微小型离心风机一体化优化研究

发布时间：2018-12-21 08:54

【摘要】：微小型离心风机是一种常见的叶轮机械,具有压力系数高、噪声低等特点,被广泛运用在能源、电子、航空等领域,成为研究的热点对象。由于微小型离心风机自身的不对称性,在风机的出口截面存在着较大的速度畸变,靠近蜗壳外侧流体的速度是内侧流体速度的3-4倍,这种现象极其不利于微小型离心风机通风、散热等功能的实现。微小型离心风机的不对称性还会导致风机整体的效率低下,一般微小型轴流式风机的效率在70%左右,而微小型离心风机的效率只有40%-60%,因此提高离心风机内蜗壳参数对改善微小型离心风机的性能有着重要的意义。考虑到微小型离心风机的结构复杂性和参数的难以匹配性,实验的方法必然会造成耗时长、代价大的结果,因此采用数值模拟计算的方法矫正出口速度畸变,进行畸变矫正器和蜗壳一体化设计,并改善微小型离心风机的整体性能,达到一体化优化的目的。本文首先对某一型号的离心风机进行了三维建模,然后采用Numeca软件进行网格划分和数值模拟计算,得到其内部流场的计算结果,对确定转速工况下离心风机内部流场的压力和速度分布规律进行了分析。研究表明,离心风机内部流动情况非常复杂,流体压力和速度在离心风机内部各个位置的变化揭示了离心风机对流体加速增压的原理;叶轮叶片和叶道内的流动揭示了“射流——尾迹”现象,说明了离心风机振动和噪声的来源;离心风机出口截面的速度分布表明了流体在离心风机出口的速度非常不均匀,靠近蜗壳内侧的流体速度约为5m/s,靠近蜗壳外侧的流体速度则超过了20m/s,速度从蜗壳内侧到外侧呈现出递增的趋势,可见微小型离心风机出口存在较大的速度畸变,对离心风机通风、散热等功能的实现有较大的影响。随后针对离心风机出口截面速度的不均匀性,本文在传统的微小型离心风机的基础上,采用等边基元法,设计了矫正速度畸变的蜗壳型线,以改善不均匀的速度分布。等边基元法设计的蜗壳型线更符合蜗壳内部流体流动的真实轨迹,蜗壳内流体加速增压的过程随半径的变化而变化,在接近出口时进入流动掺混段,使本身速度方向和大小不均匀的流体进行挤压碰撞,传递能量,减弱各个流体团之间速度的差异。本文创新性地定义了畸变方差(distortion variance)的概念,比较设计前后离心风机出口的畸变程度,畸变方差由原来的6m2/s2下降了一个数量级,使得不均匀性分析可以量化处理,更直观地分析畸变矫正的结果。最后由于离心风机内部的复杂性,影响离心风机性能的参数非常多,在工程上通常采用正交试验法进行分析。选出叶片数、叶型、斜切角度、扭转角度四个参数进行了数值模拟计算,分别得出这个四个参数各自对微小型离心风机流量、压力和效率的影响关系,并根据各自对微小型离心风机的影响选取每个因素最优的影响参数进行排列寻找最优参数组合为叶型C作为叶片的二维截面,叶片数目为50个,扭转角度为10°,叶顶前缘斜切角为α=45°的参数组合,并获得四个参数对微小型离心风机影响程度的排列顺序:二维叶型斜切角度叶片数目扭转角度。
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【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH432

【参考文献】