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1、 本科毕业论环境条件下旋转圆板散热Fluent模拟专 业 姓 名 指导教师 评 阅 人 2013年5月中国 常州BACHELORS DEGREE THESISOF HOHAI UNIVERSITYThe Thermal Simulation Of Rotating Circular Plate With FluentOn Environmental ConditionsCollege ：Mechanical and Electrical EngineeringSubject ：Thermal and Power EngineeringName ： Directed by ：CHANGZHOU
2、CHINA郑 重 声 明本人呈交的毕业设计(论文)，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本设计（论文）所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本设计（论文）的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘要本文主要介绍了用计算流体力学理论研究旋转板散热特性的方法，根据传热学的理论，针对旋转板建立了三维温度场的数值模拟模型，给出了模拟域内的边界条件，并运用流体动力学软件FLUENT对旋转板散热问题的三维流场进行了数值模拟，考察了在旋转板
3、表面温度为70、无内热源和空气温度为30的情况下，转速分别为1500r/min和2000r/min时周围空气场的温度分布，通过不同转速之间的相互对比分析，得出了旋转板散热情况随转速改变的趋势，以及转速对散热效果的影响。具体步骤分为五个部分：第一部分选取离心泵案例来熟悉一下使网格旋转的方法，为接下来的计算做准备；第二部分建立旋转板的几何模型、传热模型以及用GAMBIT软件建立旋转板温度模拟的计算模型和对模型进行网格的划分，并定义好各边界；第三部分运用FLUENT软件对已划分好网格的GAMBIT模型进行分析计算得出迭代残差；第四部分分析计算结果，观察局部、全局的温度和压力云图，通过对两种转速下的温
4、度、压力云图的对比以及两种转速下流量和总的传热功率的关系的对比得出转速对旋转板散热效果的影响趋势1820；第五部分对模拟好的结果进行总结和展望。关键字：旋转板、散热、三维流场、动网格、模拟仿真ABSTRACTThis paper introduces the method that it used computational fluid dynamics theory to study heat dissipation properties of rotating plate. According to the theory of heat transfer , it set up a 3D
5、temperature field about rotating plate for numerical simulation model, gave boundary conditions in the analog domain, and used the fluid dynamics software FLUENT to simulate the problem of rotating plate heat transfer . When the surface temperature is 70 , it had no the internal heat source , and th
6、e air temperature was 30 ,it examined the temperature distribution of air field at the speed of 1500r/min and 2000r/min. Through the comparative analysis between different rotational speeds, it concluded the relationship between ratational speeds and heat transfer . The specific steps are divided in
7、to four parts: Firstly , in order to prepare for the next calculation , it selected the pump case to familiarize with the rotation of the mesh method Secondly , it used GAMBIT to set up and mesh the simulation model , and define the boundaries. Thirdly , it used FLUENT to calculate the meshed model.
8、fourthly, through observation of temperature and pressure contours and comparasion of different temperature and pressure contours at two speeds , it drew a conclusion about the relationship between rotational speed and heat transfer .Lastly , it descriped the summary and prospects.Keywords：rotating
9、plate；heat dissipation；three-dimensional flow field；dynamic mesh；simulation目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 本课题研究的背景11.2 我国电动机发展现状21.2 本课题研究的目的41.3 本课题研究的主要工作4第二章 计算流体力学及FLUENT简介52.1 计算流体动力学简介52.1.1 计算流体动力学概述52.1.2 计算流体动力学的工作步骤52.1.3 计算流体动力学特点62.1.4 计算流体动力学的应用领域72.1.5 CFD的求解过程82.2 FLUENT软件简介82.2.1 Fluent软件
10、的网格特性82.2.2 Fluent软件定义边界条件特性92.2.3 Fluent软件的灵活处理特性92.2.4 Fluent的程序结构92.2.5 Fluent程序可以求解的问题102.2.6 用Fluent程序求解问题的步骤11第三章 案例分析113.1 介绍113.2 问题描述113.3 利用gambit建立计算模型123.4 利用fluent软件对建好的模型进行数值模拟并绘制速度云图133.5 结果分析13第四章 模型建立及计算144.1 问题描述144.2 模型建立步骤144.2.1 建立几何模型144.2.2 建立传热模型154.2.3 利用GAMBIT建立计算模型164.2.4
11、利用GAMBIT对计算区域划分网格194.2.5 利用GAMBIT设置边界类型234.2.6 输出网格并保存会话264.3 利用FLUENT 3D求解器进行求解27第五章 计算结果后处理及结果分析395.1 旋转板温度、压力特性分析395.2 旋转板周围空气场的空气流量与总的传热功率的分析41第六章 结论和展望426.1 结论426.2 展望43参考文献44致谢4650第一章 绪论1.1 本课题研究的背景电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。常见的电动机可分为交流电动机和直流电动机。电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一
12、个旋转电枢或转子。在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。这些机器中有些类型可作电动机用，也可作发电机用。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到千瓦级。机床、水泵、皮带机、风机
13、等需要电动机带动；电力机车、电梯，需要电动机牵引。家庭生活中的电扇、冰箱、洗衣机，甚至各种电动机玩具都离不开电动机。电动机已经应用在现代社会生活中的各个方面。电动机是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性好精确度快速响应的特点，已成为电动机学科的一个
14、独立分支。在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单调节性能好耗损小经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业
15、生产过程的进步，对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点，但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制（如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用），期电力等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。所以，在20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流技
16、术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速，各种类型的变频调速，无换向器电动机调速等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。除此之外，由于交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，将广泛应用于各个工业电气自动化领域中，并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流1。.随着电动机在各个行业的普及，对电动机的技术要求也相应的提高，其中就包括对电动机转子的散热的技术要求21。1.2 我国电动
17、机发展现状我国的电动机生产从1917年至今已有95年的历史，该行业在国内已经形成比较完整的产业体系。近年来，我国电动机制造行业随着电力发展呈现出勃勃生机，产销规模和经济效益都有了大幅度提高。据2013-2017年中国电动机制造行业供需状况与投资前景分析报告数据显示，2005-2011年，我国电动机制造行业销售收入年均增长36.92%。除了2009年受金融危机影响，制造业普遍下滑，电动机的同比增速下降到11.20%之外，其他年份，我国电动机的市场规模增长率均处于较高水平，同比均在20%以上，即使在2011年我国制造业发展速度普遍放缓的情况下，电动机的同比增长仍达到21.87%。前瞻网认为，电机制
18、造企业应建立自主品牌，发力高端，拓展海外市场，保障产品质量和售后服务，向航空、航海、军工、核电以及特种电机等新领域发展，才能在严峻的市场竞争中立于不败之地。在全社会电能消耗中，有70%左右耗费在工业领域，而工业电机的耗电量又占据整个工业领域用电的70%。提高电机效率可以主要通过2种方式，通过一个频率转换器，提高运作效率的交流电机；二是使用高效电机。不同的频率转换器是主要的工业领域的节能，节能效率一般在30%以上，在某些行业甚至高达40%-50%。高效电机的市场应用比例仍然相对较低，但最低能源效率标准和补贴政策的支持，未来高效电机的市场应用比例将大幅上升。2012年1-12月，我国累计出口电动机
19、及发电机30.96亿台，与2011年同期相比减少了8.2%，累计出口金额达92.24亿美元，同比增长5.0%。12月当月，我国电动机及发电机出口量为2.748亿台，出口金额为8.18亿美元。在投资上，应该在政策利好出台前提前布局。目前高效电机市场应用比例仍较低，但在最低能效标准及补贴政策支持下，未来高效电机的市场应用比例将大幅上升。电机系统包括控制装置、电动机、被拖动装置、传动装置以及管网负荷等，是一个涉及多学科、多专业、多领域的复杂系统。近年来，战略性新兴产业、合同能源管理政策、市场化节能环保服务体系建设、资源综合利用和再制造及节能产品惠民工程高效电机推广为电机行业发展带来重大机遇，与之相关
20、的电机生产制造商和电机配套企业也迎来了产品更新换代的市场增长潜力。特别是为适应低碳经济时代的节能技术创新趋势，高效电机已逐渐成为未来市场的主流。我国电机年用电量目前超过2万亿千瓦时，约占全国用电量的60%和工业用电量的80%。高效电机能耗比普通电机低20%30%，但我国高效电机现在市场占有率只有10%，因此大力推广高效电机会对国家推进节能减排具有一定意义，其潜在的市场商机也初现端倪。目前，我国电机产品虽然种类繁多，但效率普遍不高，严重存在大马拉小车的现象，高效电机的推广与应用已经刻不容缓。我国十二五期间将集中力量围绕电机系统节能工程、装备制造调整和振兴、新能源领域技术的大力推进，优化发展一批高
21、效节能环保重点产品，淘汰一批普通效率的电机产品，促进产品更新换代。在工信部公布的高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第二批）中，电机设备位列其中，预示我国电机行业即将面临市场和科技的全新发展。为有效淘汰低效电机、加快高效电机的推广，国家标准化管理委员会发布的新版中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级国家标准于2012年9月实施，中小型电机行业面临较大的影响。目前我国大批量生产的Y、Y2、Y3系列三相异步电动机将被禁止生产，享受国家惠民工程的YX3系列高效率三相异步电动机将有可能不再得到政策补贴。高效电机的研发与推广犹如在弦之箭，行业内关注度空前。1.2 本课题研究的目的电动机转子的散热情况关
22、系到转子的寿命长短和电动机的运行安全与否，所以对电动机转子散热情况的研究是必不可少的。电动机的热源很复杂，包括定子绕组，转子绕组，定子铁心等几个主要部分。本课题研究的主要目的是得到转子转速与散热的关系，以及转速对散热效果的影响，从而对电动机的设计、优化及生产提供相关的技术支持21。1.3 本课题研究的主要工作本文将借助商业CFD软件FLUENT，完成对旋转板的三维流场数值模拟，并绘制处模拟的温度云图，并对其模拟结果进行分析研究，为今后设计和优化电动机转子提供新的研究手段及理论依据。本文主要工作如下：（1）介绍计算流体动力学；（2）对离心泵的案例进行分析；（2）将电动机转子简化成旋转板模型；（3
23、）运用Gambit软件创建旋转板的计算模型；（4）运用Gambit对模型进行空间网格划分；（5）利用FLUENT进行仿真计算；（6）对仿真结果进行分析。第二章 计算流体力学及FLUENT简介2.1 计算流体动力学简介2.1.1 计算流体动力学概述计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是通过计算机数值计算和图象显示，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。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的物理量的场，如加速场和压力场，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这些离散点上场变量之
24、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6。2.1.2 计算流体动力学的工作步骤采用CFD的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤：(1)建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反映问题各个量之间的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。(2)寻求高效率，高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数字离散化方法，如有限差分法，有限元法，有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分方程的额离散化方法几求解方法，还包
25、括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些内容，可以说是CFD的核心。(3)编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入，控制参数的设定等。这是整个工作中花时间最多的部分。由于求解的问题比较复杂，比如Navier-Stokes方程就是一个十分复杂的非线性方程，数值求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加以验证。(4)显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分析质量和结果有重要参考意义。以上这些步骤构成了CFD数值模拟的全过程。2.1.3 计算流体动力学特点研究流体流动的完整体系包括传统的理论分析方法、试验测量方法和CFD方法。理论分析方法
26、的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法所得的结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过实验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。而CFD方法恰好克服了前面两方面的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验2。这样不仅省时省钱，有较多的灵活性，而且能给
27、出详细完整的资料，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。此外，CFD作为一门比较新的学科，还有其他一些鲜明的特点：第一，CFD的发展及应用与计算机的发展直接相关。CFD发展的一个基本条件是高速、大容量的电子计算机。随着对CFD研究的深入，我们将对这一点有越来越清晰的认识。今天，计算机技术的迅速发展，已经使得采用CFD方法研究一些工程实际问题成为可能。最近10年来，商业CFD软件不断涌现，极大地促进了CFD在工业领域的应用。但是，由于计算机速度和容量的限制，还有很多问题在目前和近期还无法完全用CFD方法解决。所以，计算机技术的发展，已经为CFD的广泛
28、应用提供了一定可能，而CFD的发展还不断为计算机技术的进一步发展提出新的要求。第二，CFD与应用数学有密切的联系。在计算的离散化过程中，CFD产生了一系列的数学问题。离散的代数方程逼近原来的积分微分方程的程度如何? 数值解逼近积分微分方程的精确解程度如何？这就是CFD方法的精度和误差估计问题。当离散点的数量趋于无穷大，间距趋于无穷小时，数值解是否趋于精确解？这就是数值方法的收敛性问题。在计算机上，数值计算以有限的字长进行计算的，因此计算机得到的数值解不是精确的数值解。由于机器字长有限产生的误差对计算结果影响如何，会不会无限增长以至于得不到有意义的解？这就是数值计算的稳定性问题。这些问题及未列出
29、的其他问题都是应用数学研究的重要内容，也是CFD研究的中心内容。第三，CFD研究呈现出明显的学科交叉性。CFD的生命力在于广泛应用于工程领域，解决其中涉及的与流体运动相关的问题。为了解决这些问题，CFD研究必须和这些领域的研究交叉和融合3。2.1.4 计算流体动力学的应用领域进十多年来，CFD有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解法；过去的一些经典教学实验，如REYNOLDS实验，现在可以完全借助CFD手段在计算机上实现。所有涉及流体流动，热交换，分子运输等现象的问题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。CFD不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程，
30、土木工程，环境工程，食品工程，海洋结构工程，工业制造等领域发挥作用。典型的应用场合及相关的工程问题包括：（1）水轮机，风机和泵等流体机械内部的流体流动；（2）飞机和航天飞机等飞行器的设计；（3）汽车线性外型对性能的影响；（4）洪水波及河口潮流的计算；（5）风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能影响；（6）温室及室内的空气流动及环境分析；（7）电子元器件的冷却；（8）换热器性能分析及换热器片形状的选取；（9）河流中污染物的扩散；（10）汽车尾气对街道环境的影响；（11）食品中细菌的运移。对于这些问题的处理，过去只要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实验，而现在大多采用CFD的方法加以分析和解决，C
31、FD技术现已发展到完全可以分析三维粘性湍流及旋涡运动等复杂问题的程度4。2.1.5 CFD的求解过程无论是流动问题、传热问题，还是污染物的运移问题，无论是稳态问题，还是瞬间问题，其求解过程都可用图2.1.1表示。如果所求解问题是瞬态问题，则可将上图的过程理解为一个时间步的计算过程，循环这一过程求解下个时间步的解。图2.1.1 CFD工作流程图62.2 FLUENT软件简介2.2.1 Fluent软件的网格特性Fluent提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构，包括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流体流动，甚至可以用混合型非结构网格。它允许用户根据解的具体
32、情况对网格进行修改（简化/粗化）。Fluent使用Gambit作为前处理软件，它可读入多种CAD软件的三维几何模型和多种CAE软件的网格模型。Fluent可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，它可完成多种参考系下的流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟等。它的湍流模型包括k-模型、Reynolds应力模型、LES模型双层近壁模型等14。2.2.2 Fluent软件定义边界条件特性Fluent可让用户定义多种边界条件，如流动入口和出口边界条件避免边界条件等，可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量流入，所有边界条件均可随时间和空间变化，包括轴对称和周期变化等。2
33、.2.3 Fluent软件的灵活处理特性Fluent使用C语言写的，可实现动态内存分配及高校数据结构，具有极大的灵活性和很强的处理能力。它还提供了用户自定义子程序功能，可让用户自行定义连续方程、动量方程、能量方程，自定义边界条件初始条件、流体的物性等，这给特殊问题的处理带来了极大的方便2。2.2.4 Fluent的程序结构Fluent程序软件包括以下几个部分组成：（1）Gambit用于建立几何结构和网格的生成。（2）Fluent用于进行流动模拟的求解器。（3）prePDF用于模拟PDF燃烧过程。（4）TGrid用于从现有的边界网格生成体网格。（5）Filter将其他程序生成的网格，用于Flue
34、nt计算。利用Fluent软件进行流体与传热的模拟计算流程如图2-1所示。首先利用Gambit进行流体区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于Fluent求解器计算的格式；然后利用Fluent求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。图2.2.1 基本程序机构示意图72.2.5 Fluent程序可以求解的问题Fluent软件可以计算二维和三维流动计算问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。Fluent软件应用非常广泛，主要范围如下：（1）可压缩与不可压缩问题；（2）稳态和瞬态流动问题；（3）无黏流，层流及湍流问题；（4）牛顿流体及非牛顿流体；（5）对流换热问题；（6）
35、导热与对流换热耦合问题；（7）辐射换热问题；（8）惯性坐标系和非惯性坐标系下流动问题模拟；（9）用Lagrangian轨道模型模拟稀流相（颗粒，水滴，气泡等）；（10）一维风扇、热交换器性能计算；（11）两相流问题；（12）复杂表面形状下的自由面流动问题6。2.2.6 用Fluent程序求解问题的步骤利用FLUENT软件求解问题的具体步骤如下：（1）确定几何形状，生成计算网格（用GAMBIT）。（2）输入并检查网格。（3）选择3D求解器。（4）选择求解的方程。（5）确定流体的材料性质。（6）确定边界类型及边界条件。（7）条件计算控制参数。（8）流场初始化。（9）求解计算。（10）保存结果进行后
36、处理等5。第三章 案例分析3.1 介绍许多工程问题涉及流动区域的旋转，其中离心式水泵就是一个很典型的例子。对于所有运动部位都以特定的角速度旋转，并且稳态壁面是关于旋转轴的回转面，这样整个计算区域可以被认为是单一旋转的参照系。但是当每一个部分都围绕不同的轴旋转时，或者以不同的速度围绕同一个轴旋转，再或者为太避免不是回转面，单个旋转坐标系不能足以固定计算区域，以至于无法预测稳态流场。在FLUENT中，可以使用多个参考系（MRF）方法来分析多旋转机件的流动特征。这种模型优势在于更适合计算单个区域包含多个旋转参考系的情况。但是，在大多数情况下，我们可以选择流场独立于运动机件取向的位置，将其作为交界面。
37、换言之，如果交界面与转角无关，那么模型就可以用来计算时间平均流场。所以，MRF方法在模拟多个旋转机件时非常有效。本案例以离心式水泵二维截面为例，只包含一个旋转参考系15。3.2 问题描述考虑常用的离心式水泵，如图3.2.1所示。该水泵包含了6个叶片，叶片前缘离中心位置大约110mm，叶片根部离中心位置大约60mm，水泵出口直径136mm，进口处流速为2.2m/s。流动假设为湍流。图3.2.1 离心式水泵这里将泵内流体分为两个部分，即随叶轮一起转动的部分和蜗壳内的非转动部分，就对应两个计算区域。这里采用如下计算特征：（1）使用2D分离式求解器，流动按稳态问题处理；（2）不考虑热交换，即屏蔽能量方
38、程；（3）使用标准k-epsilon模型；（4）速度压力耦合方式采用SIMPLEC算法，使用默认的欠松弛因子；（5）使用速度进口、壁面、出流及两个流体区域的边界条件；（6）使用多重参考系（MRF）求解包含转动区域的问题；（7）各控制方程的离散格式均采用二阶迎风格式；（8）启动所有求解变量的残差监视功能，收敛判据均为0.001；（9）用进口边界上的速度值初始化流场的解；（10）迭代计算限定在400次；（11）后处理环节显示速度云图。3.3 利用gambit建立计算模型利用CAD绘制水泵的几何图形，保存成ACIS文件，然后将此文件导入到gambit中，利用gambit功能绘制网格，并对壁面和流体进
39、行边界设置。其中入口边界inlet，出口边界outlet，叶片,wall-1，叶轮外圆与蜗壳流体交界面为wall-2，蜗壳边界为wall-3；叶片内部流体为fluid-1，叶片外部蜗壳内部流体为fluid-2。图3.3.1 离心式水泵网格3.4 利用fluent软件对建好的模型进行数值模拟并绘制速度云图将建好的网格模型导入fluent软件进行模拟计算，进行迭代后对计算结果进行后处理，绘制出速度云图，如图3.3.2所示。图3.3.2 离心式水泵的速度云图3.5 结果分析该计算结果并不是很理想，由速度云图可以知道流体的阻力较大，流体并不能很好的通过出口，可能原因是网格建立的不够合理或设计参数不合理
40、，可通过重新划分网格，或改变蜗壳的设计参数（如：出口高度、蜗壳内壁表面粗糙度等），抑或改变叶片设计参数（如：叶片个数、叶片尺寸等）来使这种情况得以改善15。第四章 模型建立及计算4.1 问题描述本课题研究的是工业电动机的转子的散热性能与转速的关系，考虑到电动机转子旋转散热的复杂性，故采用简化模型旋转板模型，其中旋转板材料为铝，两种不同的转速分别为1500r/min和2000r/min，铝板的表面粗糙度设为0.5，周围空气为理想气体，使用3D分离式求解器，流动按稳态问题处理，流动为湍流，考虑换热，采用标准k-epsilon模型，速度压力耦合方式采用SIMPLEC算法，各控制方程的离散格式均采用二
41、阶迎风格式，启动所有求解变量的残差监视功能，收敛判据均为0.001，迭代计算限定在15000次，后处理环节显示温度、压力云图和各边界上的流量、总传热率的数据。4.2 模型建立步骤4.2.1 建立几何模型如图4.1.1.1和图4.1.1.2建立几何模型，大圆柱体为无限大空间，小圆柱体为旋转铝板，其中旋转铝板直径为500mm，旋转铝板厚度为10mm，无限大空间直径为5000mm，无限大空间高度为2000mm图4.2.1.1 模型主视图8图4.2.1.2 模型左视图84.2.2 建立传热模型（1）旋转板顶端绝热即，故旋转板厚度可忽略；（2）无内热源；（3）空气温度30、旋转板表面温度70；（4）常物
42、性、稳态913；4.2.3 利用GAMBIT建立计算模型步骤1：创建工作目录操作：在计算机任一盘符内建立一个新文件夹以英文命名，作为Gambit的工作目录。步骤2：启动Gambit操作：双击桌面图标，打开Gambit Startup窗口。在打开的窗口中点击Browse，打开选择工作目录窗口并选中步骤1中建立的文件夹,单击OK，然后在Session Id输入文件名tem，点击Run按钮，启动Gambit工作窗口如图4.2.3.1所示。在Solver下选择求解器为FLUENT 5/6。图4.2.3.1 Gambit工作窗口步骤3：创建大圆柱体操作：OperationGeometryVolume，弹
43、出“Greate Real Cylinder”对话框如图4.2.3.2所示。在“Height”栏输入200，在“Radius 1”栏输入250，在“Radius 2”栏输入250，“Axis Location”栏选择“Positive Z”（即圆柱中心轴沿Z轴正方向），其他保持默认，点击“Apply”，即创建出大圆柱体，如图4.2.3.3所示。图4.2.3.2 圆柱体设置对话框 图4.2.3.3 大圆柱体图形步骤4：创建小圆柱体操作：OperationGeometryVolume，弹出“Greate Real Cylinder”对话框如图4.2.3.2所示。在“Height”栏输入5，在“Ra
44、dius 1”栏输入25，“Axis Location”栏选择“Positive Z”（即圆柱中心轴沿Z轴正方向），其他保持默认，点击“Apply”，即创建出小圆柱体，如图4.2.3.4所示。图4.2.3.4 创建小圆柱后的图形 图4.2.3.5 移动小圆柱后的图形步骤5：移动步骤4中创建的小圆柱体操作：OperationGeometryVolume，弹出“Move/Copy Volumes”对话框，在“Volumes”栏选取小圆柱，选中Move，在“Operation”选项中选择“Translate”，在“在z”坐标栏输入247.5，其他保持默认，点击“Apply”即完成对小圆柱体的移动，如
45、图4.2.3.5所示。步骤6:创建中间的圆柱体操作：OperationGeometryVolume，弹出“Greate Real Cylinder”对话框如图4.2.3.6所示。在“Height”栏输入200，在“Radius 1”栏输入100，“Axis Location”栏选择“Positive Z”（即圆柱中心轴沿Z轴正方向），其他保持默认，点击“Apply”，即创建出中间圆柱体，如图4.2.3.6所示。 图4.2.3.6 创建小圆柱后的图形 图4.2.3.7 圆柱体相减对话框步骤7：从中间圆柱体中减去小圆柱体操作：OperationGeometryVolume，弹出“Subtract
46、Real Volumes”对话框如图4.2.3.7所示。点击“Volume”栏右侧黄色区域，使其激活，按住Shift键+鼠标左键选取中间圆柱体，不选Retain；点击“Subtract Volume”栏右侧黄色区域，使其激活。按住Shift键+鼠标左键选取小圆柱体，不选Retain；最后点击“Apply”即完成实体的相减。步骤8：观看及检查旋转板计算模型通过上面的步骤，旋转板计算模型已经完成，通过选取使各部分实体显示出红色以检查其是否正确。最终实体图如图4.2.3.8（正视）、图4.2.3.9（前视）及图4.2.3.10（三维）所示1011。图4.2.3.8旋转板计算模型正视图 图4.2.3.9旋转板计算模型前视图 图4.2.3.10旋转板计算模型三维视图4.2.4 利用GAMBIT对计算区域划分网格