基于FLUENT的某通风配气装置气流组织分析

    某通风配气装置初步结构如下图所示，中间圆形空气入口，流速10m/s，两侧分别有矩形长条型出风口，现要考察在设计的尺寸下出风口的风量均匀性。注：出于特定原因，模型的尺寸、用途均没有具体说明。

    建立1:1几何模型，划分全六面体网格如下，共计58万个节点，最小正交质量0.77。

    采用标准k-e湍流模型，近壁面处理方式采用标准壁面函数。其他设置采用默认即可。

    入口采用速度入口边界，出口采用outflow出口边界，两个出口的流量权重均为0.5，因为出口压力一致，几何模型对称，因此流量必然均分。

    计算迭代残差曲线如下图，120次迭代之后达到残差收敛标准，高质量的六面体网格对计算收敛性有相当大的帮助。因此，在几何模型不怎么复杂的情况下尽可能采用六面体网格。

    单从残差判断是否收敛是不够的，要额外作一些守恒性检查，比如我们检查一下进出口的质量流量如下，可以看到质量流量完美守恒。

    由于几何模型和边界条件是对称的，因此我们只对其中一个出口进行分析。我们看一下其中一个出口的速度大小分布情况如下图，可以看出最右端的速度最大，向左逐渐减小。

    这里需要特别注意，以上的速度大小并不是表征出口的风量分布。我们看一下出口的速度矢量图，虽然最右端的速度最大，但是气流基本是水平流向，并没有排出出风口。气流的速度矢量真正反应风量的情况，可以看出在右端也就是靠近入口的位置风量其实是很小的，在中间偏右的位置风量最大，然后逐渐向左边减小。

    实际上，我们也可以通过观察出口法向上的速度大小，在该模型中也就是z方向的速度大小来观察风量的大小分布。从下图可以看出法向方向速度的大小分布情况反应的风量和上述矢量分布是一致的。

    我们也可以通过用户自定义公式的方式来直接得到风量的定量分布。首先我们建立公式Vz*abs(z-face-area)，也就是每个单元z向速度和z向面积绝对值，得出的量就是出口法向的体积流量（m3/s）

    根据以上方法，出口风量的分布如下，和z向速度分布趋势一致。这里说明一下，风量都是负值表示流出计算域，如果要得到正值只需要在上述的公式上整体求绝对值就行了，但是要特别注意如果出口有回流的话这种方法就不可行了。另外，这种方法计算的风量和report的流量有一定的误差。

    通过以上的计算，可以发现出口的风量均匀性较差，具有优化的空间。

    笔者利用家中的一些材料做了一个简单的试验装置，定性验证了一下风量的分布情况。

    实验准备：电吹风、扁平状纸盒、小刀、圆珠笔、小纸片和透明胶带。在纸盒相应的位置用圆珠笔画好入口（电吹风出口尺寸）和出口的轮廓，并用小刀裁剪出来，再用透明胶带将纸盒其他的缝隙封死以防止漏风。这样，流道就做好了，如下图。

    接下来只需要把电吹风口插到刚刚裁剪的入口位置，接通电源就可以开始实验了。

    由于没有风速仪，我们用小纸片来观察风量情况。用同一个姿势将纸片放置在风口的不同位置，观察纸片被吹动的情况，这样就可以反映了风量的大小。在出口靠近入口、中间和原理入口的三个位置，纸片被吹动的情况如下图。可以看出在靠近入口的位置，纸片几乎被吸进去，说明这里的风量几乎为0甚至反向，在中间位置纸片被吹得最厉害，说明这里的风量最大，风量的分布趋势与FLUENT计算结果是一致的。到此，验证完毕。