洪洋，林龍

（ 臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺州 318020 ）

0 引言

角向磨光機俗稱“角磨機”，是常見的電動工具產(chǎn)品之一，用于切割或研磨金屬與石材。角磨機體積小，轉(zhuǎn)速高（一般在32000r/min以上），作業(yè)時發(fā)熱量較大，如何在狹小的機體空間中有效提升散熱功率是技術(shù)難題。受其內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間與測量方法等限制，傳統(tǒng)的分析與實驗方法在分析角磨機內(nèi)部流場時具有較大的難度，而計算流體力學(xué)（CFD）的飛速發(fā)展則為該難題提供了新的解決方案。

1 概述

計算流體力學(xué)（CFD）是流體力學(xué)的分支，由于具有成本低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點已經(jīng)在航天設(shè)計、汽車設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)等諸多工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。在電動工具領(lǐng)域，CFD技術(shù)也有了成功應(yīng)用的案例，楊闖、林淑芳等在設(shè)計園林吹風(fēng)機時成功應(yīng)用CFD技術(shù)[3]，劉正偉則使用CFD技術(shù)優(yōu)化角磨機風(fēng)扇設(shè)計提升送風(fēng)效率[1]，王典則對比了各流體力學(xué)分析軟件在電動工具領(lǐng)域的應(yīng)用特點[4]。

本文基于Fluent軟件對某型號角磨機內(nèi)部流場進行CFD分析，根據(jù)分析結(jié)果對軸承壓蓋與出風(fēng)口進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進行對比分析。

2 數(shù)學(xué)模型

在正常工況下，角磨機內(nèi)部為三維定常湍流流動，故選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進行計算。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是一個半經(jīng)驗公式，基于湍流動能和擴散率，因而只對完整的湍流流場有效，方程如式（1）和式（2）所示[5]。

式中，Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能，Yk為在可壓縮湍流中過渡的擴散產(chǎn)生的波動，C1ε、C2ε、C3ε為常量，σk和σε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)，Sk和Sε為用戶定義。

3 三維模型與邊界條件

3.1 三維模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求與空間邊界，利用Pro/Engineer三維設(shè)計軟件完成角磨機的三維模型設(shè)計，如圖1所示。圖中可知，角磨機的進風(fēng)口位于機體后部，出風(fēng)口位于機體前部，整機結(jié)構(gòu)緊湊，定子、軸承等主要發(fā)熱元件均位于機殼內(nèi)部，散熱要求較高。

圖1 角磨機三維模型

根據(jù)三維模型與分析目標(biāo)，對角磨機的三維模型進行簡化與模型處理，抽取機殼內(nèi)表面與元件外殼形成流道模型，導(dǎo)入網(wǎng)格處理軟件ANSA進行模型處理與網(wǎng)格劃分。由于機殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件眾多，故采用三角非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（Triangle Mesh），在風(fēng)扇等關(guān)鍵位置進行加密處理，保證計算精度，網(wǎng)格模型如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)約為3200000。

圖2 網(wǎng)格模型

3.2 邊界條件

1）進風(fēng)口邊界

根據(jù)實際工況，設(shè)置角磨機進風(fēng)口為壓力進口，壓力值為0kPa，同時設(shè)置相應(yīng)的湍流強度與水力直徑。

2）出風(fēng)口邊界

設(shè)置為壓力出口，出口壓力為0kPa。

3）旋轉(zhuǎn)邊界

對風(fēng)扇葉片部分體網(wǎng)格采用旋轉(zhuǎn)流體域設(shè)定，將風(fēng)扇葉片面網(wǎng)格設(shè)置為旋轉(zhuǎn)邊界，轉(zhuǎn)速根據(jù)制造商提供，設(shè)定為32000r/min。

4 CFD計算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 CFD計算

角磨機內(nèi)部流場氣體流速較低，在同一工況下內(nèi)部流場成為穩(wěn)態(tài)，故使用基于壓力的定常求解器。同時，使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程湍流模型與SIMPLE算法進行壓力與速度耦合，采用二階迎風(fēng)格式獲得更高精度、更穩(wěn)定耦合結(jié)果[6]。完成相關(guān)設(shè)置后，使用流速進行全場初始化，并進行耦合計算。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用Fluent軟件自帶的后處理模塊進行相關(guān)后處理，經(jīng)對CFD計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)以下問題：

1）通過軸承壓蓋速度矢量圖（如圖3所示），發(fā)現(xiàn)軸承壓蓋周邊局部流速過大，原因在于軸承壓蓋設(shè)計面積過大，造成內(nèi)部流道截面較小，氣體僅能從壓蓋四周通過導(dǎo)致局部流速過大，影響送風(fēng)效率；

圖3 軸承壓蓋速度矢量圖

2）由整機總壓云圖（如圖4所示）可知，頭殼高壓區(qū)內(nèi)均無出風(fēng)口，出風(fēng)口均位于壓力較低處，較高壓力產(chǎn)生更快氣體流動，高壓區(qū)與出風(fēng)口的位置不一致可產(chǎn)生更高局部阻力，影響送風(fēng)效率。

圖4 整機總壓云圖

針對以上問題，對軸承壓蓋與出風(fēng)口進行優(yōu)化設(shè)計：

1）優(yōu)化軸承壓蓋，保留軸承壓蓋兩個通孔與相關(guān)功能區(qū)，去除部分區(qū)域（如圖5所示），增加流通面積，減少局部阻力；

2）優(yōu)化出風(fēng)口，根據(jù)圖4整機總壓云圖高壓區(qū)所示，在頭殼底部增設(shè)30mm×6mm出風(fēng)口，提升送風(fēng)效率。

圖5 軸承壓蓋優(yōu)化

5 計算結(jié)果及對比

5.1 進風(fēng)口流量與流動阻力

風(fēng)扇葉片在轉(zhuǎn)子的帶動下高速旋轉(zhuǎn)形成壓力差，推動氣體從進風(fēng)口到出風(fēng)口快速流動，而角磨機內(nèi)部存在流動阻力，阻礙氣體流動，在流動過程中氣體與發(fā)熱元件接觸，帶走發(fā)熱元件生產(chǎn)的熱量，因此流動阻力與單位時間內(nèi)的流量直接影響發(fā)熱元件的散熱效果，是評價角磨機流道優(yōu)劣的重要指標(biāo)。根據(jù)CFD計算結(jié)果，優(yōu)化前與優(yōu)化后的流量與流動阻力差異見表1。從表中可知，軸承壓蓋與出風(fēng)口的優(yōu)化增加了單位時間內(nèi)角磨機的流量，同時降低了整機流動阻力。

表1 流量與流動阻力

5.2 出風(fēng)口流速

圖6為出風(fēng)口流速云圖。圖中可知優(yōu)化前最大流速為17.2m/s，位于頭殼上部出風(fēng)口右側(cè)，優(yōu)化后最大流速為19.4m/s，位于頭殼底部的新增出風(fēng)口位置，最大流速提高12.8%，出風(fēng)口優(yōu)化顯著提升了出風(fēng)效率。

圖6 出風(fēng)口流速云圖

5.3 軸承壓蓋徑向截面流速

圖7為軸承壓蓋徑向截面流速云圖。軸承壓蓋不是發(fā)熱件，無需高流速帶走熱量，四周過小的流通面積易形成局部阻力，影響氣體流動。由圖7可知，優(yōu)化后的軸承壓蓋徑向截面最大流速較優(yōu)化前有顯著降低，優(yōu)化前最大流速為21.8m/s，優(yōu)化后為17.7m/s，最大流速降低18.8%，減少了局部降力，提升了氣體在軸承壓蓋四周的通過效率。

圖7 軸承壓蓋徑向截面流速云圖

5.4 發(fā)熱元件表面流速與整機流線

角磨機結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部發(fā)熱元件眾多，發(fā)熱元件的表面流速直接影響散熱效率，是內(nèi)部流場優(yōu)劣的重要指標(biāo)。利用Fluent軟件自帶的后處理模塊，可便捷得到各發(fā)熱元件表面的速度矢量圖。以定子為例，得到優(yōu)化前后的表面流速矢量圖，如圖8所示，圖中可知，優(yōu)化前定子表面最大流速為3.05m/s，優(yōu)化后為3.29m/s。圖9為各主要發(fā)熱元件在優(yōu)化前后的表面流速對比，可見經(jīng)優(yōu)化后，各主要發(fā)熱元件表面流速均有顯著提升。此外，觀察整機流線圖（如圖10所示），發(fā)現(xiàn)整機內(nèi)部流線分布均勻。

圖8 定子表面流速矢量圖

圖9 發(fā)熱元件表面流速對比

圖10 整機流線圖

6 結(jié)論

1）CFD技術(shù)可對角磨機內(nèi)部流場進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出有針對性的優(yōu)化建議；

2）軸承壓蓋與出風(fēng)口的優(yōu)化可以增加單位時間內(nèi)角磨機流量，同時降低整機流動阻力；

3）在高壓區(qū)內(nèi)增加出風(fēng)口，能夠顯著增大出口流速，提升出風(fēng)效率；

4）承壓蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以有效降低壓蓋徑向截面流速，降低局部流動阻力；

5）軸承壓蓋與出風(fēng)口的優(yōu)化能有效提升發(fā)熱元件表面流速，提升散熱效率。