电机散热风扇外流道流场CFD分析.docx
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电机散热风扇外流道流场CFD分析
电机散热风扇外流道流场CFD分析
徐立超;胡海波
【摘要】电机风扇是电机冷却的关键零件,以业内常见的YKK电机风路为例,介绍了一种利用CFD手段分析电机风扇外流道流体场的方法.由于该方法比较复杂,我国电机行业内应用不多,读者可对该技术手段有一定的了解,并可在实际工作中应用.
【期刊名称】《防爆电机》
【年(卷),期】2011(046)002
【总页数】4页(P18-21)
【关键词】风扇;外流道流场;CFD;风扇效率;截面压力
【作者】徐立超;胡海波
【作者单位】龙煤矿业集团股份有限公司双鸭山分公司供电公司,黑龙江,双鸭山,155100;依兰电业局,黑龙,江依兰,154800
【正文语种】中文
【中图分类】工业技术
2011年第2期第46卷(总第159期)(EXPLOSION-PROOFELECTRICMACHINE)防I爆、懂兰功b电机散热风扇外流道流场CFD分析徐立超i.胡iiEj2l龙煤矿业集团股份有限公司双鸭山分公司供电公司,黑龙江双鸭山(155100)2依兰电业局,黑龙江依兰(154800)摘要电机风扇是电机冷却的关键零件,以业内常见的YKK电机风路为例,介绍了一种利用CFD手段分析电机风扇外流道流体场的方法。
由于该方法比较复杂,我国电机行业内应用不多,读者可对该技术手段有一定的了解,并可在实际工作中直用。
关键词风扇;外流道流场;CFD;风扇效率;截面压力中图分类号:
TM301.4+l文献标识码:
A文章编号:
1008-7281(2011)02-0018-04CFDAnalysisonFluidFieldofMotorCoolingFanOuterfluidchannelXuLichaoandHuoHaiboAbstractThefanisakeypartofmotorincooling.TakingtheventilationcircuitofaYKKmotorcommonlvusedinmotorindustryasanexample,thispaperintroducesamethodtoanalyzefluidfieldofmotorcoolingfanouterfluidchannelbyCFD.Thismethodismorecom-plex,soitislessappliedinmotorindustrynow.Theauthorscanhavesomeunderstandingonthistechnicalmeansinthispaper,anditcanbeappliedtoactualwork.KeywordsFan;flui'dfieldofouterfluidchannel;CFD;fanefficiency;cross-sectionpres-sure1电机散热风扇数值CFD分析的意义电机冷却风扇是电机冷却系统中非常重要的零部件。
散热风扇的效率和性能,是整个电机系统性能评价的主要指标之一。
无论是散热风扇的设计还是性能评价,都是建立在风道试验的基础上。
近年来随着计算机技术及CFD技术的迅速发展,借助计算机来进行模拟性能测试变为可能,使用商业CFD软件FLUENT进行散热风扇模拟性能测试是一种更方便、经济的测试方法。
电机散热风扇示意图如图l所示。
18图lYKK电机散热风扇的示意图电机散热风扇CFD分析的主要内容2.1散热风扇风量的分析当电机风扇工作时,它将空气从进口百叶窗处吸进来,通过旋转的离心力将其甩出,空气通过风道排出。
电机工作过程中,通过散热风扇的流量是随着电机转速不断变化的,在本文中将按照电机额定功率下的转速为条件进行计算分析。
电机散热风扇最终的性能表示都是以流量和转速为自变量,静压及功率为因变量的流量一静压、流量一功率图。
即给定风扇转速,通过计算得到风扇静压及功率。
在分析过程中把空气当作不可压缩流体来处理。
本文以按最常见的工况进行了以下分析
(1)风扇正常工作状态下,风道内的流场分析;
(2)风扇正常工作状态下,风道进口、出口的质量流率,风扇对轴的力矩;(3)对计算结果进行分析。
在FLUENT中,提供了三种适用于旋转机械2011年第2期第46卷(总第159期)(EXPLOSION-PROOF防I爆、懂兰功bi.胡iiEj2l龙煤矿业集团股份有限公司双鸭山分公司供电公司,黑龙江双鸭山(155100)摘要电机风扇是电机冷却的关键零件,以业内常见的YKK电机风路为例,介绍了一种利用CFD手段分析电机风扇外流道流体场的方法。
由于该方法比较复杂,我国电机行业内应用不AnalysisonFluidFieldofMotorCoolingFanOuterfluidchannelLichaoandHuoHaibofanisakeypartofmotorincooling.TakingtheventilationcircuitofaYKKmotorcommonlvusedinmotorindustryasanexample,thispaperintroducesamethodtoanalyzefluidfieldofmotorcoolingfanouterfluidchannelbyCFD.Thismethodismorecom-plex,soitislessappliedinmotorindustrynow.Theauthorscanhavesomeunderstandingonthistechnicalmeansinthispaper,anditcanbeappliedtoactualwork.KeywordsFan;flui'dfieldofouterfluidchannel;CFD;fanefficiency;cross-sectionpres-电机冷却风扇是电机冷却系统中非常重要的零部件。
散热风扇的效率和性能,是整个电机系统性能评价的主要指标之一近年来随着计算机技术及CFD技术的迅速发展,借助计算机来进行模拟性能测试变为可能,使用商业CFD软件FLUENT进行散热风扇模拟性能测试是一种更方便、经济的测试方法。
电机散热风扇示意图如图l所示。
18图lYKK电机散热风扇的示意图容2.1散热风扇风量的分析当电机风扇工作时,它将空气从进口百叶窗处吸进来,通过旋转的离心力将其甩出,空气通过风道排出。
电机工作过程中,通过散热风扇的流量是随着电机转速不断变化的,在本文中将按照电机额定功率下的转速为条件进行计算分析。
电机散热风扇最终的性能表示都是以流量和转速为自变量,静压及功率为因变量的流量一静压、流量一功率图。
即给定风扇转速,通过计算得到风扇静压及功率。
在分析过程中把空气当作不可压缩流体来处理。
本文以按最常见的工况进行了以下分析质量流率,风扇对轴的力矩;(3)对计算结果进行分析。
在防I博艮_E妨lb(EXPLOSION-PROOF2011年第2期第46卷(总第159期)的计算模型:
多参考系模型、混合平面模型和滑动网格模型。
其中多参考系模型对计算机的要求为三种模型中最低的,而且经过长期检验,计算的精度也有一定的保证。
图2FLUENT中混合类型网格自动划分2.2百叶窗风叶优化电机散热风扇的百叶窗对进入流场通道的流体流量大小有着很大的影响,所以对百叶窗的优化也就成为影响风扇效率的重要因素。
百叶窗优化的目的:
在不影响风扇效率的前提下,尽可能的使百叶窗的几何形状简单,加工方便。
结合目前行业内的百叶窗形式,采用不同的形式进行流场分析计算,并根据计算结果,设计优化合理的百叶窗形状,如图3所示。
图3YKK电机进风口百叶窗示意图2.3风扇风阻的计算评价电机散热风扇的优劣,首先要考虑风扇本身的性能,如风扇静压、风扇流量、风扇效率等。
风扇静压为了使冷却系统空气顺利通过散热器并把热量带走,风扇所供给的冷却空气应具有一定的压力,其大小与系统的风阻相等。
系统的风阻为散热器的阻力及除散热器以外的所有空气通道阻力之和,如百叶窗、导风罩、冷却器罩等的阻力。
风扇流量即是单位时间流过散热器及风扇的冷却空气流量,流量越大,冷却空气从散热器上带走的热量越多,散热效果越好。
风扇效率为风扇静压功率与风扇轴功率的比值,反映了风扇的能量消耗与能量利用率。
然后还要将风扇与整个散热系统相匹配,如风扇转速与发动机或电机的转速匹配、风扇静压与系统风阻的匹配、风扇流量与发动机发热量的匹配、风扇最高效率点与散热系统的最高效率点的匹配等。
根据风扇风阻及效率的计算公式,从电机散热风扇风量的计算结果中,提取有效的数据赋予其中,通过计算可以得到风扇风阻及效率。
2.4风扇效率的计算及优化分析根据以上步骤得出的结果,再利用公式计算出风扇的设计效率是否满足要求,并可根据情况对其进行优化分析设计以满足要求。
3实例分析3.1待分析的风道介绍本次计算分析的是一个长0.96m、宽0.91m、高0.27m的风箱,风箱内部有一个离心式风扇,风扇有9个叶片。
当风扇正常工作时,它将空气从前壁面吸进来,通过旋转的离心力将其甩出,空气通过风道排出,并对正常风道内的流场,风道出口的质量流率,风扇对轴的力矩等进行分析。
3.2分析中使用的坐标系本文实例分析中使用的坐标系处于风扇中心,如图4所示。
图4X、y轴在风扇径向平面内Z轴指向风扇中心轴的轴向3.3材料参数本文实例分析中使用材料属性见表l。
表l材料属性材料名称密度(kg/m')粘性(kg/m-s)1.2251.7894e-53.4几何分析模型在正常工作状态下,风扇是主要的工作部件,出口的质量流率主要取决于风扇的功率,而风扇的工作效率主要取决于风箱内流场的形态。
在分析风扇的流场时,为了便于建立CFD模型,对流道的几何模型作了一些必要的处理。
3.4.1模型的简化简化掉了风扇的一些小圆孔、一些凸出的小19防I博艮_E妨lb2011年第2期第46卷(总第159期)的计算模型:
多参考系模型、混合平面模型和滑动网格模型。
其中多参考系模型对计算机的要求为三种模型中最低的,而且经过长期检验,计算的精度也有一定的保证。
2FLUENT中混合类型网格自动划分电机散热风扇的百叶窗对进入流场通道的流体流量大小有着很大的影响,所以对百叶窗的优化也就成为影响风扇效率的重要因素。
百叶窗优化的目的:
在不影响风扇效率的前提下,尽可能的使百叶窗的几何形状简单,加工方便。
结合目前行业内的百叶窗形式,采用不同的形式进行流场分析计算,并根据计算结果,设计优化合理的百叶窗形状,如图3所示。
3电机进风口百叶窗示意图评价电机散热风扇的优劣,首先要考虑风扇本身的性能,如风扇静压、风扇流量、风扇效率等。
风扇静压为了使冷却系统空气顺利通过散热器并把热量带走,风扇所供给的冷却空气应具有一定的压力,其大小与系统的风阻相等。
系统的风阻为散热器的阻力及除散热器以外的所有空气通道阻力之和,如百叶窗、导风罩、冷却器罩等的阻力。
风扇流量即是单位时间流过散热器及风扇的冷却空气流量,流量越大,冷却空气从散热器上带走的热量越多,散热效果越好。
风扇效率为风扇静压功率与风扇轴功率的比值,反映了风扇的能量消耗与能量利用率。
然后还要将风扇与整个散热系统相匹配,如风扇转速与发动机或电机的转速匹配、风扇静压与系统风阻的匹配、风扇流量与发动机发热量的匹配、风扇最高效率点与散热系统的最高效率点的匹配等。
根据风扇风阻及效率的计算公式,从电机散热风扇风量的计算结果中,提取有效的数据赋予其中,通过计算可以得到风扇风阻及效率。
根据以上步骤得出的结果,再利用公式计算出风扇的设计效率是否满足要求,并可根据情况对其进行优化分析设计以满足要求。
3实例分析3.1待分析的风道介绍高0.27m的风箱,风箱内部有一个离心式风扇,风扇有9个叶片。
当风扇正常工作时,它将空气从前壁面吸进来,通过旋转的离心力将其甩出,空气通过风道排出,并对正常风道内的流场,风道出口4Xy轴在风扇径向平面内Z轴指向3.3材料参数本文实例分析中使用材料属性见表l。
表l材料属性材料名称密度(kg/m')粘性(kg/m-s)1.2251.7894e-53.4在正常工作状态下,风扇是主要的工作部件,出口的质量流率主要取决于风扇的功率,而风扇的工作效率主要取决于风箱内流场的形态。
在分析风扇的流场时,为了便于建立CFD模型,对流道的几何模型作了一些必要的处理。
2011年第2期第46卷(总第159期)(EXPLOSION-PROOF防喇艮-苎为b零件,风道外部的轴以及轴承等对分析影响不大的部分。
3.4.2计算域的分割在整个计算域中,叶片和叶片相连的部件是运动的,而风道壁面是不动的,因此在建立计算域几何模型的时候,将运动部分与固定不动的部分,分割成两个几何体,见图5、图6。
图5旋转部分几何图图6静止部分几何图3.5网格模型网格划分采用ANSA12.1.4版,划分网格时,基本单元尺寸设置为10mm,网格模型如图7所示;局部网格细化,如叶片、壁面等划分边界层如图8所示;表2是网格单元数目以及网格质量统计表,流体求解软件采用FLUENT6.3.26版。
20图8边界层网格表2网格组成有限元单元的体单元组成类型数目单元总数1931176网格单元形式第一层边界层层间递增层数占单元总数百分比(%)100四面体0.2mm1.23网格质量检查结果质量检查参数分布范围扭曲率<0.83.6边界载荷3.6.1旋转域的边界条件与载荷的施加在FLUENT中,求解器通过旋转坐标系来实现求解域的旋转。
旋转轴方向:
(0,0,-1);移动类型:
移动参考坐标;旋转速度:
l485转/分。
3.6.2旋转壁面的边界条件与载荷的施加在叶片以及与叶片相连部件的壁面施加的边界条件是相对于求解域的相对值。
壁面运动:
移动面;运动:
相对临近单元域、旋转;速度:
0;旋转轴方向:
(0,0,-1)3.6.3进口边界条件与载荷的施加进口压力:
OPa;方向:
垂直于壁面方向3.6.4出口边界条件与载荷的施加出口压力:
OPa;方向:
垂直于壁面方向3.7结果分析3.7.1叶片压力云图见图9图10沿叶片径向截面的压力云图第46卷(总第159期)的部分。
3.4.2计算域的分割在整个计算域中,叶片和叶片相连的部件是运动的,而风道壁面是不动的,因此在建立计算域几何模型的时候,将运动部分与固定不动的部分,分割成两个几何体,见图5、图6。
5旋转部分几何图6静止部分几何图3.5网格模型网格划分采用ANSA12.1.4版,划分网格时,基本单元尺寸设置为10mm,网格模型如图7所示;局部网格细化,如叶片、壁面等划分边界层如所示;表2是网格单元数目以及网格质量统计表,流体求解软件采用FLUENT6.3.26版。
边界层网格网格组成有限元单元的体单元组成层间递增层数四面体0.2mm1.2网格质量检查结果3.6边界载荷3.6.1旋转域的边界条件与载荷的施加中,求解器通过旋转坐标系来实现求解域的旋转。
旋转轴方向:
(0,0,-1);移动类型:
移动参考坐标;旋转速度:
l485转/分。
3.6.2旋转壁面的边界条件与载荷的施加在叶片以及与叶片相连部件的壁面施加的边界条件是相对于求解域的相对值。
壁面运动:
移动面;运动:
相对临近单元域、旋转;速度:
0;旋转轴方向:
(0,0,-1)3.6.3进口边界条件与载荷的施加进口压力:
OPa;方向:
垂直于壁面方向3.6.4出口边界条件与载荷的施加出口压力:
OPa;方向:
垂直于壁面方向3.7结果分析3.7.1叶片压力云图见图910沿叶片径向截面的压力云图防I讨艮_邕矛Ib(EXPLOSION-PROOF2011年第2期第46卷(总第159期)3.7.3沿叶片径向截面的速度矢量云图见图11图11径向截面的速度矢量云图由矢量云图看出:
在风箱的四个角上,存在涡流,这将损耗一部分能量,可以在这些地方做一定的改进,以提高风扇效率。
3.7.4进出口质量流率由计算得到整个进口平面上的质量流率为4.4647164kg/s;整个出口平面上的质量流率为4.4647818kg/s。
3.7.5叶片对中心轴的力矩所有叶片上所受压力相对于中心轴的力矩为22.640983N-m3.7.6风扇风阻系数£:
2SPV2式中,S-管壁上的粘性应力;P-密度;v-速度。
由上式计算得到风阻系数为£=0.0044。
3.7.7风扇效率口=等式中,△P-全压升;Q-体积流量;T-绝对温度;形一转速。
由上式计算得到风扇效率为:
口=0.27。
4结语风扇的效率直接影响到使用者的成本,制造风扇的厂商总是希望用更少的能量,而送出更多的风。
但实际中,总有一部分能量损失掉,这些损失掉的能量转化成热能使风扇的温度升高,从而改变风扇的性能、缩短使用寿命。
风扇在使用中,风和风扇外壳发生摩擦,使得风速减小,同时摩擦生热使得风扇的温度升高,机械能转化成热能损失掉;另外使用中,由于风道的设计不合理,风在风道内形成漩涡,漩涡将机械能转化成热能损失掉。
通过计算,本例风扇的效率值为0.27,这款风扇的效率比较低。
根据以上分析得出,要提高风扇的效率,第一可以提高风道表面的光滑度,使风在风道内受到的摩擦阻力减小;第二可以改善风道的结构,使风在风道内的流动更顺畅,不让它产生漩涡。
由计算结果可以明显看出,这款风扇的风道内,在四个角部的地方有漩涡产生,改进的时候,可以在这些地方改变风道的结构。
仔细分析该风路结构后发现,风扇效率低的原因为风扇风叶角度设计不合理,经改正后风扇效率明显提高到合格水平。
作者简介:
徐立超男1965年生;毕业于黑龙江科技学院电气工程及其自动化专业,现从事电力安装工作.收稿日期:
2010-11-07(上接10页)[4]Bhowmik.S,Spee.R,Enslin.J.H.R.Performanceop-timizationfordoublyfedwindpowergenerationsystems[J].IEEETrans.onIndustryApplications,1999,35(4):
949-958.[5]MullerS,DeickeM,DeDonckerRW.Doublyfedinductiongeneratorsystemsforwindturbines[J].IEEEIn-dustryApplicationsMagazine,2002,8(3):
26-33.[6]HopfenspergerB,AtkinsonDJ,LakinRA.Com-binedmagnetisingfluxonentedcontrolofthecascadeddou-bly-fedinductionmachine[J].lEEProceedings-ElectricPowerApplications,2001,148(3):
354-362.[7]赵仁德,贺益康,黄科元,等.变速恒频风力发电机用交流励磁电源的研究[J].电工技术学报,2004,19(6):
l-
6.[8]秦寿康.最优化理论和方法[M].北京:
电子工业出版社,1986.[9]席敏,宋永鹏,复合非光滑优化的一种非单调线搜索方法.洛阳大学学报,2003,18(4),14.作者简介:
饶翔男1970年生:
海军工程大学电气与信息工程学院电气工程系讲师,博士研究生,主要研究方向为电机运行理论与设计,收稿日期:
2010-11-1521防I讨_邕矛Ib2011年第2期总第159期)11径向截面的速度矢量云图由矢量云图看出:
在风箱的四个角上,存在涡流,这将损耗一部分能量,可以在这些地方做一定的改进,以提高风扇效率。
由计算得到整个进口平面上的质量流率为4.4647164kg/s;整个出口平面上的质量流率为4.4647818kg/s。
22.640983N-m3.7.6风扇风阻系数£:
2SPV2式中,S-管壁上的粘性应力;P-密度;v-速度。
£=0.0044。
3.7.7风扇效率=等式中,△P-全压升;Q-体积流量;T-绝对温度;4结语风扇的效率直接影响到使用者的成本,制造风扇的厂商总是希望用更少的能量,而送出更多的风。
但实际中,总有一部分能量损失掉,这些损失掉的能量转化成热能使风扇的温度升高,从而改变风扇的性能、缩短使用寿命。
风扇在使用中,风和风扇外壳发生摩擦,使得风速减小,同时摩擦生热使得风扇的温度升高,机械能转化成热能损失掉;另外使用中,由于风道的设计不合理,风在风道内形成漩涡,漩涡将机械能转化成热能损失掉。
通过计算,本例风扇的效率值为0.27,这款风扇的效率比较低。
根据以上分析得出,要提高风扇的效率,第一可以提高风道表面的光滑度,使风在风道内受到的摩擦阻力减小;第二可以改善风道的结构,使风在风道内的流动更顺畅,不让它产生漩涡。
由计算结果可以明显看出,这款风扇的风道内,在四个角部的地方有漩涡产生,改进的时候,可以在这些地方改变风道的结构。
仔细分析该风路结构后发现,风扇效率低的原因为风扇风叶角度设计不合理,经改正后风扇效率明显提高到合格水平。
(上接10页)[4]Bhowmik.S,Spee.R,Performanceop-timizationfordoublyfedwindpowergenerationsystems[J].Trans.onIndustryApplications,1999,35(4):
949-958.[5]MullerS,DeickeM,DeDonckerRW.Doublyfedinductiongeneratorsystemsforwindturbines[J].IEEEIn-dustryApplicationsMagazine,2002,8(3):
26-33.[6]HopfenspergerB,AtkinsonDJ,LakinRA.Com-bined
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