三元叶轮的计算机辅助设计及其气动性能分析

发布时间：2017-04-02 21:05

  本文关键词：三元叶轮的计算机辅助设计及其气动性能分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着工业技术的发展,通风机的应用范围不断扩大,对其流场特性以及稳定性的要求也逐渐提高。叶轮是风机的核心部件,直接影响到风机的整体性能。考虑到叶轮的传统设计过程较为复杂,实验耗时长,成本高,本文介绍了一种几何设计方法,并且利用数值模拟方法分析内部流场和结构强度。由于叶轮在加工时一般采用球头铣刀,加工后的轮毂面会产生残留高度,因此,研究残留高度对流场的影响,在效率和精度之间寻找一个平衡点,具有极其重要的意义。 首先介绍了叶轮的基本知识以及叶片设计、造型的数学原理,给出了叶轮叶片的一种几何设计方法。研究了贝塞尔曲线的特点以及在叶轮子午面设计过程中的应用,同时介绍了B样条曲线并将其应用于叶片角以及叶片厚度的构造过程,基于MATLAB环境完成整体叶轮的造型显示。 其次介绍了计算流体动力学的数值模拟方法。利用UG软件完成通风机各个流域如叶轮流域、蜗壳流域的造型过程,采用ICEM软件进行网格划分,利用FLUENT软件对整个风机进行数值模拟,得到不同轴截面的流场分布以及整机迹线图。 然后讨论了有限元分析方法以及主要计算步骤,并对APDL技术进行了简单介绍。在UG中建立叶轮的三维模型并导入ANSYS软件中,施加离心力进行强度分析,得到叶轮在离心力作用下的应力和应变分布。利用APDL技术将流场分析得到的叶片表面气动载荷施加到叶轮结构上,对叶轮进行流固耦合分析,并对施加气动载荷和未施加气动载荷两种情况进行分析对比。 最后介绍了轮毂表面几何残留高度的形成原理以及数学描述,讨论了周期边界条件的运用,建立了带有不同残留高度的流道模型,采用CFD方法,模拟了带有几何残留高度叶轮流道的流场,得到了不同残留高度轮毂面的压力分布,并分析了残留高度对轮毂偏置面流场的影响。
【关键词】：叶轮 几何设计 流场 有限元方法 残留高度
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH43;TP391.72
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 文献综述11-16
• 1.2.1 叶轮几何设计技术的发展现状11-12
• 1.2.2 CFD方法在叶轮机械研究中的应用现状12-14
• 1.2.3 叶轮的结构强度分析研究现状14-16
• 1.3 论文的主要研究工作16-17
• 2 叶轮几何参数化设计方法及造型实现17-33
• 2.1 叶轮的基本知识17-21
• 2.1.1 叶轮的基本结构介绍17-18
• 2.1.2 叶轮的主要结构参数18-21
• 2.2 叶片设计及造型的数学基础21-27
• 2.2.1 贝塞尔曲线理论基础21-24
• 2.2.2 B样条插值算法24-26
• 2.2.3 直纹面的基本理论及几何设计方法26-27
• 2.3 基于MATLAB实现叶片几何设计及造型过程27-32
• 2.3.1 子午面设计27-28
• 2.3.2 叶片角设计28-30
• 2.3.3 叶片厚度分布30
• 2.3.4 轮盘的造型实现30-31
• 2.3.5 叶轮的整体造型31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 3 通风机内部流动的数值模拟33-51
• 3.1 计算流体动力学理论基础33-35
• 3.1.1 计算流体动力学的控制方程33-34
• 3.1.2 湍流的数值模拟方法34-35
• 3.2 CFD相关软件介绍35-37
• 3.3 通风机各流域模型建立及网格划分37-45
• 3.3.1 叶片及叶轮流域的造型37-38
• 3.3.2 集风器及蜗壳的造型38-41
• 3.3.3 各流域网格划分41-43
• 3.3.4 数值模拟计算过程43-45
• 3.4 通风机内部流场分析45-50
• 3.4.1 不同轴截面静压云图分析45-46
• 3.4.2 不同轴截面动压云图分析46-47
• 3.4.3 不同轴截面总压云图分析47-48
• 3.4.4 不同轴截面速度矢量图分析48-49
• 3.4.5 整机迹线图49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 4 通风机叶轮有限元强度分析51-64
• 4.1 有限元分析方法及ANSYS介绍51-53
• 4.1.1 有限元方法的思想及主要步骤51-52
• 4.1.2 有限元分析软件ANSYS介绍52
• 4.1.3 APDL参数化编程技术52-53
• 4.2 叶轮结构静力学分析53-58
• 4.2.1 叶轮的模型建立53
• 4.2.2 材料设置及网格划分53-55
• 4.2.3 载荷施加及求解55-57
• 4.2.4 计算结果及分析57-58
• 4.3 流固耦合分析58-63
• 4.3.1 表面效应单元介绍59-60
• 4.3.2 施加气动载荷60-62
• 4.3.3 计算结果及分析62-63
• 4.4 本章小结63-64
• 5 额定工况下轮毂面几何残留高度对其气动性能影响64-73
• 5.1 残留高度形成理论64-65
• 5.1.1 轮毂面形成原理64
• 5.1.2 走刀行距的计算64-65
• 5.2 周期边界条件65
• 5.3 流道几何建模及网格输出65-66
• 5.4 数值模拟过程66-67
• 5.5 计算结果及分析67-72
• 5.5.1 不同残留高度轮毂面静压和动压分析67-69
• 5.5.2 残留高度对于轮毂偏置面静压和动压的影响69-70
• 5.5.3 残留高度对于轮毂面附近湍动能的影响70-72
• 5.6 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79

【参考文献】

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