風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且是擴(kuò)壓流動(dòng)，很易引起嚴(yán)重的分離流，同時(shí)又有動(dòng)、靜部件，不僅是不定常流，而且動(dòng)、靜部件間的間隙又產(chǎn)生二次流，所以風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)是復(fù)雜的不定常三維流動(dòng)，數(shù)值模擬十分困難。限于目前計(jì)算條件，工程上對(duì)風(fēng)機(jī)流場的數(shù)值模擬均按準(zhǔn)定常計(jì)算，且多采用相對(duì)簡單、但很流行的湍流模型計(jì)算，但模型只適合于小分離流，也不能正確定量流動(dòng)細(xì)節(jié)，但根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和我們的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于氣動(dòng)力設(shè)計(jì)良好的風(fēng)機(jī)，在設(shè)計(jì)工況附近，用湍流模型和準(zhǔn)定常處理，對(duì)于風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能的數(shù)值預(yù)估是完全可以做到和實(shí)測結(jié)果吻合很好。另一方面，由于有了很多的關(guān)于風(fēng)機(jī)三維粘性流動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)過去按一維、二維理想流的工程設(shè)計(jì)中的一些重要的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（也可稱為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則），其中許多需要修改。以離心風(fēng)機(jī)而論，例如按Eck理論，最佳氣流進(jìn)口角為35.4°，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮有攻角，所以一般設(shè)計(jì)葉片幾何進(jìn)口角為37°～38°，實(shí)際上，按數(shù)值優(yōu)化結(jié)果，可以小到27°；又如按工程方法，如全壓不夠，可增大葉片幾何出口角來補(bǔ)救，但數(shù)值優(yōu)化結(jié)果是葉片幾何出口角到一定數(shù)值（如81°）后再增大，全壓反而會(huì)下降；又如Eck認(rèn)為進(jìn)口加速系數(shù)應(yīng)大于1，這樣葉輪進(jìn)口是加速流動(dòng)，可減少進(jìn)口分離，后來我們認(rèn)為減少葉輪進(jìn)口流動(dòng)速度能改善葉輪流動(dòng)，所以按經(jīng)驗(yàn)，建議可取0.7~0.8，實(shí)際上按數(shù)值優(yōu)化可小到0.6；其它還有一些準(zhǔn)則也應(yīng)該改變，這里不能一一而論。這些參數(shù)的變化，對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)力圖改變很大，對(duì)氣動(dòng)性能影響也很大，所以原有的工程方法需要改進(jìn)。當(dāng)然改進(jìn)內(nèi)容還應(yīng)包括葉片流道的流型選取和提出新的結(jié)構(gòu)等。如我們利用航空上吹氣邊界層控制原理，提出長短葉片開縫結(jié)構(gòu)，縫隙大于10mm，可確?？p隙不會(huì)堵塞，這種結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展風(fēng)機(jī)工作的高效區(qū)，大大改善非設(shè)計(jì)工況性能。所有這些在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中稱為改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法。所以現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法內(nèi)容是：首先根據(jù)改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法給出綜合性能較好的風(fēng)機(jī)通道型線；然后數(shù)值模擬風(fēng)機(jī)整機(jī)（包括進(jìn)風(fēng)口－葉輪－蝸殼，且考慮間隙）三維粘性流動(dòng)，來分析比較其內(nèi)部流場，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，好中選優(yōu)，優(yōu)化目標(biāo)是在滿足風(fēng)量和風(fēng)壓的前提下，效率越高越好；最后通過樣機(jī)研制和現(xiàn)場性能試驗(yàn)來檢驗(yàn)和修正設(shè)計(jì)方法并得到高性能產(chǎn)品。這里改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法是數(shù)值優(yōu)化計(jì)算和高性能產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，數(shù)值模擬是關(guān)鍵，其難點(diǎn)是如何使它對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能預(yù)估能和實(shí)測結(jié)果吻合?，F(xiàn)場性能試驗(yàn)用來修正設(shè)計(jì)和改進(jìn)數(shù)值模擬方法。經(jīng)過這樣多次循環(huán)，最后獲得高性能的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品。由于數(shù)值模擬是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵和難點(diǎn)，下面再專題敘述。應(yīng)該指出，這種方法目前只能優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)估風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能，不能預(yù)估噪聲，這是由于離心風(fēng)機(jī)還無法預(yù)估噪聲，而本方法中的改進(jìn)工程設(shè)計(jì)已考慮到低噪聲風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求，這樣，一般而言，高效率就意味著低噪聲。

數(shù)值模擬和軟件

數(shù)值模擬離不開軟件，商用軟件方便、可靠，通用性強(qiáng)，信任度高，現(xiàn)在計(jì)算流體力學(xué)的公認(rèn)、通用的商用軟件有FLUENT，STAR CD和PHEONIX等，目前最流行的是FLUENT，其最新版為FLUENT6.1，其前、后處理很好，且和其它軟件連接也方便。但有了軟件和會(huì)數(shù)值計(jì)算的人，不等于就可順利進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能預(yù)估數(shù)值模擬，更不是一勞永逸，因?yàn)橛幸韵吕щy：

1、對(duì)整機(jī)流場數(shù)值模擬的前處理－幾何建模和網(wǎng)格生成不太容易，建模要考慮模擬實(shí)際的實(shí)驗(yàn)裝置和邊界條件處理，所以整機(jī)前、后還需附加管道或風(fēng)室，建模不當(dāng)則全功盡棄。網(wǎng)格生成則受目前計(jì)算條件限制，網(wǎng)格點(diǎn)一般小于100萬個(gè)，這么多網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)于整機(jī)模擬只能用局部加密網(wǎng)格，在物面附近和葉片前后及間隙中加密，如何加密和生成網(wǎng)格需要有風(fēng)機(jī)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)和技巧，否則會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；

2、正如前述，成功的風(fēng)機(jī)流場數(shù)值模擬的前提是需要有一個(gè)好的氣動(dòng)力設(shè)計(jì)，確保風(fēng)機(jī)所有流道中只發(fā)生小的分離。在優(yōu)化計(jì)算時(shí)，還需要不斷地分析流場、改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)和改進(jìn)工程設(shè)計(jì)，所以要求計(jì)算人員不僅熟悉復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算，還要有豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這樣的條件并不容易滿足；

3、數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合也是不容易的，因?yàn)閿?shù)值模擬結(jié)果對(duì)建模、網(wǎng)格、邊界條件處理、湍流模式選取和數(shù)據(jù)處理等均很敏感。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，即使有了合適的商用或?qū)Ｓ密浖?，按目前的?jì)算條件在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況附近，數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)機(jī)的總體性能參數(shù)，如風(fēng)量、全壓、靜壓和效率可以和性能試驗(yàn)結(jié)果吻合很好，但需要有多次工程設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和樣機(jī)試驗(yàn)的循環(huán)才能做到，這需要時(shí)間和錢財(cái)。