微型轴流风扇叶顶间隙流动及非定常现象的数值计算研究

发布时间：2017-09-13 19:47

  本文关键词：微型轴流风扇叶顶间隙流动及非定常现象的数值计算研究

  更多相关文章： 微型轴流风扇 损失 自激式非定常 流动机理 多次通过交接面 势干扰 尾迹干扰 叶表压力波动

【摘要】：微型轴流风扇作为通风散热元件被广泛应用于民用电器、医疗、机械以及电子工业等各个领域。出于整机产品的散热以及节能降噪的需要,都有必要充分地认识并改善冷却风扇的内部流场。然而就目前为止,叶轮机械内流的相关研究报道主要针对大型压气机展开,针对这种微型轴流风扇公开发表的文献报道相对较少。基于此,本文利用计算流体动力学方法对一微型轴流风扇的内部流场进行数值模拟,主要完成了三个方面的研究内容：首先,对单转子环境下风扇内部的定常流场进行了详细的分析。单转子通道内的损失主要包括叶表边界层损失(含冲击损失)、泄漏损失和端壁损失。不同工况下的损失差异主要表现为来流冲击损失和泄漏损失。在设计工况下,冲击损失通常最小。当流量大于设计流量时,冲击损失明显增加；泄漏涡表现为尺寸较小但中心涡强较大的集中涡,虽然在转子通道内周向上的影响范围变小,但需要更长的轴向距离才能达到完全掺混,此时损失往往高于设计工况下的情况。当流量小于设计流量时,冲击损失也明显增加,泄漏涡尺寸变大。当流量减小至一定程度时会引发叶顶二次泄漏现象,导致损失的明显增加,此时损失常常也高于设计工况下的情况。因而风扇的效率随着流量的减小呈现先增加后减小的趋势。在峰值效率点左侧继续减小流量时,损失值变大,单位质量气体接受叶轮做功的能力也继续增加。当损失的增加值大于气体得功的增加值时,气体的全压升开始呈现降低的趋势。因而,风扇峰值效率对应的工况点往往在峰值压升对应的工况点的右侧。其次,研究了单转子叶顶间隙区域的非定常现象及其产生机理。在峰值压升点附近,叶顶间隙内发生了明显的非定常压力波动现象即“自激式非定常现象”。这种自激式非定常现象与低能流体多次通过敏感的“交接面”有关。在交接面附近区域相对总压梯度较大,对扰动较为敏感。在大流量下,低能流体(主要是泄漏流)只能通过敏感的交接面一次,因而压力波动非常微弱。而当流量减小至峰值压升点附近时,主流相对于泄漏流变弱,交接面逐渐向上游移动。低能流体沿着交接面迁移后能够再次进入相邻叶片的顶部并发生泄漏,进入相邻的叶片通道。这样,低能流体在周向上形成了迁移循环,它多次通过敏感的交接面附近区域,导致小扰动得到明显的放大,最终诱发了自激式非定常现象的发生。最后,本文还进一步研究了级环境下叶表压力波动现象及其产生机理。在级环境下,下游静叶滞止高压区是引起上游转子压力场波动的主要原因。随着时间的推进,这一高压区沿着叶轮旋转的相反方向运动。势干扰向上游传播时,在转子通道的扩张区内,引起的压力波动相位相同且水平一致,因而吸力面上各点的压力波动相位相同。在扩张区以外,势干扰具有“轴向指向性”,高压区的扫掠使得转子压力面上各点的压力也沿着叶轮旋转的相反方向先后达到最大值。对于下游静子而言,转子尾迹改变了来流冲角,但是这种影响仅限于叶片前缘的滞止点附近的区域；在静叶后半段压力波动微弱。通过本文的研究,对微型轴流风扇这一类研究不够充分的风机内叶顶泄漏流的定常与非定常特征获得了较为全面的认识。提出并通过数值模拟证实了引起叶顶泄漏流白激式非定常现象的“低能流体多次通过交接面”的猜想。揭示了级环境下下游静子对上游转子的势干扰作用主要是由静叶前缘高压滞止区引起,势干扰具有轴向指向性。而上游转子尾迹对下游静子压力场的干扰主要是通过改变来流冲角而形成,影响范围仅局限在静叶前半段。
【关键词】：微型轴流风扇 损失 自激式非定常 流动机理 多次通过交接面 势干扰 尾迹干扰 叶表压力波动
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 课题背景与意义11-12
• 1.2 轴流式叶轮机械内流现象及其研究现状12-31
• 1.2.1 叶顶泄漏流12-25
• 1.2.2 非定常波动现象及机理25-31
• 1.3 本文的研究目的和内容31-33
• 第二章 轴流叶栅顶部间隙流场的模拟33-49
• 2.1 轴流叶栅顶部间隙流场的数值计算模型与方法33-35
• 2.2 网格无关分析35-40
• 2.3 计算结果分析40-48
• 2.3.1 泄漏流与泄漏涡40-43
• 2.3.2 与前人试验及计算值的对比43-48
• 2.4 本章小结48-49
• 第三章 单转子微型轴流风扇定常数值模拟49-81
• 3.1 研究对象49-51
• 3.2 计算方法51-56
• 3.3 流量对微型轴流风扇性能的影响分析56-80
• 3.3.1 气动性能曲线57-59
• 3.3.2 泄漏流与泄漏涡59-67
• 3.3.3 损失67-77
• 3.3.4 压力及载荷77-80
• 3.4 本章小结80-81
• 第四章 单转子微型轴流风扇自激式非定常现象及其机理分析81-99
• 4.1 计算方法82-83
• 4.2 自激非定常现象83-88
• 4.3 自激非定常现象的产生机理88-92
• 4.4 与前人工作的对比92-98
• 4.5 本章小结98-99
• 第五章 级环境下叶表压力的非定常波动特性99-115
• 5.1 计算方法100-102
• 5.2 势干扰102-110
• 5.2.1 转子叶表压力波动特征102-104
• 5.2.2 扰动的传播特征104-108
• 5.2.3 扰动源的特征108-109
• 5.2.4 势干扰机理109-110
• 5.3 尾迹干扰110-114
• 5.3.1 静子叶表压力波动特征110-111
• 5.3.2 扰动的传播特征111-112
• 5.3.3 扰动源的特征112-113
• 5.3.4 尾迹干扰机理113-114
• 5.4 本章小结114-115
• 第六章 总结与展望115-117
• 6.1 全文总结115-116
• 6.2 创新点116
• 6.3 展望116-117
• 参考文献117-131
• 攻读博士学位期间的主要成果131-132
• 致谢132-133
• 附录1 考虑边界层厚度的进口速度边界的UDF133-134
• 附录2 微型轴流风扇气动性能试验134-137

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 史亚锋;吴虎;徐倩楠;宋石平;;静-转叶排轴向间距对某跨声速压气机性能的影响[J];航空动力学报;2012年04期

2 李英男;;离心式压缩机的原理与喘振诊断[J];辽宁化工;2011年12期

3 胡海峰;鲍福廷;蔡强;刘e，

本文编号：845568