轴流风机设计要素对性能影响的数值研究硕士学位论文(编辑修改稿)

轴流风机设计要素对性能影响的数值研究硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

到提高。 与以往的 普通 纺织轴流通风机 相比，新型 纺织轴流通风机 的效率明显得到了提高， 同时新型 纺织轴流通风机 的噪声也相应得到了提高， 另外改进后的 纺织轴流 风机变得更加轻便。 周帆 等人 [15]对 T40 轴流风机 的轮毂比进行了改变，并建立了 6 种不同轮毂比的T40 轴流风机 的数值模型，这 6 种轮毂比分别为 、 、 、 、 和。 Fluent 计算结果表明， 在设计工况下该 风机的效率会随着轮毂比的降低而降低。 当轮毂比为 时，该风机的效率将达到最高。 而当轮毂比为 时，该风机的效率会最低。 同时该文 章还 指出了叶片承受载荷的部位 ，其 为叶片的扭曲轴线上和该风机的叶顶上。 由此可见， 以上文献 均 分析了轴流风机中某一 个 设计要素对其性能的影响，并没有分析轴流风机的各设计要素对其性能的影响。 针对上述情况，本文基于目前效率偏低的 T35 轴流风机 ， 利用工程设计经验 、 现代 风机 设计方法 以及 已经开发的风机气动设计程序 对其进行 了 整机数值模拟和性能优化 ， 结果 得到了性能明显改进的新 T35轴流风机。 本文最后研究了优化后风机的 几个重要设计要素对 其 性能的影响 ， 这些设内蒙古 工业大学硕士学位论文 4 计要素包括 轮毂比、 流型系数 、叶片前倾和叶片前掠。 CFD 的理论基础 Fluent的软件介绍 数值建模中常用的软件有 Fluent、 Tecplot 和 Solidworks 等 ，其中 Fluent 软件可以模拟各种物理过程中存在的复杂流动，另外 Fluent 的 前处理器 Gambit 软件可以进行数值 建模 ，网格划分 以及 边界 条件 的设置，同时 Fluent 的 后处理还可以监测数值模型的云图、流场和 速度场。 可以说 Fluent 后处理器有丰富 的后处理功能 ， 这样 该软件得到了较广泛的应用，一般情况下 Fluent 软件包括三部分 [16]： （ 1） 前处理： Fluent 中 常用的前处理软件 包括 Gambit、 CAD 和 Solidworks 等。 其中 Gambit 软件的主要功能是 去建立与实际 相匹配的数值模型，并且对建立的模型进行网格划分和边界条件的设置。 若 要建的几何模型比较复杂，可以先用 CAD 和Solidworks 软件 进行建模，再将其导入 Gambit 软件 中，最后利用 Fluent 软件进行 相应的计算。 （ 2） 求解器： 其主要功能是为导入到 Fluent 软件 中 的模型提供相应的求解器。 为了与实际 物理过程 相符， 需要对导入的模型进行材料 属性 的设置 ，并且针对不同的模型相应进行 不同的 边界设置，另外根据计算 的 需要去设置检测面，最后进行 迭代求解计算。 （ 3）后处理： 其作用是对 Fluent 的计算 结果进行流场和云图的观测，因 Fluent软件有比较强大的后处理功能，其可以直接进行速度场、流场和云图的检测，另外还可以通过 Tecplot 等软件对该模型进行后处理。 CFD 的求解步骤 图 11 可以直观的看出求解 CFD 问题的一般步骤，对于具体的问题进行数值计算之前，首先要对待解的物理问题建立 相应的 控制方程， 并且通过设置初始条件和边界条件来得到计算的唯一解 [17][18]。 其次为了与实际相符，需要建立相应的计算区域，另外 要对 计算 区域进行网格划分， 同时要 确定每个子区域上的节点。 然后在计算域 的网格上将 已 建好的控制方程进行离散， 离散时根据所要的计算精度去选择相应的离散格式， 这样就将原控制方程 转变成 变成对应节点的代数方程 组。 离散后的方程可以采用两大求解法进行求解，这两大求解法分别为显式求解法和隐式求解法。 为了与实际物理 问题相符 ，离散方程中的条件设置必须与实际物理条件相一致， 而且 离散方程需第一章 绪论 5 要给定求解控制参数进行求解。 如果计算解收敛，可以直接输出计算结果。 如果不收敛，就需要调整网格、边界条件 和 其它计算参数设置， 最后 重新进行计算。 图 11 CFD 工作流程图 CFD work flow chart CFD 的思想及方法 CFD 是通过计算技术来解决实际的物理问题，并且针对 Fluent 计算结果去得到相 应的流动规律 [19]。 在 Fluent 计算之前，要先对 计算 流体区域进行离散处理，用离散后的 节点值去代替空间域上物 理量的场。 根据原理将离散方法分为 有限差分法、有限元法 和 有限体积法 等。 与有限差分法和有限元法相比，有限体积法的计算速度 更 快，因此其成为了 CFD 常用的离散方法。 所谓有限体积法就是将所要计算的流体区域进行划分，这样就将计算流体区域转化为一系列不重叠的小控制体积，另外要求每个网格点周围都必须要有一个控制体 ， 每个 节点代表了对应的控制体。 最后在 每个控制体上 将待解的控制方程做积分处理且 导出 对应的离散方程，最后求解导出的离散方程，内蒙古 工业大学硕士学位论文 6 这样就 可以 得到了与实际物理模型相符合的解。 随着 计算机速度、内存和效率 的 提升， 计算流体力学即 CFD 也不断发展 ， 利用CFD 进行数值模拟能够较准确地获得真实流场的信息， 而且 通过后处理软件还可以得到数值模型的速度场和云图，这些都 为 风机的优化设计奠定了有利的条件。 1998年清华大学 朱之墀等 成功地将 CFD 应用到了离心风机的设计中，同时也提出了现代风机气动设计方法，另外 边晓东 博士又对现代风机气动设计方法进行了完善。 该方法在开发性能良好的 735 风机系列中获得了成功，后来 此方法 又在其它离心和轴流风机的开发中应用成功 [20]，可以说它将改进的工程设计、 CFD 数值模拟和现场实验 有机的结合起来。 现代风机气动设计方法的工 作流程 如图 12 所示 ，其具体的实施 步骤是先 利用现代设计方法进行风机的气动设计，然后进行相应的数值建模、 Fluent 计算以及进行 Fluent 后处理， 同时 将建好的模型进行优化设计， 最后通过现场测试来 验证该设计 方案。 可见该设计方法不仅 可以减少风机 的 设计时间，同时 也 节约了风机设计时的成本。 图 12 现代设计方法 的工作流程 Working process of modern design method 本文的 研究内容及 技术路线 基于目前 T35 轴流风机效率偏低的现状， 本文 进行了 新 T35 轴流 风机的开发，并且 利用工程设计经验 、 风机现代设计方法 和 已 有的 轴流风机气动设计程序 对其进行了 整机数值模拟和性能优化， 结果 得 到 了 性能明显改 善 的新 T35 轴流风机， 同时分析了 优化后 T35 轴流风机 的设计要素对其的性能影响，具体的研究工作如下 ： （ 1） 对已有的 T35 轴流风机 进行 了 整机数值建模，并且将该 数值建模 的计算结果与厂家 的 实测数据进行 了 比较。 （ 2） 用已有的气动设计程序和数值成型方法来近似模拟 T35 风机的叶片各截面第一章 绪论 7 型线和叶弦 几何角，并 预估了该数值建模的 全压和效率 ， 这样 可以 保证 数值 计算 结果能 与 现有 T35 风机的性能 一致。 最后 适当调整 了 T35 轴流风机的设计参数， 经过对比 将性能较好的 T35 轴流风机作为新 T35 轴流风机 的设计雏形。 （ 3）通过改变新 T35 轴流风机的设计要素去计算该风机的 全 压 和效率，这些设计要素包括轮毂比 、 流型系数、叶片前倾、叶片前掠，同时分析了不同设计要素对新T35 轴流风机的性能影响， 最后 通过分析综合得到了性能明显改 善 的 新 T35 轴流风机样机。 内蒙古工业大学硕士学位论文 8 第二章 轴流风机的气动设计及数值模拟 本文的目标是研究 T35 轴流风机的设计要素对其性能的影响，为了很好的分析各设计要素的影响，需要了解轴流风机的基本概念和气动设计。 作为基础 性的研究工作，本章首先叙述轴流风机的数值模拟，着重介绍轴流风机几何模型的建立、网格的划分、边界条件的设置、计算域的简化、模拟结果的收敛标准以及数值结果的处理方法等。 然后 本章 将进一步讨论 不同数值建模、风机静压及边界设置对 轴流 风机性能的影响，从而 为下一章讨论新 T35 轴流 风机的设计要素对其性能的影响 奠定了基础。 轴流风机简介 按照气流的进出方式不同，可将通风机分为离心风机、斜流风机和轴流风机， 在轴流风机中气流是轴向进入并且轴向流出。 轴流风机的工作流程是气流经过进风口进入到风机中，通过轴流风机的导叶获得预 旋，然后通过轴流风机 的 动叶获得能量，最后经过出口延伸区将气流的周向动能转化为静压能，同时气流的轴流速度也变得均匀。 与离心风机相比， 低压 轴流风机的 风机压力 较低，其 压力 一般低 于 490 Pa，但其流量比离心风机的流量大 ， 轴流风机一般采用单级结构 [21]。 如图 21 所示，轴 流风机一般由整流罩、前导叶、叶轮、外筒和扩散筒组成，其中叶轮和前导叶组成了该风机的级，下面详细介绍轴流风机每一个组成部件的作用。 1整流罩 2前 导叶 3叶轮 4外筒 5扩散筒 图 21 轴流通风机示意图 The schematic diagram of axial flow fan （ 1）整流罩：为了改善轴 流风机的进气条件，需要在轴流风机叶轮或前导叶之第二章 轴流风机的气动设计 及 数值 模拟 9 前安装整流罩。 实践证明安装整流罩 可提高 风机全压和全压效率，同时轴流风机的噪声也得到降低。 一般整流罩为半球或半椭球形。 （ 2） 导叶： 分前导叶和后导叶两大类。 前导叶 可以使气流有预旋地进入叶轮，这样就可以使轴流风机的一部分轴向气流转变为周向气流，通过这种转变 可 提高轴流风机的静压。 与轴流风机的前导叶对比，后导叶可以使轴流风机的一部分周向 动压 转变为风机静压，另外通过安装后导叶也可以降低 气流与外筒之间的摩擦损失。 （ 3）叶轮 ： 主要功能是通过叶轮旋转对气流做功，使得气流获得能量，其中叶轮由轮毂和动叶组成，通常动叶是焊接在轮毂上。 轴流风机的动叶通常从叶根到叶顶是扭曲状的，其分为 机翼 型 和 圆弧板 型 等。 （ 4） 外筒： 包覆在 轴流风机的叶轮外面，可以起到收集和导向气流的作用。 （ 5）扩压 筒： 作用是将 轴流风机中一部分 气流 的轴流 动压 转变为风机静压，同时也可以减少出口气流的扩散损失。 轴流风机的 气动设计 传统 轴流风机的气动设计 大多 采用二维理想流动理论 ， 并伴有一些经验公式和 气动设计 参数 [22]。 核心 方程 是由 二维理想流动 假定的 连续方程 和 动量方程 导出的 流型方程即 式（ 21） ， 气动设计参数包括由风洞 实 验 得到的叶型升力和阻力系数以及考虑粘性修正的叶型流动效率等。 流型方程中的流型系数对 轴流风机 的 性能影响很大， 传统设计时轴流风机采用自由涡设计即流型系数  =1，近年来轴流风机采用可控涡设计即 ≠ 1。 另外传统设计时轴流风机要采用叶片径向堆积成型技术，而现在设计轴流风机时一般采用叶片非径向堆积技术。 ConstrCu  （ 21） 式中： uC —— 周向速度， m/s； C —— 绝对速度， m/s； r —— 半径， m； u —— 速度的周向分量；  —— 流型系数。 （ 1）流型 系数的选取 若轴流风机采用合适的流型系数进行设计，那么其可以最大限度地利用电机输入的功率，还可以将 电机 输 入功率最大限度地转化为轴流风机的气动功，这样也就使得轴流风机的风机出口动能即式 （ 22） 减少到了最小。 因为风机出口动能达到最小时内蒙古工业大学硕士学位论文 10 要满足流型方程即 ConstrCu  ，所以本文采用满足 ConstrCu  的流型系数进行T35 轴流风机的叶片设计 [23]。    CC zu / 22 （ 22） 式中：  —— 空气的密度 ， kg/m3； zC —— 轴向速度， m/s； z —— 速度的轴向分量 ； Q —— 风量， m3/h。 （ 2）参数选取 气动设计参数是根据 轴流 风机的工作要求而 给定 的工况参数，包括全压 H 、 风量 Q 、 叶轮直径 tD 、转速 n 以及气体密度  等。 另外 具体设计时还需 要 选取的 参数 是轮毂比  、流型系数  、弦长与叶型曲率半径之比 RB/ 、效率曲线  和升力系数曲线yC。 根据以上选取的参数利用下面的计算公式去得到叶片的几何参数，这些几何参数包括 拱高 f 、弦长 B 、叶型半径 R 和安装角 A 等。 （ 3）主要计算公式 1． 圆周速度 和 压力系数 的表达式 分别 如 式 （ 23）和（ 24） 所示 ： 60/nDu tt  （ 23） 式中 ： tD —— 叶轮直径， m； t —— 叶顶（ 叶 片 最大半径 处 ） ； n —— 转速 ， rpm； u —— 圆周速度， m/s； tu —— 叶 顶 圆周速度，。