【文章內(nèi)容簡介】 到提高。與以往的 普通 紡織軸流通風(fēng)機 相比，新型 紡織軸流通風(fēng)機 的效率明顯得到了提高， 同時新型 紡織軸流通風(fēng)機 的噪聲也相應(yīng)得到了提高， 另外改進后的 紡織軸流 風(fēng)機變得更加輕便。 周帆 等人 [15]對 T40 軸流風(fēng)機 的輪轂比進行了改變，并建立了 6 種不同輪轂比的T40 軸流風(fēng)機 的數(shù)值模型，這 6 種輪轂比分別為 、 、 、 、 和 。 Fluent 計算結(jié)果表明， 在設(shè)計工況下該 風(fēng)機的效率會隨著輪轂比的降低而降低。 當輪轂比為 時，該風(fēng)機的效率將達到最高。而當輪轂比為 時，該風(fēng)機的效率會最低。 同時該文 章還 指出了葉片承受載荷的部位 ，其 為葉片的扭曲軸線上和該風(fēng)機的葉頂上。 由此可見， 以上文獻 均 分析了軸流風(fēng)機中某一 個 設(shè)計要素對其性能的影響，并沒有分析軸流風(fēng)機的各設(shè)計要素對其性能的影響。 針對上述情況，本文基于目前效率偏低的 T35 軸流風(fēng)機 ， 利用工程設(shè)計經(jīng)驗 、 現(xiàn)代 風(fēng)機 設(shè)計方法 以及 已經(jīng)開發(fā)的風(fēng)機氣動設(shè)計程序 對其進行 了 整機數(shù)值模擬和性能優(yōu)化 ， 結(jié)果 得到了性能明顯改進的新 T35軸流風(fēng)機 。 本文最后研究了優(yōu)化后風(fēng)機的 幾個重要設(shè)計要素對 其 性能的影響 ， 這些設(shè)內(nèi)蒙古 工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 計要素包括 輪轂比、 流型系數(shù) 、葉片前傾和葉片前掠 。 CFD 的理論基礎(chǔ) Fluent的軟件介紹 數(shù)值建模中常用的軟件有 Fluent、 Tecplot 和 Solidworks 等 ，其中 Fluent 軟件可以模擬各種物理過程中存在的復(fù)雜流動，另外 Fluent 的 前處理器 Gambit 軟件可以進行數(shù)值 建模 ，網(wǎng)格劃分 以及 邊界 條件 的設(shè)置，同時 Fluent 的 后處理還可以監(jiān)測數(shù)值模型的云圖、流場和 速度場 ?？梢哉f Fluent 后處理器有豐富 的后處理功能 ， 這樣 該軟件得到了較廣泛的應(yīng)用，一般情況下 Fluent 軟件包括三部分 [16]： （ 1） 前處理： Fluent 中 常用的前處理軟件 包括 Gambit、 CAD 和 Solidworks 等 。其中 Gambit 軟件的主要功能是 去建立與實際 相匹配的數(shù)值模型，并且對建立的模型進行網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置。 若 要建的幾何模型比較復(fù)雜，可以先用 CAD 和Solidworks 軟件 進行建模，再將其導(dǎo)入 Gambit 軟件 中，最后利用 Fluent 軟件進行 相應(yīng)的計算。 （ 2） 求解器： 其主要功能是為導(dǎo)入到 Fluent 軟件 中 的模型提供相應(yīng)的求解器。為了與實際 物理過程 相符， 需要對導(dǎo)入的模型進行材料 屬性 的設(shè)置 ，并且針對不同的模型相應(yīng)進行 不同的 邊界設(shè)置，另外根據(jù)計算 的 需要去設(shè)置檢測面，最后進行 迭代求解計算。 （ 3）后處理： 其作用是對 Fluent 的計算 結(jié)果進行流場和云圖的觀測，因 Fluent軟件有比較強大的后處理功能，其可以直接進行速度場、流場和云圖的檢測，另外還可以通過 Tecplot 等軟件對該模型進行后處理。 CFD 的求解步驟 圖 11 可以直觀的看出求解 CFD 問題的一般步驟，對于具體的問題進行數(shù)值計算之前，首先要對待解的物理問題建立 相應(yīng)的 控制方程， 并且通過設(shè)置初始條件和邊界條件來得到計算的唯一解 [17][18]。其次為了與實際相符，需要建立相應(yīng)的計算區(qū)域，另外 要對 計算 區(qū)域進行網(wǎng)格劃分， 同時要 確定每個子區(qū)域上的節(jié)點。然后在計算域 的網(wǎng)格上將 已 建好的控制方程進行離散， 離散時根據(jù)所要的計算精度去選擇相應(yīng)的離散格式， 這樣就將原控制方程 轉(zhuǎn)變成 變成對應(yīng)節(jié)點的代數(shù)方程 組 。 離散后的方程可以采用兩大求解法進行求解，這兩大求解法分別為顯式求解法和隱式求解法。為了與實際物理 問題相符 ，離散方程中的條件設(shè)置必須與實際物理條件相一致， 而且 離散方程需第一章 緒論 5 要給定求解控制參數(shù)進行求解。 如果計算解收斂，可以直接輸出計算結(jié)果 。 如果不收斂，就需要調(diào)整網(wǎng)格、邊界條件 和 其它計算參數(shù)設(shè)置， 最后 重新進行計算。 圖 11 CFD 工作流程圖 CFD work flow chart CFD 的思想及方法 CFD 是通過計算技術(shù)來解決實際的物理問題，并且針對 Fluent 計算結(jié)果去得到相 應(yīng)的流動規(guī)律 [19]。在 Fluent 計算之前，要先對 計算 流體區(qū)域進行離散處理，用離散后的 節(jié)點值去代替空間域上物 理量的場。根據(jù)原理將離散方法分為 有限差分法、有限元法 和 有限體積法 等。與有限差分法和有限元法相比，有限體積法的計算速度 更 快，因此其成為了 CFD 常用的離散方法。 所謂有限體積法就是將所要計算的流體區(qū)域進行劃分，這樣就將計算流體區(qū)域轉(zhuǎn)化為一系列不重疊的小控制體積，另外要求每個網(wǎng)格點周圍都必須要有一個控制體 ， 每個 節(jié)點代表了對應(yīng)的控制體 。最后在 每個控制體上 將待解的控制方程做積分處理且 導(dǎo)出 對應(yīng)的離散方程，最后求解導(dǎo)出的離散方程，內(nèi)蒙古 工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 這樣就 可以 得到了與實際物理模型相符合的解。 隨著 計算機速度、內(nèi)存和效率 的 提升， 計算流體力學(xué)即 CFD 也不斷發(fā)展 ， 利用CFD 進行數(shù)值模擬能夠較準確地獲得真實流場的信息， 而且 通過后處理軟件還可以得到數(shù)值模型的速度場和云圖，這些都 為 風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計奠定了有利的條件。 1998年清華大學(xué) 朱之墀等 成功地將 CFD 應(yīng)用到了離心風(fēng)機的設(shè)計中，同時也提出了現(xiàn)代風(fēng)機氣動設(shè)計方法，另外 邊曉東 博士又對現(xiàn)代風(fēng)機氣動設(shè)計方法進行了完善。 該方法在開發(fā)性能良好的 735 風(fēng)機系列中獲得了成功，后來 此方法 又在其它離心和軸流風(fēng)機的開發(fā)中應(yīng)用成功 [20]，可以說它將改進的工程設(shè)計、 CFD 數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗 有機的結(jié)合起來。 現(xiàn)代風(fēng)機氣動設(shè)計方法的工 作流程 如圖 12 所示 ，其具體的實施 步驟是先 利用現(xiàn)代設(shè)計方法進行風(fēng)機的氣動設(shè)計，然后進行相應(yīng)的數(shù)值建模、 Fluent 計算以及進行 Fluent 后處理， 同時 將建好的模型進行優(yōu)化設(shè)計， 最后通過現(xiàn)場測試來 驗證該設(shè)計 方案 。 可見該設(shè)計方法不僅 可以減少風(fēng)機 的 設(shè)計時間，同時 也 節(jié)約了風(fēng)機設(shè)計時的成本。 圖 12 現(xiàn)代設(shè)計方法 的工作流程 Working process of modern design method 本文的 研究內(nèi)容及 技術(shù)路線 基于目前 T35 軸流風(fēng)機效率偏低的現(xiàn)狀， 本文 進行了 新 T35 軸流 風(fēng)機的開發(fā)，并且 利用工程設(shè)計經(jīng)驗 、 風(fēng)機現(xiàn)代設(shè)計方法 和 已 有的 軸流風(fēng)機氣動設(shè)計程序 對其進行了 整機數(shù)值模擬和性能優(yōu)化， 結(jié)果 得 到 了 性能明顯改 善 的新 T35 軸流風(fēng)機， 同時分析了 優(yōu)化后 T35 軸流風(fēng)機 的設(shè)計要素對其的性能影響，具體的研究工作如下 ： （ 1） 對已有的 T35 軸流風(fēng)機 進行 了 整機數(shù)值建模，并且將該 數(shù)值建模 的計算結(jié)果與廠家 的 實測數(shù)據(jù)進行 了 比較。 （ 2） 用已有的氣動設(shè)計程序和數(shù)值成型方法來近似模擬 T35 風(fēng)機的葉片各截面第一章 緒論 7 型線和葉弦 幾何角，并 預(yù)估了該數(shù)值建模的 全壓和效率 ， 這樣 可以 保證 數(shù)值 計算 結(jié)果能 與 現(xiàn)有 T35 風(fēng)機的性能 一致。 最后 適當調(diào)整 了 T35 軸流風(fēng)機的設(shè)計參數(shù)， 經(jīng)過對比 將性能較好的 T35 軸流風(fēng)機作為新 T35 軸流風(fēng)機 的設(shè)計雛形。 （ 3）通過改變新 T35 軸流風(fēng)機的設(shè)計要素去計算該風(fēng)機的 全 壓 和效率，這些設(shè)計要素包括輪轂比 、 流型系數(shù)、葉片前傾、葉片前掠，同時分析了不同設(shè)計要素對新T35 軸流風(fēng)機的性能影響， 最后 通過分析綜合得到了性能明顯改 善 的 新 T35 軸流風(fēng)機樣機。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 第二章 軸流風(fēng)機的氣動設(shè)計及數(shù)值模擬 本文的目標是研究 T35 軸流風(fēng)機的設(shè)計要素對其性能的影響，為了很好的分析各設(shè)計要素的影響，需要了解軸流風(fēng)機的基本概念和氣動設(shè)計。作為基礎(chǔ) 性的研究工作，本章首先敘述軸流風(fēng)機的數(shù)值模擬，著重介紹軸流風(fēng)機幾何模型的建立、網(wǎng)格的劃分、邊界條件的設(shè)置、計算域的簡化、模擬結(jié)果的收斂標準以及數(shù)值結(jié)果的處理方法等。然后 本章 將進一步討論 不同數(shù)值建模、風(fēng)機靜壓及邊界設(shè)置對 軸流 風(fēng)機性能的影響，從而 為下一章討論新 T35 軸流 風(fēng)機的設(shè)計要素對其性能的影響 奠定了基礎(chǔ) 。 軸流風(fēng)機簡介 按照氣流的進出方式不同，可將通風(fēng)機分為離心風(fēng)機、斜流風(fēng)機和軸流風(fēng)機， 在軸流風(fēng)機中氣流是軸向進入并且軸向流出。軸流風(fēng)機的工作流程是氣流經(jīng)過進風(fēng)口進入到風(fēng)機中，通過軸流風(fēng)機的導(dǎo)葉獲得預(yù) 旋，然后通過軸流風(fēng)機 的 動葉獲得能量，最后經(jīng)過出口延伸區(qū)將氣流的周向動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，同時氣流的軸流速度也變得均勻。 與離心風(fēng)機相比， 低壓 軸流風(fēng)機的 風(fēng)機壓力 較低，其 壓力 一般低 于 490 Pa，但其流量比離心風(fēng)機的流量大 ， 軸流風(fēng)機一般采用單級結(jié)構(gòu) [21]。如圖 21 所示，軸 流風(fēng)機一般由整流罩、前導(dǎo)葉、葉輪、外筒和擴散筒組成，其中葉輪和前導(dǎo)葉組成了該風(fēng)機的級，下面詳細介紹軸流風(fēng)機每一個組成部件的作用。 1整流罩 2前 導(dǎo)葉 3葉輪 4外筒 5擴散筒 圖 21 軸流通風(fēng)機示意圖 The schematic diagram of axial flow fan （ 1）整流罩：為了改善軸 流風(fēng)機的進氣條件，需要在軸流風(fēng)機葉輪或前導(dǎo)葉之第二章 軸流風(fēng)機的氣動設(shè)計 及 數(shù)值 模擬 9 前安裝整流罩。實踐證明安裝整流罩 可提高 風(fēng)機全壓和全壓效率，同時軸流風(fēng)機的噪聲也得到降低 。 一般整流罩為半球或半橢球形。 （ 2） 導(dǎo)葉： 分前導(dǎo)葉和后導(dǎo)葉兩大類。前導(dǎo)葉 可以使氣流有預(yù)旋地進入葉輪，這樣就可以使軸流風(fēng)機的一部分軸向氣流轉(zhuǎn)變?yōu)橹芟驓饬?，通過這種轉(zhuǎn)變 可 提高軸流風(fēng)機的靜壓。與軸流風(fēng)機的前導(dǎo)葉對比，后導(dǎo)葉可以使軸流風(fēng)機的一部分周向 動壓 轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)機靜壓，另外通過安裝后導(dǎo)葉也可以降低 氣流與外筒之間的摩擦損失。 （ 3）葉輪 ： 主要功能是通過葉輪旋轉(zhuǎn)對氣流做功，使得氣流獲得能量，其中葉輪由輪轂和動葉組成，通常動葉是焊接在輪轂上。軸流風(fēng)機的動葉通常從葉根到葉頂是扭曲狀的，其分為 機翼 型 和 圓弧板 型 等 。 （ 4） 外筒： 包覆在 軸流風(fēng)機的葉輪外面，可以起到收集和導(dǎo)向氣流的作用。 （ 5）擴壓 筒： 作用是將 軸流風(fēng)機中一部分 氣流 的軸流 動壓 轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)機靜壓，同時也可以減少出口氣流的擴散損失。 軸流風(fēng)機的 氣動設(shè)計 傳統(tǒng) 軸流風(fēng)機的氣動設(shè)計 大多 采用二維理想流動理論 ， 并伴有一些經(jīng)驗公式和 氣動設(shè)計 參數(shù) [22]。核心 方程 是由 二維理想流動 假定的 連續(xù)方程 和 動量方程 導(dǎo)出的 流型方程即 式（ 21） ， 氣動設(shè)計參數(shù)包括由風(fēng)洞 實 驗 得到的葉型升力和阻力系數(shù)以及考慮粘性修正的葉型流動效率等。 流型方程中的流型系數(shù)對 軸流風(fēng)機 的 性能影響很大， 傳統(tǒng)設(shè)計時軸流風(fēng)機采用自由渦設(shè)計即流型系數(shù) ? =1，近年來軸流風(fēng)機采用可控渦設(shè)計即? ≠ 1。 另外傳統(tǒng)設(shè)計時軸流風(fēng)機要采用葉片徑向堆積成型技術(shù)，而現(xiàn)在設(shè)計軸流風(fēng)機時一般采用葉片非徑向堆積技術(shù) 。 ConstrCu ?? （ 21） 式中： uC —— 周向速度， m/s； C —— 絕對速度， m/s； r —— 半徑， m； u —— 速度的周向分量； ? —— 流型系數(shù) 。 （ 1）流型 系數(shù)的選取 若軸流風(fēng)機采用合適的流型系數(shù)進行設(shè)計，那么其可以最大限度地利用電機輸入的功率，還可以將 電機 輸 入功率最大限度地轉(zhuǎn)化為軸流風(fēng)機的氣動功，這樣也就使得軸流風(fēng)機的風(fēng)機出口動能即式 （ 22） 減少到了最小。因為風(fēng)機出口動能達到最小時內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 要滿足流型方程即 ConstrCu ?? ，所以本文采用滿足 ConstrCu ?? 的流型系數(shù)進行T35 軸流風(fēng)機的葉片設(shè)計 [23]。 ? ?? ?? CC zu / 22? （ 22） 式中： ? —— 空氣的密度 ， kg/m3； zC —— 軸向速度， m/s； z —— 速度的軸向分量 ； Q —— 風(fēng)量， m3/h。 （ 2）參數(shù)選取 氣動設(shè)計參數(shù)是根據(jù) 軸流 風(fēng)機的工作要求而 給定 的工況參數(shù)，包括全壓 H 、 風(fēng)量 Q 、 葉輪直徑 tD 、轉(zhuǎn)速 n 以及氣體密度 ? 等。 另外 具體設(shè)計時還需 要 選取的 參數(shù) 是輪轂比 ? 、流型系數(shù) ? 、弦長與葉型曲率半徑之比 RB/ 、效率曲線 ? 和升力系數(shù)曲線yC 。 根據(jù)以上選取的參數(shù)利用下面的計算公式去得到葉片的幾何參數(shù)，這些幾何參數(shù)包括 拱高 f 、弦長 B 、葉型半徑 R 和安裝角 A? 等。 （ 3）主要計算公式 1． 圓周速度 和 壓力系數(shù) 的表達式 分別 如 式 （ 23）和（ 24） 所示 ： 60/nDu tt ?? （ 23） 式中 ： tD —— 葉輪直徑， m； t —— 葉頂（ 葉 片 最大半徑 處 ） ； n —— 轉(zhuǎn)速 ， rpm； u —— 圓周速度， m/s； tu —— 葉 頂 圓周速度，