高效对旋风机的流场特性研究与设计优化

发布时间：2021-07-09 15:06

本文采用数值模拟与实验相结合的方法,分别对对旋风机和空气炮进行设计、流场特性研究、设计优化和实验测试。实验分别在中国科学院工程热物理研究所的对旋风机实验台和空气炮实验台上进行,数值模拟采用三维粘性流场计算软件NUMECA。本文共分正文和附录两个部分：正文部分报告对旋风机的设计、流场特性研究和实验的研究结果。通过理论分析,给出了适合对旋风机的前后排转子负荷比选择范围。通过数值模拟,探讨了使用模拟平面叶栅计算代替实验研究并利用三维优化模块进行叶型优化的方法,表明该方法可以通过自动寻优提高叶栅性能；对适用于对旋级的转子进行叶型优化后得到的新叶型损失降低,压力场更加均匀,尾迹区速度梯度减小；计算也表明,在低速状态下叶型损失主要由攻角决定,优化几何型线对叶片性能提高的空间有限。对旋级的叶顶间隙研究表明,间隙损失是对旋风机损失的重要组成部分,随着间隙增大,不仅流量降低,压升也不断降低,间隙对效率的影响比普通轴流风机更为显著；间隙泄漏涡在前缘下游开始发展,旋涡强度先增大后减小,涡心离开吸力面的位置沿流向基本成线性,掺混损失区域不断扩大；后排转子泄漏涡的强度和影响区域均明显大于前排转子,在后排转子流道内可以看到前排转子泄漏涡衰减的轨迹；在设计中必须重视间隙的影响,以控制间隙损失。最后运用S2设计程序与三维流场分析相结合的设计方法显著提高了对旋风机叶轮级和整机的性能,优化设计的对旋风机稳定运行区域宽广,流量全压特性好,达到了设计要求,在70～130％设计流量范围内稳定运行无喘振,在70～116％设计流量范围内全压效率均达到80％以上,设计点的整机全压效率达到86％,而且后排转子电机在全工况范围内无超负荷运转,避免了常见的二级电机烧毁问题。采用数值模拟分析对旋风机的流场特性和损失机理,揭示了制约对旋级效率进一步提高的关键在于控制前后排转子的叶根区域损失,这有望通过优化前后排转子径向负荷匹配和采用子午加速轮毂的设计实现。附录部分报告空气炮的理论分析、数值模拟和实验的研究结果。理论分析表明,空气炮排气喷管直径、空气炮活塞筒开口方式和矢量喷管是空气炮性能的主要影响因素。通过数值计算得到了合理的改型参数尺寸,在此基础上加工了优化改型后的实验件。实验对比表明,数值模拟较准确地计算了空气炮的定常和非定常性能,通过改型设计,KL50型空气炮的冲击力比原型机普遍提高50%以上,在罐内压力0.8MPa的工况下提高66％。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH43

文章目录

摘要

Abstract

图目录

表目录

主要符号表

第1章绪论

1.1 概述

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 对旋风机设计方法

1.3.2 对旋风机实验与数值模拟研究

1.3.2.1 前后排负荷分配

1.3.2.2 叶片负荷径向分布

1.3.2.3 子午加速流道设计

1.3.2.4 转子速比和轴向间距

1.3.2.5 转子非定常相互作用

1.3.2.6 叶片的特殊处理

1.3.2.7 叶顶处理结构

1.3.2.8 流场模拟研究

1.3.3 对旋风机性能改进的途径

1.3.3.1 扩压叶型设计

1.3.3.2 叶片弯掠设计

1.3.3.3 叶片优化方法

1.3.3.4 风机噪音控制

1.4 本文的目的和研究内容

第2章数值模拟方法

2.1 计算方法

2.1.1 控制方程

2.1.2 网格生成

2.1.3 湍流模型

2.1.4 边界条件

2.1.5 后处理分析

2.2 计算参数设置

2.2.1 壁面网格尺度对比

2.2.2 出口边界条件对比

2.2.3 轮毂旋转设置方式对比

2.3 小结

第3章实验方法

3.1 实验方法

3.2 自动测试系统

3.3 测试仪器标定

3.4 误差分析

3.4.1 静压精度的影响

3.4.2 动压精度的影响

3.4.3 当地大气压的影响

3.5 小结

第4章设计准则

4.1 概述

4.2 前后排转子负荷分配

4.3 转子径向负荷分布

4.4 对旋级叶型设计

4.4.1 前排高负荷叶型损失特性分析

4.4.2 后排低稠度叶型损失特性分析

4.4.3 叶型的三维优化设计

4.4.4 叶型设计准则

4.5 对旋级叶顶间隙控制

4.5.1 间隙对总性能的影响

4.5.2 间隙附近流场分析

4.5.3 间隙泄漏流结构

4.5.4 间隙控制准则

4.6 小结

第5章实验及流场分析

5.1 概述

5.2 原型风机性能实验

5.2.1 实验结果

5.2.2 实验与计算对比

5.3 改型风机性能实验

5.3.1 实验结果

5.3.2 实验与计算对比

5.4 改型与原型风机的性能对比

5.4.1 总性能对比

5.4.1.1 整机和转子效率

5.4.1.2 进出口支撑损失

5.4.2 总压损失的径向分布对比

5.4.3 不同工况的流动结构对比

5.4.3.1 设计工况

5.4.3.2 大流量工况

5.4.3.3 小流量工况

5.5 改型风机流场分析

5.5.1 扩压因子分布

5.5.2 出口压力分布

5.5.3 损失发展特性

5.5.4 熵和二次流涡量的发展

5.5.4.1 设计工况

5.5.4.2 大流量工况

5.5.4.3 小流量工况

5.5.5 流场旋涡结构分析

5.5.5.1 设计工况

5.5.5.2 大流量工况

5.5.5.3 小流量工况

5.6 小结

第6章结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

附录:空气炮的数值计算与实验

第1章空气炮简介

第2章理论分析

2.1 一维定常模型分析

2.2 一维非定常模型分析

第3章数值模拟研究

3.1 计算验证

3.2 维定常计算

3.3 二维非定常计算

3.4 改型方案设计

3.5 改型计算结果

第4章实验研究

4.1 实验台设计

4.2 实验结果

第5章结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的主要论文、专利及获得奖励

致谢

【引证文献】