地铁用轴流风机的CFD模拟及研究
摘要
轴流风机是地铁车站和隧道区间内通风的主要设备，其流量，压力和效率等
指标备受人们关注。地铁轴流风机的设计很大程度上要依赖试验，设计成本相对
较高。如果用数值模拟的方法对地铁轴流风机的流场进行模拟，得出指导性和方
向性的结果，可以帮助选择性能最佳的设计，具有明显的应用价值。本文用 CFD
商用软件 Fluent6.0 对地铁轴流风机的流场进行模拟并做出分析。
本文假设定常条件，采用 k－ε双方程湍流模型，SIMPLE 算法对直径为 1.8
米地铁轴流风机的流场进行了模拟，着重对进口回流区，压力场，速度场和矢量
场等进行讨论，经过和实验结果比较，模拟结果很理想。
在此基础上，本文将风机支架进行旋转，并且针对不同的旋转角度分别进行
计算。通过对风机流场和风机效率等的分析，得出了风机支架旋转角度对风机性
能的影响规律：支架的旋转会引起风机正转效率的下降和反转效率的提高。假如
采用较小的支架旋转角度，那么风机的反转效率会有较大程度的提高，同时正转
效率不会明显下降。
另外，本文在复杂模型的建立和简化，网格的生成，计算模型的采用等方面
做了一些有益的探索，希望能对相似类型的数值模拟问题提供借鉴。
As axial-fans are main devices for ventilation in subway, the technical indexes
such as flow rate, pressure and efficiency for axial-fan in subway receive great
attention in the design. Currently, the design of axial-fan in subway depends mainly
on experimental data, which is of high cost. Alternatively， simulating the internal
flow properly with numerical method can provide computational results in guiding the
design and help us to choose the best design plan. Such effort is worthwhile since it
greatly reduces the design cost. In this thesis we simulate and analyze the flow field of
axial-fan in subway with a commercial CFD software——Fluent 6.0.
Under the assumptions of steadiness, we simulate the flow field of axial-fan in
subway with k－ε standard model and SIMPLE method. The diameter of this fan is
1.8m. Our discussions focus on reverse flow region in suction area, pressure
distribution, velocity distribution and vector filed. The calculation results show good
agreement with the data taken from experiment.
Furthermore, we rotate the brackets and simulate the flow field for each bracket
angle. By analyzing the flow field and total efficiency, we find out the rule of bracket
angle affecting technical indexes：Once the brackets rotate, the total efficiency of
axial-fan under the blades’ standard-rotation will decrease, while the total efficiency
of axial-fan under the blades’ reverse-rotation will increase. If the bracket-rotation
angel is small enough, the total efficiency of axial-fan under the blades’
reverse-rotation will increase greatly, at the same time the total efficiency of axial-fan
under the blades’ standard-rotation will not decrease obviously.
In addition, this thesis is meaningful in many aspects such as: how to create and
simplify complex model, how to create grids and how to choose best calculation
model for different models.
指标备受人们关注。地铁轴流风机的设计很大程度上要依赖试验，设计成本相对
较高。如果用数值模拟的方法对地铁轴流风机的流场进行模拟，得出指导性和方
向性的结果，可以帮助选择性能最佳的设计，具有明显的应用价值。本文用 CFD
商用软件 Fluent6.0 对地铁轴流风机的流场进行模拟并做出分析。
本文假设定常条件，采用 k－ε双方程湍流模型，SIMPLE 算法对直径为 1.8
米地铁轴流风机的流场进行了模拟，着重对进口回流区，压力场，速度场和矢量
场等进行讨论，经过和实验结果比较，模拟结果很理想。
在此基础上，本文将风机支架进行旋转，并且针对不同的旋转角度分别进行
计算。通过对风机流场和风机效率等的分析，得出了风机支架旋转角度对风机性
能的影响规律：支架的旋转会引起风机正转效率的下降和反转效率的提高。假如
采用较小的支架旋转角度，那么风机的反转效率会有较大程度的提高，同时正转
效率不会明显下降。
另外，本文在复杂模型的建立和简化，网格的生成，计算模型的采用等方面
做了一些有益的探索，希望能对相似类型的数值模拟问题提供借鉴。
As axial-fans are main devices for ventilation in subway, the technical indexes
such as flow rate, pressure and efficiency for axial-fan in subway receive great
attention in the design. Currently, the design of axial-fan in subway depends mainly
on experimental data, which is of high cost. Alternatively， simulating the internal
flow properly with numerical method can provide computational results in guiding the
design and help us to choose the best design plan. Such effort is worthwhile since it
greatly reduces the design cost. In this thesis we simulate and analyze the flow field of
axial-fan in subway with a commercial CFD software——Fluent 6.0.
Under the assumptions of steadiness, we simulate the flow field of axial-fan in
subway with k－ε standard model and SIMPLE method. The diameter of this fan is
1.8m. Our discussions focus on reverse flow region in suction area, pressure
distribution, velocity distribution and vector filed. The calculation results show good
agreement with the data taken from experiment.
Furthermore, we rotate the brackets and simulate the flow field for each bracket
angle. By analyzing the flow field and total efficiency, we find out the rule of bracket
angle affecting technical indexes：Once the brackets rotate, the total efficiency of
axial-fan under the blades’ standard-rotation will decrease, while the total efficiency
of axial-fan under the blades’ reverse-rotation will increase. If the bracket-rotation
angel is small enough, the total efficiency of axial-fan under the blades’
reverse-rotation will increase greatly, at the same time the total efficiency of axial-fan
under the blades’ standard-rotation will not decrease obviously.
In addition, this thesis is meaningful in many aspects such as: how to create and
simplify complex model, how to create grids and how to choose best calculation
model for different models.
引文
[1] 娄小军，变频控制地地铁变风量控制方案研究：【硕士学位论文】，天津：
天津大学，2002 年 2 月
[2] 田铖 张欢 由世俊 杨东旭， 利用 FLUENT 软件模拟地铁专用轴流风机
（一）——对称翼叶片轴流风机，流体机械，2003.11
[3] 刘宝杰，邹正平等，叶轮机计算流体动力学技术现状与发展趋势，航空
学报，2002 年 9 月
[4] 何有世，袁寿其，陈池，CFD 进展及其在离心泵叶轮内流计算中的应用，
水泵技术，2002 年 3 月
[5] 李海锋，吴玉林，利用三维紊流数值模拟进行离心叶轮设计比较，流体
机械，2001 年第 29 卷第 9 期
[6] 游斌，E E Elhadi，谢军龙，王军，吴克启，多冀离心风机的三维数值分
析，工程热物理学报，V0l.24，NO.3，May，2003
[7] 何有世，袁寿其，陈池，CFD 进展及其在离心泵叶轮内流计算中的应用，
水泵技术，2002.3
[8] SKOTAK A，灯泡式水轮机水头损失分布的CFD计算，国外大电机， ， 2002
NO2
[9] 欧阳仲志，苗彦英 地铁交通系统的环境控制和车辆空气调节，铁道学
报，1999.81（1）：87～91
[10] 王峰一，地铁岛式站台通风 CFD 模拟：【硕士学位论文】，天津：天津大
学，2002 年 2 月
[11] 陶文铨，数值传热学，西安：西安交通大学出版社，2001
[12] 王红雨，横流风机内流场地研究及动态显示，【硕士学位论文】，华中科
技大学，2002 年 4 月
[13] Amano R S, Development of a turbulence near-wall model and its
application to separated and reattached flows, Numer Heat Transfer,1984.7:59-75
[14] Suhas V.Patankar.Numerical Heat Transfer and Fluid Flow.Hemisphere
Publish Corporation,1980
[15] Baldwin B S, Birth T, A one equation turbulence transport model for high
Reynolds number wall boundary flow[A], AIAA, Paper[C], 91-0610,1991
[16] Rodi W, Turbulence model and their application in hydraulics[R], The
Netherlands: Int Asso For Hydraulics Research,1980
[17] Phoenics/Polis/Lectures/Turbulence Models [Z]
[18] Patankar S.V，Numerical Heat Transferand Fluid Flow
[19] 姚征,陈康民 CFD 通用软件综述, 上海理工大学学报,2002
[20] Shumann U.Subgrid Seale model for finite difference simulation of turbulent
- 60 -
天津大学硕士学位论文 发表论文和科研情况说明
flow in plane channels and annuli.J Comput Phys, 1975.18:376～404
[21] Versteeg,H K, Malalasekera W, An Introduction to Computational Fluid
Dynamics: The Finite Volume Method[M]，London，Longmangg Group Ltd,1995.
[22] Gaskell P H, Lau A C K, Curvature-compensated convective transport:
SMART, a new boundedness-preserving transport algorithm[J], Int J Num Meth
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[23] Van Leer B, Towards the ultimate conservative difference scheme [J],J Comp
Phks,1974,(14):361.
[24] Van Albada G D, Van Leer B, Roberts W W. A comparative study of
computational methods in cosmic gas dynamicd. Astron Astrophysics,1982,(108):76.
[25] Spolding D B, Zhubrrin S V. X-cell: a new algorithm for fluid-flow
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[26] 帕坦卡(S.V.Patankar)著，张政 译.传热与流体流动的数值计算.北京：科
学出版社，1984
[27] Leonard B P. A stable and accurate convective modeling procedure based on
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[28] Freitas C J. Editorial.ASME J fluid Engineering, 1993.115:339-340
[29] Editorial.AIAA,1994.32:3
[30]Editorial. Int J Numer Methods Fluid,1995.19(7):Ⅲ
[31] 杨向劲，地铁侧式站台空调方案 CFD 模拟：【硕士学位论文】，天津：天
津大学，2002 年 2 月
[32] Barth T J,Jespersen D C,The design and application of upwind schemes on
unstructured meshes[A].AIAA Paper[C],89-0366,1989
[33] Barth T J,Numerical aspects of computing viscous high Reynolds number on
unstructured meshes [A].AIAA Paper[C],91-0721,1991.
[34] 段江南，蔡兆麟，离心通风机内部流场模拟中的几何建模，风机技术，
2001.6：38-42
[35] 王志东，汪德爟，一种简单的结构网格边界正交化方法，华东船舶工业
学院学报(自然科学版)，第 16 卷第 4 期，2002 年 8 月
[36] 张正科，朱自强，庄逢甘 复杂外形网格生成技术及应用。北京航空航天
大学学报，1998 年 12 月，第 24 卷第 6 期：642－645
[37] 段江南，流体机械虚拟实验平台的开发与实践， 【硕士学位论文】华中
科技大学，2002 年 4 月
[38] 李育斌，杨树地，乔志德，多块网格网络并行计算中的负载分配研究，
空气动力学学报，第 19 卷第 3 期，2001 年 9 月
[39] Thompson J F, Thames F C. Mastin C W。 Automatic numerical generation
of body-fitted curvilinear coordinate system for field containing any number of
arbitrary two-dimensional bodies.J Comput Phys, 1974, 15:299-319
[40] Thompson J F, Warsi Z U A, Marstin C W, Numerical grid generation,
foundation and application. New York: North-Holland, 1985.95-140
- 61 -
天津大学硕士学位论文 发表论文和科研情况说明
[41] 周天孝，白文，CFD 多块网格生成新进展，力学进展，第 29 卷第 3 期，
1999 年 8 月
[42] 羌卫中，高扬程排污泵的 CFD 设计研究，【硕士学位论文】华中科技大
学，2002 年 5 月
[43] FLUENT HELP/User’s Guide/1.2 Program Structure
[44] 天津通风机厂，变频调速可逆转地铁风机消声器成套设备，2003 年 6 月
[45] Moin P. Kim J, Numerical investigations of turbulent channel flow. J Fluid
Mech, 1982.118:341-37719
[46] 唐辉，何枫，离心泵内流场的数值模拟，水泵技术 2002.3
[47] 张欣，空调用室外体轴流风机流场特征值分析与图形显示，【硕士学位论
文】，华中科技大学，2002 年 4 月
[48] 李庆宜，通风机， 华中工学院
[49] 商景泰，通风机手册，机械工业出版社，1994
[50] 续魁昌，风机手册，机械工业出版社，1994
天津大学，2002 年 2 月
[2] 田铖 张欢 由世俊 杨东旭， 利用 FLUENT 软件模拟地铁专用轴流风机
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[36] 张正科，朱自强，庄逢甘 复杂外形网格生成技术及应用。北京航空航天
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[38] 李育斌，杨树地，乔志德，多块网格网络并行计算中的负载分配研究，
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[39] Thompson J F, Thames F C. Mastin C W。 Automatic numerical generation
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[41] 周天孝，白文，CFD 多块网格生成新进展，力学进展，第 29 卷第 3 期，
1999 年 8 月
[42] 羌卫中，高扬程排污泵的 CFD 设计研究，【硕士学位论文】华中科技大
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[43] FLUENT HELP/User’s Guide/1.2 Program Structure
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[46] 唐辉，何枫，离心泵内流场的数值模拟，水泵技术 2002.3
[47] 张欣，空调用室外体轴流风机流场特征值分析与图形显示，【硕士学位论
文】，华中科技大学，2002 年 4 月
[48] 李庆宜，通风机， 华中工学院
[49] 商景泰，通风机手册，机械工业出版社，1994
[50] 续魁昌，风机手册，机械工业出版社，1994