【導(dǎo)讀】除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說。段保存、匯編學(xué)位論文。為保護(hù)學(xué)校和導(dǎo)師的知識產(chǎn)權(quán)，作者畢業(yè)后涉及該學(xué)位論文。意，并且版權(quán)單位必須署名為內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)方可投稿或公開發(fā)表。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。重點關(guān)注的領(lǐng)域。T35型軸流通風(fēng)機(jī)是我國使用了多年的通風(fēng)換氣產(chǎn)品，其應(yīng)用范圍。也很廣，但現(xiàn)有的T35風(fēng)機(jī)效率還偏低。基于目前T35軸流風(fēng)機(jī)效率偏低的現(xiàn)狀，本。計要素對其性能的影響。靜壓后處理以及不同邊界條件設(shè)置下的性能計算結(jié)果的差異。通過網(wǎng)格試驗得到。著葉片前傾角的增大，風(fēng)機(jī)全壓和風(fēng)機(jī)效率均會減小。的增大先微減小后增大而后減小，風(fēng)機(jī)效率會隨著葉片前掠角的增大而波動性遞增。數(shù)為，不適宜采用前傾，應(yīng)該采用的是前掠。該設(shè)計方案下T35軸流風(fēng)機(jī)的性能比。舊T35軸流風(fēng)機(jī)的性能要好，其風(fēng)機(jī)全壓增加了Pa，風(fēng)機(jī)的效率提高了%。

　　

【正文】 。 圖 29 邊界條件示意圖 Schematic diagram of the boundary conditions 表 21 邊界條件設(shè) 置 Table 21 The setting of the boundary conditions 數(shù)值 模擬的收斂 判據(jù) 判斷數(shù)值計算是否收斂通常只看其殘差是否小于 某一個值 ，但研究發(fā)現(xiàn)若風(fēng)機(jī)的邊界條件的名稱 邊界類型 進(jìn)口（ inlet） massflowinlet 風(fēng)機(jī)進(jìn)口（ fanin） interior 葉輪進(jìn)口（ impellerin） interior 葉片（ blades） wall 輪轂（ hub） wall 整流罩（ axis） wall 葉輪出口（ impellerout） interior 風(fēng)機(jī)出口（ fanout） interior 靜壓監(jiān)測壁面（ Static pressuremonitor） wall 出口（ outlet） pressureoutlet 第二章 軸流風(fēng)機(jī)的氣動設(shè)計 及 數(shù)值 模擬 19 性能和工況不同，那么對應(yīng)風(fēng)機(jī)的收斂標(biāo)準(zhǔn)也是不一樣的。因為數(shù)值計算是否收斂影響到了 計算結(jié)果和計算精度 ，這樣就需要準(zhǔn)確 地去判斷風(fēng)機(jī) 流場計算 的收斂性。通過長期的風(fēng)機(jī)數(shù)值計算，本文對于風(fēng)機(jī)的不同情況給出了對應(yīng)的收斂判據(jù)。 在性能 較差 風(fēng)機(jī) 的 設(shè)計工況 以及性能較好風(fēng)機(jī)的非設(shè)計工況下，不能用方程的 殘差 小于某一值 作為 收斂 判據(jù) 。因為這兩種情況下風(fēng)機(jī)流場中的漩渦 會使連續(xù) 性 方程和湍能耗散率方程 中 的殘差不僅大而且波動也較大， 同時 也會使軸功率系數(shù)和 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口總 壓值發(fā)生波動。 在 性能 較好 風(fēng)機(jī)的設(shè)計工況 下 ，計算的時間步數(shù)為 4000~5000 時，要求 Fluent監(jiān)測的 6 個方程殘差均小于 104， 這 6 個方程分別為連續(xù)性方程、 x， y， z 三個方向的 動量方程以 及 湍流模式 方程 。同時 計算的時間步數(shù)為 5000~5500 時，要求監(jiān)測的 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口總壓 和軸功率系數(shù)幾乎保持不變，其波動小于 1%。 在 性能 較差風(fēng)機(jī)的設(shè)計工況和性能較好 風(fēng)機(jī)的非設(shè)計工況 下 ，計算的時間步數(shù)為4000~5000 時， 要求 Fluent 監(jiān)測的 連續(xù) 性方程和 湍能耗散率方程 的 殘差 均小于 103，同時 x， y， z 三個方向的 動量 方程 以及 湍能方程 的殘差也要小于 104。最后在 時間步數(shù)為 5000~5500 時 ，要求監(jiān)測的 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口總壓 和軸功率系數(shù) 波動 小于 1%~3%。如果不能達(dá)到要求，則要 調(diào)整 松弛因子 繼續(xù) 進(jìn)行 迭代計算。 圖 210 為新 T35 軸流風(fēng)機(jī)數(shù)值計算的殘差曲線。從圖中可見，此數(shù)值計算迭代到 4000 步時 Fluent 監(jiān)測的 6 個方程殘差均小于 104，而且在 4000~4500 步之間時監(jiān)測的 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口總壓、軸功率系數(shù) 和扭矩系數(shù)的波動范圍均很小，所以對于此 T35軸流 風(fēng)機(jī) 的數(shù)值計算 迭代到 4500 步時計算就可以結(jié)束。 圖 210 殘差變化曲線 Residual changing curves 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 主要參數(shù)計算 若軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值計算已經(jīng)收斂，則可以根據(jù) Fluent 監(jiān)測的各計算面的總壓和靜壓來計算出風(fēng)機(jī)全壓和全壓效率 等，圖 211 給出了新 T35 軸流風(fēng)機(jī)的計算面，相關(guān)的計算公式可見式 222～ 式 232 所示。 圖 211 全壓和靜壓的計算圖 Calculation chart of total pressure and static pressure 全壓和靜壓的計算 （ 1） 全壓：定義是風(fēng)機(jī)出口截面的總壓值 2H 與風(fēng)機(jī)進(jìn)口截面的總壓 值 1H 之差，其相關(guān)的計算式如下 式 所示 [34]： 12 HHH ?? （ 222） 式中： H —— 風(fēng)機(jī)全壓 ， Pa； 1H —— 風(fēng)機(jī)進(jìn)口截面的總 壓， Pa； 2H —— 風(fēng)機(jī) 出 口截面的總 壓， Pa； 1111 fds hHHH ???? （ 223） 式中： 1SH —— 進(jìn)口 靜壓， Pa； 1dH —— 進(jìn)口 動壓 ， Pa； 1fh?—— 風(fēng)機(jī)進(jìn)口的沿程損失 ， Pa； 其中 風(fēng)機(jī)進(jìn)口靜壓監(jiān) 截面為距 風(fēng)機(jī) 進(jìn)口 3d 處的外圍圓環(huán)壁面，圓環(huán)寬度是10mm。 將此圓環(huán) 4 等分， 4 個環(huán)面靜壓的均值 即為進(jìn)口靜壓 1SH ， 4 個環(huán)面 的 靜壓 值均 可以通過 Fluent 監(jiān)測得到。 第二章 軸流風(fēng)機(jī)的氣動設(shè)計 及 數(shù)值 模擬 21 軸流 風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的計算軸向動壓 1dH 的計算公式為 ： 211 )(21 AQH d ?? （ 224） 式中： Q —— 風(fēng)量， m3/h； 1A —— 風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道的截面面積 ， m2； 管道 進(jìn)口 阻力損失1fh?可表示為： 121 21 df HdlAQdlh ??? ????????? （ 225） 式中： ? —— 沿 程損失系數(shù) ； d —— 風(fēng)機(jī) 進(jìn)口 管道直徑， m； l —— 測靜壓 點距 風(fēng)機(jī) 進(jìn)口的長度 ， m； 222 ds HHH ?? （ 226） 式中： 2SH —— 出 口 靜壓， Pa； 2dH —— 出 口 動壓， Pa； 其中 風(fēng)機(jī)出口靜壓監(jiān)測 面 是 風(fēng)機(jī)出口外圍圓環(huán)壁面，圓環(huán)寬度是 10mm。 將此圓環(huán) 4 等分，取 4 個環(huán)面靜壓的均值 作為出口靜壓 2SH ， 4 個環(huán)面 的 靜壓 值 也可以通過Fluent 監(jiān)測得到。 軸流 風(fēng)機(jī)出口處的計算軸向動壓 2dH 的 計算 公式 為 ： 222 21 ????????? AQHd ? （ 227） 式中： 2A —— 風(fēng)機(jī)出口處的截面面積 ， m2； （ 2）靜壓：定義是 軸流 風(fēng)機(jī)的 全 壓 值 H 與軸流 風(fēng)機(jī)出口處的 計算軸向 動壓 值2dH 之差 。 2ds HHH ?? （ 228） 式中： sH —— 風(fēng)機(jī)靜壓 ， Pa； 軸功率的計算 軸功率 是 通 過旋轉(zhuǎn)的動葉片 以 及輪轂受到流體作用的扭矩 M 計算得到， Fluent中可以監(jiān)測到軸流風(fēng)機(jī)的扭矩 ， 具體 軸功率 的表達(dá)式可見式 229 所示 [35]。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 30602 nZMnZMZMN ??? ??? （ 229） 式中： Z —— 葉片數(shù) ； n —— 轉(zhuǎn)速， rpm； N —— 軸功率， W； M —— 單個 葉片的 扭矩， Nm； ? —— 葉輪轉(zhuǎn)動的角速度， rad/s； 效率的計算 風(fēng)機(jī)的 全 壓效率、靜壓效率和葉輪效率 的計算 公 式 分別表示如下： %100?? NHQ? （ 230） 式中： ?—— 風(fēng)機(jī)的 全 壓效率 ； %100?? N QH SS? （ 231） 式中： S? —— 風(fēng)機(jī)的靜壓效率 ； %100)( 12 ??? N QPPim p e lle r? （ 232） 式中： impeller? —— 葉輪的效率 ； 1P —— 葉輪進(jìn)口總壓， Pa； 2P —— 葉輪出口總壓， Pa； 不同數(shù)值模擬的結(jié)果對比 不同建模的 結(jié)果 對比 以低壓軸流風(fēng)機(jī)為例，該風(fēng)機(jī)的 具體 的 情況是葉輪直徑為 ，管道直徑為，設(shè)計風(fēng)量為 36000m3/h，轉(zhuǎn)速為 1450rpm，性能試驗數(shù)據(jù)通過 GB/T123620xx中的出氣法 測試得到 [36]。根據(jù)以上對此軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了兩種不同的建模方案：方案一是在風(fēng)機(jī)的出口接一個長管道，其中管道的長度為 10d， d為管道的直徑，在遠(yuǎn)離風(fēng) 機(jī)出口 AA截面處測得的壁面靜壓作為風(fēng)機(jī)出口靜壓 。 另外為了 模擬實際風(fēng)機(jī)的進(jìn)口環(huán)境，建模時在 集流器前還連接了一個直徑為 5m的半球，具體建模如圖 212實線所示 ； 方案二與方案一的區(qū)別是將風(fēng)機(jī)出口管道長度 10d改為 5d，相應(yīng)的靜壓測點位第二章 軸流風(fēng)機(jī)的氣動設(shè)計 及 數(shù)值 模擬 23 置由 了 BB截面處，具體建模如圖 212的虛線所示。以上二個 建模 方案的進(jìn)出口邊界條件均用壓力條件給定， Fluent中監(jiān)測 靜壓的 位置與 實測 靜壓的位置相同，即在 AA和 BB截面的圓周上均分四個測點的平均值。 圖 212 計算采用的建模圖 Modeling diagram in calculation 如 表 22 所示 ，軸流風(fēng)機(jī)采用不同的數(shù)值建模會使其計算結(jié)果差別很大，方案 2的風(fēng)機(jī)靜壓比方案 1 的風(fēng)機(jī)靜壓高 25Pa，對應(yīng)的風(fēng)機(jī)靜壓效率也高出 %。這種差別的原因 是兩建模方案中在風(fēng)機(jī)出口接的管道長度不同，而且風(fēng)機(jī)出口靜壓的監(jiān)測位置也不同。 因為越靠近風(fēng)機(jī)出口截 面上監(jiān)測氣流的流動，監(jiān)測到的氣流流 動不均勻程度就越大，對應(yīng)測得的風(fēng)機(jī)出口靜壓就越 不準(zhǔn)確， 因此 在軸流風(fēng)機(jī)的幾何建模時一定要按標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口接合適的管道。 表 22 兩種方案 的數(shù)值模擬結(jié)果 Table 22 Numerical simulation results in two schemes 名稱 建模方案 1 建模方案 2 風(fēng)機(jī)進(jìn)口總壓 （ pa） 風(fēng)機(jī)出口靜壓 （ pa） 風(fēng)機(jī)出口總壓 （ pa） 風(fēng)機(jī)全壓 （ pa） 全壓效率 （ %） 葉輪效率 （ %） 風(fēng)機(jī)靜壓 （ pa） 風(fēng)機(jī) 靜壓效率 （ %） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 24 不同靜壓 取值 的結(jié)果對比 在數(shù)值模擬中，以往風(fēng)機(jī)出口 管道 靜壓都是采用風(fēng)機(jī)出口截面的平均靜壓，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在低壓軸流風(fēng)機(jī)中這樣確定靜壓的方法會產(chǎn)生較大的誤差。這一方面因為風(fēng)機(jī)出口管道的截面靜壓分布很不均勻。以上述的兩種建模方式為例，方案一中在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)出口 處測定截面靜壓，測得的靜壓最小范圍為 ，最大范圍為，截面平均靜壓為 ，而此處圓環(huán)壁面上的靜壓均值是 ，具體的數(shù)據(jù)如表 23 所示。方案二中在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)出口 處測定該截面上的靜壓，測得的 截面 靜壓最小范圍為 ，截面靜壓 最大范圍為 ， 截面平均靜壓為 ， 而該位置對應(yīng)的圓環(huán)壁面上的靜壓均值是 ，具體的數(shù)據(jù)如表 23 所示。另一方面是因為實際性能測試是按國家標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)機(jī)截面的管壁圓周上均勻開四個孔，每個孔通過測壓管測定對應(yīng)位置處的靜壓 [37]， 由此可見風(fēng)機(jī)出口靜壓采用風(fēng)機(jī)出口截面 的 平均靜壓 是不可取的。 表 23 不同靜壓 取值的結(jié)果對比 Table 23 Results parison of different static pressure values 注明：表 23 中， 39。~2SH 表示風(fēng)機(jī)出口管道的平均截面靜壓 ， 39。39。~2SH 表示風(fēng)機(jī)出口管 道上圓環(huán)壁面的平均靜壓 。 不同邊界條件的 結(jié)果 對比 在上面建模方案一的基礎(chǔ)上，進(jìn)行兩種不同的進(jìn)出口邊界條件設(shè)置，具體的操作是：（ 1）將 此 風(fēng)機(jī)的進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量風(fēng)量進(jìn)口，風(fēng)機(jī)的出口設(shè)置為自由出流條件，具體 的 數(shù)值計算結(jié)果見表 24。（ 2）將 此 風(fēng)機(jī)的進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，風(fēng)機(jī)的出口設(shè)置為壓力出口 ， 具體的計算結(jié)果也見表 24。另外風(fēng)機(jī)已經(jīng)規(guī)定風(fēng)量，那么在 風(fēng)機(jī) 壓力出口 設(shè)置時 應(yīng)該 勾選目標(biāo)質(zhì)量風(fēng)量 。 從表 24 中可見，這兩種不同邊界條件下計算結(jié)果 也不相同 ， 壓力進(jìn)出口邊界設(shè)置下的 風(fēng)機(jī) 全壓比 質(zhì)量風(fēng)量 進(jìn)口和自由出流設(shè)置下的風(fēng)機(jī) 全壓提高 了 ， 前者的全壓效率比后者的全壓效率提高了 %， 前者的風(fēng)機(jī)靜壓比后者的風(fēng)機(jī)靜壓提高了 ， 前者的 風(fēng)機(jī) 靜壓效率比后者的 風(fēng)機(jī) 靜壓效率方案 39。~2SH （ pa） 39。39。~2SH （ pa） 1 2 第二章 軸流風(fēng)機(jī)的氣動設(shè)計 及 數(shù)值 模擬 25 提高了 %。 由此看出軸流風(fēng)機(jī)的不同數(shù)值建模、不同靜壓的確定以及不同邊界條件設(shè)置都會影響低壓軸流風(fēng)機(jī)的性能計算結(jié)果。 表 24 不同進(jìn)出口邊界條件的數(shù)值模擬結(jié)果 Table 24 Numerical simulation results of different import and export boundary conditions 注明 ： 表 24 中， 方案 1 表示風(fēng)機(jī) 進(jìn)口 采用質(zhì)量風(fēng)量進(jìn)口，風(fēng)機(jī)出口采用自由出流；方案 2 表示風(fēng)機(jī)采用壓力進(jìn)出口邊界設(shè)置。 本章小結(jié) 本章首先介紹了軸流風(fēng) 機(jī)氣流的進(jìn)出口方式，同時也介紹了軸流風(fēng)機(jī)的各組成部件，并且介紹了軸流風(fēng)機(jī)的氣動設(shè)計方法。 在以上的基礎(chǔ)上，本章進(jìn)一步敘述了軸流風(fēng)機(jī)的整機(jī)數(shù)值模擬，著重介紹了軸流風(fēng)機(jī)幾何模型的建立、模型的網(wǎng)格劃分、模型的邊界設(shè)置、計算域的簡化、模擬結(jié)果的收斂標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)值結(jié)果的處理方法等