用cfd，通常基于三点：cfd对设计有很强的理解和可视能力，因而cfd的分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象；一旦给定问题的参量，cfd能够快速给出想要的结果，这样就可能在很短的时间内调整设计问题的参数，得到最好的优化结果；采用cfd是一种十分经济的做法。目前在航空、航天、汽车、透平机械等工业领域，利用cfd进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。

3. 研究的基本内容与计划

本毕业设计在熟悉Fluent三种功能基础上，主要完成以下工作：

1.利用GAMBIT软件建立灭火机模型。灭火机由风力灭火机由圆形轴流风筒、轴流风机和锥形射流风筒组成。

（1） 风机选用RAF-6翼型。建模时注意RAF-6*dat数据文件中3组数据分别对应x,y,z坐标，（data数据要进行处理），hub（轮毂）、case（机壳）母线建立在xz平面上，叶片安装角是绕z轴旋转48、38度，在生成turbo体风机转轴是x轴。

生成turbo体为风机整体1/6，建立全流道计算时需要整合、布尔运算。具体建模方法参见GAMBITTutorialGuide之第八2章或者参考文献3第三章。叶轮参数如表1，叶轮翼型参数见附件RAF-6翼型。

（2） 在风机两侧分别建立圆形轴流风筒和锥形射流风筒，注意进风方向。圆形轴流风筒和锥形射流风筒如下：

圆形轴流风筒直径D＝200mm，轴向长度L1＝400mm。

灭火风筒采用渐缩型设计，由圆锥型风管和圆柱型风管构成，圆锥形风管直径D1＝200mm，d1＝100，轴向长度L3＝500mm，圆柱形风管直径d2=100mm，轴向长度L4=100mm。

（3） 网格划分：由于风力灭火机的叶轮几何结构比较复杂，属于不规则形状，结构化网格进行划分具有一定难度，使用非结构化网格相结合对风机叶轮计算域进行网格划分。网格单元可以采用Tet/Hybrid，网格类型可以选：TGrid。圆形风筒和锥形风筒采用结构化网格。

（4） GAMBIT下边界条件和流体区域的初始设定：

入口边界条件：设定进口边界为压力进口（pressure-inlet)。

出口边界条件：设定出口边界为压力出口（pressure-outlet）。

叶片边界条件：设定固壁（wall）。

其余边界选择默认。

风力灭火机的三个部件区域属性：设定为流体（fluid）。

输出.msh文件。

2.利用Fluent－3d求解器进行计算

（1）读入网格文件、检查网格；设置非耦合求解器（Segregated）选用绝对速度表达式；选择RNGk-e紊流模型；设置流体属性等；

（2）旋转流体区：旋转流体区是数值模拟计算的主要控制体，采用动参考坐标系（MovingReferenceframe），该区域的旋转速度与叶轮转速相同，空气从进口沿x轴方向向出口运动。（Fluent定义绕轴逆时针转为正值）；

（3）对特殊边界条件进行设置：入口和出口边界可以保持默认压力入口和压力出口；叶片壁面重新定义为旋转壁面(movingwall)，风扇旋转速度为相对速度，与周围的流体速度相等。机壳内壁：机壳壁面采用无滑移固壁边界条件(no-slip)。当壁面运动速度为0时，壁面处的流体速度也为0；当壁面运动速度不为0时，壁面处的流体速度和壁面的运动速度相同。

（4）启动Fluent进行计算：设置求解控制参数后，用inlet边界对流场初始化开始迭代计算。

（5）计算结果后处理：输出叶片压力面、吸力面的压力云图、速度图；等值子午面及等值圆柱面的压力分布图、马赫数分布云图、速度矢量图等。

3.对流场简单进行分析。

风力灭火机叶轮参数表

预期进度

1.安装计算流体动力学前处理软件GAMBIT2.1.6、计算流体动力学商用软件FLUENT2.1.66。

2.熟悉GABMIT界面和操作，包括生成几何模型结构、Turbo工具的操作、模型的网格划分、区域类型设定及网格文件输出。利用GAMBIT软件建立CPU风扇模型、划分网格、定义边界条件、区域类型、输出网格文件。

3.熟悉FLUENT界面和操作。利用Fluent－3d求解器进行计算及后处理，

读入网格文件，定义各求解参数，利用Fluent－3d求解器进行计算。对计算结果后处理。

4.撰写论文

第1步骤在寒假期间完成。第2步骤利用大概在一到一个半月时间熟悉相关软件并进行实例操作。对于GABMIT和FLUENT两款软件，应将重心放在GABMIT软件的学习上。所以对于第3步骤，可以适时地缩短时间。答辩时间在6月初，应争取在五月前完成前4步骤，尽量提前半个月完成论文撰写并提交给刘老师进行指导与修改，通过最后的修改和调整，最终提交论文。

4. 研究创新点

为了深入了解轴流式风力灭火机中轴流式风机内部的气体流动规律,以便对其气动性能进行改进与提高,借助cfd分析软件将轴流叶轮、进出口、叶轮流道作为模拟对象,对轴流式风力灭火机的核心部件轴流式灭火风机在设计工况下的内部全流场进行了三维数值模拟分析,经数值模拟发现了轴流式灭火风机在最佳效率工况下内部流动的流动特征。

1.利用gambit软件建立灭火机模型。灭火机由风力灭火机由圆形轴流风筒、轴流风机和锥形射流风筒组成。

2.利用fluent－3d求解器进行计算

3.对流场简单进行分析