无叶风扇出口环形缝隙射流的实验研究与数值分析

发布时间：2020-04-24 14:45

【摘要】：无叶风扇的问世为风机领域引入了新的吹风机制——环形缝隙射流。因无叶风扇的“空气倍增”特性(上方出风量比下方进气量增加多倍)、湍流研究的重要性,以及中空喷嘴的自由气体环形缝隙射流的研究缺失性及其良好的应用前景,无叶风扇出口环形缝隙射流的研究具有较高的学术及应用价值。本文采用了以热线风速仪测速与通风多参数检测仪测压的两项实验为主、RNG k-e模型的数值模拟为辅并结合湍流理论研究的方法,在多雷诺数下,对无叶风扇出口环形缝隙射流进行了较为全面系统的研究。本文的目的是通过时均流与湍动流(包括小尺度湍流)在各横截面及沿轴线的各流动参量的剖面,获得无叶风扇出口环形缝隙射流的流动特性、流场结构及射流的完整发展,从中深入研究无叶风扇“空气倍增”的根本内在机理——拟序运动及其演变的规律,阐释了拟序运动对于出口环形缝隙射流各阶段发展所起的具体作用以及湍流场的间歇性状态,此外,以新型的偏心缝隙结构实施对环形缝隙射流的被动控制,并分析雷诺数对流场的影响。通过研究发现了以下流动现象和结论:1.无叶风扇流动特性及拟序运动的研究。无叶风扇的高雷诺数出口环形缝隙射流,经Coanda效应,通过拟序结构的运动而形成了高湍动强度的自由剪切层。因拟序运动,无叶风扇所谓的“空气倍增”由两处卷吸共同实现:一为对出风框前方沿程气体的展向裹入卷吸,二为对出风框后方气体的向前卷吸。本文的模拟中,在出风框前方3m处的出风流量为下方进气量的26.6倍,其中前方沿程气体的带入量为后方气体的2.41倍。后方被卷吸向前的气体,进入了近场区的环形射流的内部,从而使该区域的拟序运动状况对整个流场产生了重要的影响。沿流向,吸入周围流体的展向马蹄涡的尺度及下端缺口均越来越大,上下不对称而水平方向基本对称。因此,无叶风扇的出口流场中,时均速度场、脉动速度场及压力场在垂直方向上均为轴不对称分布,而在水平方向均为基本轴对称分布。环形缝隙射流对外界气体的卷吸整体随雷诺数的增加而增长,而近场环形射流内部的卷吸在总体上却随雷诺数的增加而降低。2.无叶风扇出口环形缝隙射流的流动结构及小尺度湍流的研究。在近场区的环形射流内部,沿流向,环形缝隙射流对后方气体的向前卷吸逐渐衰变。约在流向0.5d处(d为Coanda面的喉部直径,以出风框的前端面为基准),展向马蹄形涡结构对下方流体的“吸入”开始活跃,沿流向,这种向上的吸入越来越强烈;约至流向1.5d处,上侧大尺度拟序结构使环形射流开始向上合并,下侧流场被“吸入”上侧;同时,流场合并中的拟序运动使剪切层失稳,流向2.2d处小尺度湍流因此被激发得最充分,2.2d之后湍流场随拟序结构的缓慢衰变而衰变;约流向3d处,环形缝隙射流基本完成合并。全流域的时均速度、轴线0.7d~2.2d之间的湍流强度均随雷诺数的增加而增长。湍动能耗散率、Kolmogorov尺度η等小尺度湍流的流动量比时均流更早进入自相似状态,对于流场条件的变化,小尺度湍流反应更灵敏。3.无叶风扇出口环形缝隙射流的合并后单股射流的研究。合并而成的单股射流与经典圆形射流存在根本性的区别,其射流扩展并不具备完全的轴对称性。雷诺数对合并后射流在垂直方向的特征半厚度影响不大,雷诺数对合并后射流的卷吸效应主要在于水平方向的正向影响。高雷诺数可提高合并后射流的大涡含能量,促进湍流更充分地发展,亦加快了下游湍流场的流向衰变。4.无叶风扇出口环形缝隙射流的被动控制研究。无叶风扇在现阶段尚存垂直方向的流场不均衡、增大通风量及降噪的问题。本文提出的S0.9型、S0.75型与S0.6型的三种偏心缝隙的新型结构,经预测性良好的RNG k-e模型的数值模拟的验证,对于无叶风扇垂直流场的不均衡均有较高的改善作用,并在一定程度上增大了通风量。其中,S0.6型在中远场区的控制最佳。偏心结构能够控制流场的根本原因在于在近场区减弱了上侧拟序运动而增强了下侧拟序运动;近场区的环形射流内部为控制无叶风扇环形缝隙射流的重要区域。
【图文】：

图 1.1 无叶风扇结构简图图 1.2 无叶风扇出口环形缝隙射流卷吸空气并非没有扇叶，它的扇叶（涡轮风机）内置于下部底座，地屏蔽了扇叶所产生的部分噪音[12]；传统有叶风扇叶片的的“切割”刺激，而无叶风扇则吹风较稳定，无剧烈的拍。由于环形缝隙射流对后方气体及前方沿程气体产生了相

2图 1.2 无叶风扇出口环形缝隙射流卷吸空气没有扇叶，它的扇叶（涡轮风机）内置于下部底蔽了扇叶所产生的部分噪音[12]；传统有叶风扇叶“切割”刺激，而无叶风扇则吹风较稳定，无剧烈于环形缝隙射流对后方气体及前方沿程气体产生了文献及戴森公司的公开信息，无叶风扇的出风流量 倍[13-14]。据有关报道，，无叶风扇的出风量相当于目可降低 1/3 的能耗；相比于传统有叶风扇，无叶风扇卷吸达到了“空气倍增”的吹风效果，实现了节能高风机研究者的极大兴趣，此为无叶风扇的主要研究风扇的“空气倍增”为湍动环形缝隙射流中拟序结
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH43

【参考文献】

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本文编号：2639075