使用工具 : Simcenter STAR-CCM+
前言
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在全球環保要求下，綠色風機能源在這些年大行其道，Liam F1 Wind Turbine 算是新款的設計方式，低噪音、高效率及小型化是被推廣的原因，加上尺寸適合於家庭使用。一般風機設計上，我們會以穩定外流場並給予固定的設計轉速進行效能推估，而此案是以固定外流場進行推動葉片模擬，如何快速達到穩定轉速設計規劃。
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Liam F1 Wind Turbine 幾何外型
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網格生成
此案例的困難點在於旋轉區域並非圓柱體狀，而是像陀螺狀的區域，這部分可以直接在 STAR-CCM+ 中用兩個錐體 (Cone) 進行合併設計，區域分隔如下圖所示。
網格分布
分析規劃
實際下的風場不會是固定的流量，另外真要達到穩定狀態也不太可能在現實中形成，但以模擬的概念來說，我們還是需要思考怎樣運行並達到快速結果，早期採用穩定的轉速進行分析是因為電腦能力及運算效率下的妥協，當然這樣還是適合的，因為統計規劃下的數據還是有幫助的。我們這邊最終採用 DFBI 的方式，但先進行穩態給予一個相對設計轉速進行初步流場的穩定分析，因此我們先以穩定外流場 30m/sec 下，並給予相對轉速 120 rpm 進行分析。如下圖所示。
穩定分析下的速度場
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達到穩定的初步流場後變更設定為暫態分析，並設定 6 自由度設計，基本上本規劃我們僅以如何進行分析並沒有正確的設定，本案例很簡單僅需要給予單一轉動分析 (One-DOF Rotating Motion)，事實上實際的機械產品都會有摩擦阻抗，在模型模擬中可以給予外部力場或是轉矩方式給予結構阻抗 (External Forces and Moments)，要將模擬分析準確進行，基本上還是需要足夠的實驗數據進行修正比對。暫態分析最困難的部分是在於疊代時間步長的設定，當然目前 STAR-CCM+ 可以設定不同的疊代步長，此部分甚至可以依託在轉速下進行變動分析，圖五我們可以看到自由運動下的葉片壓力分佈跟穩態分析下相對差異較大，在整體分析上能盡可能符合實際狀況較好能得到結果，並且分析尺寸以實際產品尺寸進行分析在進行優化上也較佳。
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六自由度分析
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暫態壓力分佈
分析結果
6 自由度分析最大的問題是在初期因為外力突然加在分析模型上會造成過大的變動，此部分其實在自由度分析中可以開啟平滑模擬，這樣不會產生劇烈的變化而造成收斂的不穩定，風機是因為轉速不會太高，所以基本上還好，在燃燒室中轉速數萬轉的情況下，這問題會相對較高。如何確定轉動已經達到穩定，可以看轉動動量是否已經達到穩定，或是設定觀察葉片本身的動量是否趨近於零。
6-DOF轉動角度
轉動慣量
速度場分布
壓力分佈
結論
本案例是提供如何進行類似案例的快速分析方式，因為整體的分析上，風機本身其實是被動件而非主動件，想進行設計規劃去確認實際的外流場與對應的風機轉速為何，可以以此分析思路進行。我們前期提到未提供外力 (機械結構阻力) 分析，所以最終得到的轉速偏高，不過，此葉型在整個個人分析的各類型風機中，確實因為風經過葉片的距離最長，因此轉動順暢度確實較高，不過這部分我們後續再討論。
