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FDM 3D打印機(jī)是市面上最常見的入門級(jí)3D打印機(jī)，隨著適用于FDM機(jī)型的3D打印材料的不斷擴(kuò)充，F(xiàn)DM 3D打印機(jī)所具備的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)也越來越顯現(xiàn)出來。然而，如何通過FDM 3D打印機(jī)讓一個(gè)5歲的孩子都能夠一鍵打印出合格質(zhì)量的產(chǎn)品來，這成為衡量一款設(shè)備是否能夠得到市場(chǎng)的快速認(rèn)可的關(guān)鍵要素。這其中，仿真技術(shù)可以有效地幫助設(shè)備開發(fā)者通過優(yōu)化設(shè)備的設(shè)計(jì)來獲得滿意的3D打印質(zhì)量。
安世亞太展示了針對(duì)某款FDM機(jī)型的高溫倉所做仿真優(yōu)化，針對(duì)此部分做優(yōu)化的目的：
防止打印過程中引起的應(yīng)力翹曲；
調(diào)整合適的溫度環(huán)境以增加打印層之間的粘結(jié)性，提高打印模型的性能。
主要涉及到的CFD問題如下：
優(yōu)化出風(fēng)口的形狀、尺寸大小、位置等參數(shù)；
優(yōu)化出風(fēng)口、加熱器和風(fēng)機(jī)的相互擺放位置；
得到合適的加熱器的功率和風(fēng)機(jī)風(fēng)速、風(fēng)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(jī)圖（左）
圖 1-2 某款FMD高溫倉截面示意圖（右）
圖1-3 某款FMD內(nèi)部結(jié)構(gòu)1（左）
圖1-4 某款FMD內(nèi)部結(jié)構(gòu)2（右）模型簡(jiǎn)化及假設(shè)
- 腔體模型
某款FDM機(jī)型腔體主要保留尺寸較大、對(duì)流動(dòng)有明顯影響的結(jié)構(gòu)，如冷卻水管道、散熱片結(jié)構(gòu)等，去掉倒角及螺孔。
圖2-1 整機(jī)分解圖（左）
圖2-2 整機(jī)簡(jiǎn)化模型圖（右）本報(bào)告中所進(jìn)行的計(jì)算采用圖2-2中左側(cè)風(fēng)道內(nèi)部分，如下圖所示。為保證FLUENT計(jì)算的收斂性，對(duì)空調(diào)內(nèi)部的計(jì)算域出口進(jìn)行簡(jiǎn)單修改。本報(bào)告中采用延長出口段的方法來調(diào)整流體域，保持出口截面積相同，垂直向外延長，把進(jìn)出口適當(dāng)延長，并將壓力為0 的邊界定義在較遠(yuǎn)的位置。這樣FLUENT 的計(jì)算收斂性會(huì)更好，計(jì)算出來的結(jié)果也更貼合實(shí)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(shè)
對(duì)于所計(jì)算的模型進(jìn)行了如下假設(shè)：
操作壓強(qiáng)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(fēng)機(jī)外殼內(nèi)部有設(shè)置有一層1mm的不銹鋼內(nèi)蓋，由于尺寸與周圍差異較大，非常不利于網(wǎng)格劃分，將這一薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在進(jìn)行邊界條件設(shè)置的時(shí)候設(shè)置為有0.001m厚度的不銹鋼壁面。
圖2-4 內(nèi)殼薄壁結(jié)構(gòu)
- 針對(duì)離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行的假設(shè)
離心式風(fēng)機(jī)是根據(jù)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能的原理，利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能（壓力）。在單級(jí)離心式風(fēng)機(jī)中，氣體從軸向進(jìn)入葉輪，氣體流經(jīng)葉輪時(shí)改變成徑向，然后進(jìn)入擴(kuò)壓器。在擴(kuò)壓器中，氣體改變了流動(dòng)方向造成減速，這種減速作用將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能。壓力增高主要發(fā)生在葉輪中，其次發(fā)生在擴(kuò)壓過程。
由于給出的模型中的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)不是真實(shí)葉片，所以在本報(bào)告中使用速度入口邊界來模擬葉片帶來的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。進(jìn)行入口設(shè)置時(shí)，設(shè)置切向速度和軸向速度。其中軸向速度為風(fēng)機(jī)額定流量與葉片所在圓周面折算結(jié)果，切向速度為半徑與額定轉(zhuǎn)速折算結(jié)果。
圖2-5 模型中的風(fēng)機(jī)葉片（左）
圖2-6 真實(shí)的風(fēng)機(jī)葉片（右）網(wǎng)格處理
基準(zhǔn)案例網(wǎng)格總數(shù)為2485252，最高扭曲率為0.86,網(wǎng)格質(zhì)量過關(guān)。
圖3-1 基準(zhǔn)案例網(wǎng)格示意圖
風(fēng)道設(shè)計(jì)
市場(chǎng)上可見的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，總結(jié)其設(shè)計(jì)原則，均為將風(fēng)機(jī)抽取的氣體均勻、盡可能多的充入換熱器區(qū)域。都是以類似添加蝸殼或者擋風(fēng)板的方式來實(shí)現(xiàn)這一目的。
圖4-1 F370風(fēng)道示意圖（左）
圖4-2 F370風(fēng)道局部圖（右）
圖4-3 F450風(fēng)道示意圖（左）
圖4-4 F450風(fēng)道局部圖（右）本報(bào)告中給出兩種擋風(fēng)罩形式，添加擋風(fēng)罩的目的之一為在豎直方向上，限制氣流的擴(kuò)展；其二為在左右方向上限制氣流的流動(dòng)。兩種擋風(fēng)罩形式如下，區(qū)別在于是否將風(fēng)機(jī)上邊的位置封口。
圖4-5 擋風(fēng)罩優(yōu)化方案一（左）
圖4-6 擋風(fēng)罩優(yōu)化方案二（右）
圖4-7 擋風(fēng)罩優(yōu)化方案一局部放大圖（左）
圖4-8 擋風(fēng)罩優(yōu)化方案二局部放大圖（右）方案設(shè)置
表格 5-1 工況設(shè)置
仿真結(jié)果
- 流場(chǎng)結(jié)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(chǎng)結(jié)果
工況2
圖 6-19 加熱器截面檢測(cè)位置
工況4
圖6-20 Y方向加熱器入口截面溫度場(chǎng)分布（左）
圖6-21 Y方向加熱器出口截面溫度場(chǎng)分布（右）
圖6-22 Z=0.35截面溫度場(chǎng)分布（左）
圖6-23 Z=-0.025截面溫度場(chǎng)分布（右）工況6
圖6-28 Y方向加熱器入口截面溫度場(chǎng)分布（左）
圖6-29 Y方向加熱器出口截面溫度場(chǎng)分布（右）
圖6-30 Z=0.35截面溫度場(chǎng)分布（左）
圖6-31 Z=-0.025截面溫度場(chǎng)分布（右）分析、結(jié)論及改進(jìn)建議
- 對(duì)比分析
流場(chǎng)分析
由于當(dāng)前的流體域邊界是從固體實(shí)體模型中抽取出來的，因此在出口處距離風(fēng)扇比較短，而在FLUENT 計(jì)算中出口強(qiáng)制定義為壓力邊界并固定了相對(duì)壓力為0（壓力出口靜壓為0），這和實(shí)際情況是不相符的。實(shí)際情況是空氣在出口流出后又經(jīng)過適當(dāng)發(fā)展后才達(dá)到和外界大氣相同的靜壓為0 條件，所以在計(jì)算時(shí)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(qū)域，S2為相同為相同截面的腔體流通區(qū)域。當(dāng)S1對(duì)來流有一定阻力時(shí)，氣流自然會(huì)繞過S1，而從S2紅色框外的區(qū)域流動(dòng)。即散熱區(qū)域內(nèi)由于散熱片的排列影響了流通面積，增大了此區(qū)域的阻力，氣流很少從散熱區(qū)流通過，進(jìn)而影響換熱效果。
其中inlet面是整個(gè)計(jì)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(jìn)入散熱區(qū)域流量數(shù)值
表7-2方案1-入口總流量與進(jìn)入散熱區(qū)域流量數(shù)值
表7-3方案2-入口總流量與進(jìn)入散熱區(qū)域流量數(shù)值
對(duì)比表7-1、7-2、7-3可知，各工況的散熱區(qū)內(nèi)氣流的流速有著明顯的不同，這說明散熱片區(qū)域的阻力對(duì)來流有很大的影響，若大部分氣流從散熱片區(qū)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(chǎng)分析
下表為各方案的溫度及熱流量統(tǒng)計(jì)表格，可以看出當(dāng)入口溫度都為23℃時(shí)，方案二的出口溫度（74℃）高于方案一（72℃），遠(yuǎn)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(tǒng)計(jì)
從上表可以看出，優(yōu)化方案一和優(yōu)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(duì)于方案一來說，從離心風(fēng)機(jī)出來的氣流又兩個(gè)方向可以流動(dòng)，流向換熱區(qū)域或流向相反區(qū)域（如圖7-2所示），流向反方向的氣流沒有擋風(fēng)罩的約束，從擋風(fēng)罩外側(cè)流向出口，導(dǎo)致流向換熱區(qū)域的流量只占總流量的一半，且此時(shí)出口的溫度并不均勻（如圖7-3、7-4）。
圖7-2 方案一 風(fēng)機(jī)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(jié)論
經(jīng)過對(duì)比分析可以得出如下結(jié)論：根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，添加了阻力的的散熱片區(qū)域的流量很小，大部分氣流從散熱片區(qū)域外流過，會(huì)導(dǎo)致散熱效果不好。
添加擋風(fēng)罩后，氣流被強(qiáng)制通過散熱片區(qū)域，增大與加熱器加熱面的接觸面積和接觸風(fēng)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(fēng)罩后，出口的溫升較原方案提高一倍至53℃，且出口風(fēng)溫分布也比較均勻。
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