混流式风机流固耦合分析

发布时间：2020-08-20 22:18

【摘要】：混流式风机作为一种典型的叶轮机械,它同时包含了离心式风机的高风压,轴流式风机的大风量的优点,其在工业及生活中应用最为广泛。然而,在风机运行的过程中会存在各种各样的故障,如喘振、失速、噪声等,这些都会影响风机的稳定运行。这些故障中一大部分都是由流固耦合现象引起的,所以在进行分析时需要着重考虑到流固耦合所带来的影响。课题主要针对混流式风机的流场所引起叶轮变形危害以及共振现象进行了研究。首先,运用Solidworks软件对某SWF型号混流式风机进行三维实体建模,在进出口位置进行加长处理。然后将其导入到ICEM软件中,利用不同的网格类型分别划分整个流道四个子区域部分。接着通过数值模拟获取到整个流道的压力以及流动速度分布情况,根据这些分布状态分析了混流风机整个流道内流体的流动状态。其次,基于ANSYS Workbench软件平台的多物理场协同分析功能,将Fluent的分析结果导入到Static Structural分析模块中,将其作为初始条件添加到风机模型固体域表面,同时添加旋转速度后,得到了叶轮在流体压力的作用下的应力状态,然后对叶轮进行强度校核。通过入口流速、导叶数量的变化,得出风机的风压值和效率值,并运用Matlab软件对数据进行拟合,研究分析其拟合曲线的结果。最后,将Static Structural分析的得到的应力结果导入modal模块,针对风机转子做模态仿真分析,得出转子在不同状况下的振型、频率等动力特性。将不同状态下的转子动力特性进行对比分析,得到其不同的变化规律以及气动力对转子振型的影响。通过流固耦合得出,在风机运行过程中的最优导叶数为15个,最优的工况为6~8 m/s。最大的总压值为273Pa,最高的效率值为72%。通过模态分析得出,旋转预应力的作用对叶轮转子的频率值影响是最大的,其高阶的模态频率值比较接近基频的倍频,所以在设计优化时需要着重考虑。
【学位授予单位】：华北理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK83
【图文】：

数值模拟方法,种类,湍流模型,运动公式

式中：S( divU)xxwxzvxyuxuηηηλ + + + =S( divU)yywyzvyyuxvηηηλ + + + =S( divU)zzwzzwzyuxwηηηλ + + + =式中：η —流体动力粘度。.2 湍流模型以及数值模拟方法湍流模型是以雷诺时均法的运动公式与脉动公式作为本原，为了使控制方程而建立的一组封闭的方程组。根据多种多样的数值模拟方法，把湍流模型分为应力模型（RSM）和涡黏模型（EVM）两种[36]。如图 1 所示：

流程图,单向流,耦合分析,流程

流固耦合分析过程，流固耦合问题的研究已经取得了很大的进展，实际应用的别是随着 ANSYS Workbench 软件平台的出现，流固耦合的据大量的流固耦合分析实例可以知道，依靠 ANSYS WorkbStatic Structural、CFX+Static Structural 等组合软件就能够实过程，其优点体现在操作更加的方便、同时还能减少计算的的结果质量可靠。用 Fluent+Static Structural 结合的方式来实现混流风机的混流风机的模型导入到 Fluent 中，对混流风机内部实现数次再采用分离式求解法将在 Fluent 中所求出的表压等流场到 Static Structural 中的固体域上，得到最后的固体域的应力的混流式风机的流固耦合分析过程。

气流分布,混流式,整体模型,风机

第 3 章混流式风机的数值模拟分析3.1 混流式风机三维模型的建立本文所研究的 SWF 型号混流式风机的构成主要包括转子、壳体、导叶、电机等部件。将叶轮焊接在有子午加速特点的扭曲平板上。再经过动平衡校核实验的分析过程，得出其具有很好的气体动力特性。机体外壳采用圆形，在出口处设有导叶，通过导叶的扩压和导流作用可以使得气体在流动的过程中稳定高的压强，同时还能够使其保持良好的气流分布状态。本文运用 Solidworks 三维建模软件进行混流风机的建模，Solidworks 有强大的三维建模技术，并且在曲面造型方面的能力也很突出，外径 400mm，风压可达285Pa，风量可达 4512m3/h，叶片数 6，导叶数 15。创建整个流道的三维物理模型，对进出口区域进行加长处理，入口区域的长度为 4 倍风机的直径，出口区域的长度为 6 倍风机的直径[51]。具体如图 3、图 4、图 5 所示。

【参考文献】