基于控制速度分布的离心式通风机叶轮优化设计方法研究及内流场分析

发布时间：2017-07-28 18:18

  本文关键词：基于控制速度分布的离心式通风机叶轮优化设计方法研究及内流场分析

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【摘要】：离心式通风机是一种量大面广的通用机械,其中大型工业离心风机,由于功率大,在工业生产中消耗着大量能源。本文主要针对后向离心风机,建立了基于控制速度分布的离心风机叶轮设计方法,在保证满足流量、压力的前提下,提高了风机的效率,并采用数值模拟进行了性能预测和流场对比分析。 本文提出的离心式通风机叶轮设计方法从造成叶轮流道内流动损失的根源出发,通过控制流道内边界层的增长、分离,二次流发展以及分层效应,达到减少流动损失的目的,实现叶轮的优化设计。通过分析叶轮流道内边界层的增长、分离,二次流以及分层效应的流动特征,总结提炼了包括进口段减速比和流道最大减速比等流动控制参数,这些流动控制参数对叶轮内流动有直接影响,可以体现对流动的控制,同时它们又与沿流道的速度分布直接相关,因此研究这些流动控制参数即可期望达到优化叶轮设计的目的。首先应用考虑旋转和曲率的湍流边界层积分方程,分析了速度分布对边界层增长和分离的影响,其次讨论了速度分布与二次流、分层效应之间的关系,并通过关键的流动控制参数建立起速度分布与边界层增长、分离,二次流和分层效应等流动效应之间的联系。在此基础上建立一个基于控制流动效应的优化速度分布数学模型,并根据分离与否分别建立优化模型。在不分离的情况下,满足出口边界层厚度最小的速度分布为最佳；而在流动发生分离的情况下,满足最迟分离的速度分布为最佳,同时满足压力和载荷等要求。然后根据此速度分布设计得到风机叶片型线,完成优化设计。 为了检验本方法的可靠性,将本文设计的叶轮进行加工并试验,性能试验结果表明在保证压力的前提下,在设计流量时全压效率提高4.45%,全工况下平均提高5.01%,数值模拟结果也表明风机内流场的流动状态有了明显改善,在回转面上近蜗舌处流道内流动的分离得到有效的抑制,叶道出口截面的二次流减弱,在大流量下,回转面分层效应有较为明显的改善。
【关键词】：离心式通风机 优化设计 速度分布控制 流动效应 数值模拟
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH432
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 离心叶轮优化设计的研究现状11-12
• 1.3 离心叶轮内速度分布规律的研究现状12-14
• 1.4 离心风机数值模拟的研究现状14-15
• 1.5 本文主要工作15-17
• 第二章 基于控制速度分布的离心风机叶轮优化设计理论17-37
• 2.1 基于控制速度分布的叶轮优化设计方法基本理论17-22
• 2.1.1 控制边界层增长与分离18-20
• 2.1.2 控制二次流20-21
• 2.1.3 控制分层效应21-22
• 2.2 速度分布模型22-29
• 2.2.1 速度分布与叶轮总体参数之间的关系23-27
• 2.2.2 流动控制参数的优化27-29
• 2.3 叶轮设计步骤29-35
• 2.3.1 叶轮总体结构参数的确定29-32
• 2.3.2 叶片型线设计32-35
• 2.4 设计计算的程序实现35
• 2.5 本章小结35-37
• 第三章 离心式通风机数值模拟的基本理论37-47
• 3.1 基本控制方程37-38
• 3.2 湍流模型38-41
• 3.3 近壁面处理41-42
• 3.4 旋转和静止区域的求解42
• 3.5 控制方程的离散与求解42-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第四章 设计实例——性能与内部流场对比分析47-76
• 4.1 设计实例47-52
• 4.1.1 总体结构参数的确定47-48
• 4.1.2 速度分布的确定和载荷分布的计算48-52
• 4.1.3 叶片成型52
• 4.2 设计结果的性能模拟52-58
• 4.2.1 风机的三维建模52-53
• 4.2.2 控制方程和边界条件53-54
• 4.2.3 计算网格54-56
• 4.2.4 离散格式及算法56
• 4.2.5 数值模拟结果验证56-57
• 4.2.6 性能模拟结果对比分析57-58
• 4.3 设计结果的实验验证58-59
• 4.4 模型1与原型风机性能和流场对比分析59-74
• 4.4.1 回转面59-67
• 4.4.2 子午面流动67-71
• 4.4.3 叶轮流道截面71-74
• 4.4.4 间隙流动74
• 4.5 本章小结74-76
• 第五章 总结与展望76-78
• 参考文献78-81
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文和申报的专利81

【参考文献】

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本文编号：585379