HI~歡迎來到數造云打印平臺！
FDM 3D打印機是市面上最常見的入門級3D打印機，隨著適用于FDM機型的3D打印材料的不斷擴充，FDM 3D打印機所具備的經濟性優勢也越來越顯現出來。然而，如何通過FDM 3D打印機讓一個5歲的孩子都能夠一鍵打印出合格質量的產品來，這成為衡量一款設備是否能夠得到市場的快速認可的關鍵要素。這其中，仿真技術可以有效地幫助設備開發者通過優化設備的設計來獲得滿意的3D打印質量。
安世亞太展示了針對某款FDM機型的高溫倉所做仿真優化，針對此部分做優化的目的：
防止打印過程中引起的應力翹曲；
調整合適的溫度環境以增加打印層之間的粘結性，提高打印模型的性能。
主要涉及到的CFD問題如下：
優化出風口的形狀、尺寸大小、位置等參數；
優化出風口、加熱器和風機的相互擺放位置；
得到合適的加熱器的功率和風機風速、風量等建議；
得到合適的隔熱材料的厚度建議。
圖1-1 某款FMD整機圖（左）
圖 1-2 某款FMD高溫倉截面示意圖（右）
圖1-3 某款FMD內部結構1（左）
圖1-4 某款FMD內部結構2（右）模型簡化及假設
- 腔體模型
某款FDM機型腔體主要保留尺寸較大、對流動有明顯影響的結構，如冷卻水管道、散熱片結構等，去掉倒角及螺孔。
圖2-1 整機分解圖（左）
圖2-2 整機簡化模型圖（右）本報告中所進行的計算采用圖2-2中左側風道內部分，如下圖所示。為保證FLUENT計算的收斂性，對空調內部的計算域出口進行簡單修改。本報告中采用延長出口段的方法來調整流體域，保持出口截面積相同，垂直向外延長，把進出口適當延長，并將壓力為0 的邊界定義在較遠的位置。這樣FLUENT 的計算收斂性會更好，計算出來的結果也更貼合實際。修改后的流體域如下圖。
圖 2-3 出入口延長后的流體域
- 模型中使用的假設
對于所計算的模型進行了如下假設：
操作壓強為101325Pa
由于氣體流速較低，壓力變化不大，把氣體作為不可壓縮流體處理
風機外殼內部有設置有一層1mm的不銹鋼內蓋，由于尺寸與周圍差異較大，非常不利于網格劃分，將這一薄壁結構進行簡化，在進行邊界條件設置的時候設置為有0.001m厚度的不銹鋼壁面。
圖2-4 內殼薄壁結構
- 針對離心式風機進行的假設
離心式風機是根據動能轉換為勢能的原理，利用高速旋轉的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使動能轉換成勢能（壓力）。在單級離心式風機中，氣體從軸向進入葉輪，氣體流經葉輪時改變成徑向，然后進入擴壓器。在擴壓器中，氣體改變了流動方向造成減速，這種減速作用將動能轉換成壓力能。壓力增高主要發生在葉輪中，其次發生在擴壓過程。
由于給出的模型中的風機結構不是真實葉片，所以在本報告中使用速度入口邊界來模擬葉片帶來的旋轉效應。進行入口設置時，設置切向速度和軸向速度。其中軸向速度為風機額定流量與葉片所在圓周面折算結果，切向速度為半徑與額定轉速折算結果。
圖2-5 模型中的風機葉片（左）
圖2-6 真實的風機葉片（右）網格處理
基準案例網格總數為2485252，最高扭曲率為0.86,網格質量過關。
圖3-1 基準案例網格示意圖
風道設計
市場上可見的風道結構，總結其設計原則，均為將風機抽取的氣體均勻、盡可能多的充入換熱器區域。都是以類似添加蝸殼或者擋風板的方式來實現這一目的。
圖4-1 F370風道示意圖（左）
圖4-2 F370風道局部圖（右）
圖4-3 F450風道示意圖（左）
圖4-4 F450風道局部圖（右）本報告中給出兩種擋風罩形式，添加擋風罩的目的之一為在豎直方向上，限制氣流的擴展；其二為在左右方向上限制氣流的流動。兩種擋風罩形式如下，區別在于是否將風機上邊的位置封口。
圖4-5 擋風罩優化方案一（左）
圖4-6 擋風罩優化方案二（右）
圖4-7 擋風罩優化方案一局部放大圖（左）
圖4-8 擋風罩優化方案二局部放大圖（右）方案設置
表格 5-1 工況設置
仿真結果
- 流場結果
工況1
圖6-1 工況1-Z方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-2 工況1-Z方向中截面速度流線示意圖（右）
圖6-3 工況1-X方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-4 工況1-X方向中截面速度流線示意圖（右）
圖6-5 工況1-Y方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-6 工況1-Y方向中截面速度流線示意圖（右）工況3
圖6-7 工況1-Z方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-8 工況1-Z方向中截面速度流線示意圖（右）
圖6-9 工況1-X方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-10 工況1-X方向中截面速度流線示意圖（右）
圖6-11 工況1-Y方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-12 工況1-Y方向中截面速度流線示意圖（右）工況5
圖6-13 工況1-Z方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-14 工況1-Z方向中截面速度流線示意圖（右）
圖6-15 工況1-X方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-16 工況1-X方向中截面速度流線示意圖（右）
圖6-17 工況1-Y方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-18 工況1-Y方向中截面速度流線示意圖（右）溫度場結果
工況2
圖 6-19 加熱器截面檢測位置
工況4
圖6-20 Y方向加熱器入口截面溫度場分布（左）
圖6-21 Y方向加熱器出口截面溫度場分布（右）
圖6-22 Z=0.35截面溫度場分布（左）
圖6-23 Z=-0.025截面溫度場分布（右）工況6
圖6-28 Y方向加熱器入口截面溫度場分布（左）
圖6-29 Y方向加熱器出口截面溫度場分布（右）
圖6-30 Z=0.35截面溫度場分布（左）
圖6-31 Z=-0.025截面溫度場分布（右）分析、結論及改進建議
- 對比分析
流場分析
由于當前的流體域邊界是從固體實體模型中抽取出來的，因此在出口處距離風扇比較短，而在FLUENT 計算中出口強制定義為壓力邊界并固定了相對壓力為0（壓力出口靜壓為0），這和實際情況是不相符的。實際情況是空氣在出口流出后又經過適當發展后才達到和外界大氣相同的靜壓為0 條件，所以在計算時采用出口延長后的模型。
圖7-1 加熱器入口所在截面與腔體截面
上圖為加熱器入口所在截面與腔體截面，S1為加熱器所在區域，S2為相同為相同截面的腔體流通區域。當S1對來流有一定阻力時，氣流自然會繞過S1，而從S2紅色框外的區域流動。即散熱區域內由于散熱片的排列影響了流通面積，增大了此區域的阻力，氣流很少從散熱區流通過，進而影響換熱效果。
其中inlet面是整個計算域的入口面，也就說散熱器入口截面的流量等于S1面與S2面流量之和。
表7-1 原方案-入口總流量與進入散熱區域流量數值
表7-2方案1-入口總流量與進入散熱區域流量數值
表7-3方案2-入口總流量與進入散熱區域流量數值
對比表7-1、7-2、7-3可知，各工況的散熱區內氣流的流速有著明顯的不同，這說明散熱片區域的阻力對來流有很大的影響，若大部分氣流從散熱片區域外流過，那么冷源與熱源的接觸面積不足，熱交換效果不好。
溫度場分析
下表為各方案的溫度及熱流量統計表格，可以看出當入口溫度都為23℃時，方案二的出口溫度（74℃）高于方案一（72℃），遠高于原始方案（4℃8）。其中原始方案的溫升為25℃，方案一的溫升為46℃，方案二的溫升為56℃。雖然方案二比方案一的出口溫升高15.2%，方案二的加熱器的總換熱量高于方案一14.3%，即方案二的熱能利用率高于方案一。
表7-4 各方案溫度及熱流量統計
從上表可以看出，優化方案一和優化方案二的換熱性能力都高于原始方案，其中方案二的流體出口和入口的熱量差值 (w)是方案一的1.28倍。原因在于，對于方案一來說，從離心風機出來的氣流又兩個方向可以流動，流向換熱區域或流向相反區域（如圖7-2所示），流向反方向的氣流沒有擋風罩的約束，從擋風罩外側流向出口，導致流向換熱區域的流量只占總流量的一半，且此時出口的溫度并不均勻（如圖7-3、7-4）。
圖7-2 方案一 風機流出氣流方向示意
圖7-3 方案一出口面溫度分布
圖7-4 方案二出口面溫度分布- 結論
經過對比分析可以得出如下結論：根據數值模擬的結果，添加了阻力的的散熱片區域的流量很小，大部分氣流從散熱片區域外流過，會導致散熱效果不好。
添加擋風罩后，氣流被強制通過散熱片區域，增大與加熱器加熱面的接觸面積和接觸風量，可以有效的提高加熱器的熱能利用效率，采用方案二中的擋風罩后，出口的溫升較原方案提高一倍至53℃，且出口風溫分布也比較均勻。
相關推薦
全部評論 0
暫無評論