【正文】 落在層流底層，這樣會因網(wǎng)格生成太多而無法進行計算。利用Gambit軟件對復(fù)雜的幾何體進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分，操作中不需要調(diào)整邊界上網(wǎng)格節(jié)點的位置，而且Gambit中的工具“尺寸函數(shù)（size function）”可以實現(xiàn)網(wǎng)格的局部加密[28]。圖25新T35軸流風(fēng)機的網(wǎng)格圖 Grid map of new T35 axial flow fan因為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格不僅限制了網(wǎng)格節(jié)點的結(jié)構(gòu)性，而且還不能模擬復(fù)雜的幾何體。本文采用Fluent自帶的前處理器Gambit軟件進行新T35軸流風(fēng)機模型的網(wǎng)格劃分。（4）電機：數(shù)值模擬時對電機做了簡化，直接用圓柱體代替電機；（5）出口球體：，并采用壓力出口來設(shè)置出口邊界。（2）進風(fēng)口：，進風(fēng)口的形狀是喇叭形。 計算域的組成本文采用Fluent自帶的前處理器Gambit軟件進行T35軸流風(fēng)機的數(shù)值建模，該模型包括下面五部分，具體如圖23和24所示。簡化后的風(fēng)機模型在流場數(shù)值模擬計算時可大大節(jié)省計算資源，這樣把更多的計算資源用到了其它的數(shù)值計算上。在風(fēng)機的三維數(shù)值建模時，需要將風(fēng)機模型建立的盡量簡潔和合理[27]。 幾何模型的簡化為了建立風(fēng)機的三維流場計算域，需要先將風(fēng)機的工程設(shè)計參數(shù)轉(zhuǎn)化為實際風(fēng)機的三維數(shù)值建模。有些文獻認為只要包括集流器、葉輪以及在此風(fēng)機前或后連接一段短管道等就可以進行此風(fēng)機的數(shù)值模擬，同時認為可以利用國家標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機性能測試數(shù)據(jù)來考核該風(fēng)機的數(shù)值模擬結(jié)果，并且以為該數(shù)值建模已經(jīng)考慮了風(fēng)機各部件的影響，其實這樣的數(shù)值建模是有問題的。 軸流風(fēng)機的數(shù)值模擬 數(shù)值建模圖23 軸流風(fēng)機的建模圖 Modeling figure of axial flow fan數(shù)值建模包括模型的建立、網(wǎng)格的劃分、邊界條件的設(shè)置和數(shù)值計算的后處理等，可見數(shù)值建模是數(shù)值計算中的一個很關(guān)鍵步驟[26]。最早葉片成型都是用圓柱面成型，具體是將葉片的各個基元級型線都靠在一個合適半徑的圓柱面上成型一個葉片，顯然成型后葉片的各基元級型線和原來設(shè)計的各基元級型線會有較大差別。； （221）式中：——葉片數(shù)；——葉輪轉(zhuǎn)動的角速度，rad/s。；——弦長，m；——升力系數(shù)；——葉型曲線的曲率半徑，m。； （218）5．確定葉片參數(shù)：當(dāng)葉片數(shù)值在范圍內(nèi)，并且攻角在2176。 （215）式中：——出口相對氣流角，176。 （29）4．圖22是葉片基元級的速度三角形平面圖，圖中表示絕對氣流角，相應(yīng)的各參數(shù)計算公式見（210）～（218）所示：圖22 葉型參數(shù)示意圖 The schematic diagram of vane type parameter假定軸流風(fēng)機葉輪進口處的氣流均勻，因而有： （210）式中：——進口絕對速度，m/s； （211）式中：——進口周向速度，m/s； （212）式中：——進口相對速度，m/s；——進口圓周速度，m/s； （213）式中：——進口相對氣流角，176。 （27）式中：——出口周向速度，m/s；2——氣流出口；——出口軸向速度，m/s。 （26）式中： ——進口軸向速度，m/s；1——氣流進口。因為本文的壓力系數(shù)，這樣設(shè)計T35軸流風(fēng)機時不加前導(dǎo)葉和后導(dǎo)葉[24]。 （24）式中：——壓力系數(shù)；——全壓，Pa。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、弦長、葉型半徑和安裝角等。（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、風(fēng)量、葉輪直徑、轉(zhuǎn)速以及氣體密度等。因為風(fēng)機出口動能達到最小時要滿足流型方程即，所以本文采用滿足的流型系數(shù)進行T35軸流風(fēng)機的葉片設(shè)計[23]。 （21）式中：——周向速度，m/s；——絕對速度，m/s；——半徑，m；——速度的周向分量；——流型系數(shù)。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。 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]。（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。（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。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。一般整流罩為半球或半橢球形。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)葉之前安裝整流罩。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]。 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。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(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)值結(jié)果的處理方法等。（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。（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)機的葉片各截面型線和葉弦?guī)缀谓?，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?？梢娫撛O(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。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。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(zhǔn)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。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。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。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]。如果計算解收斂，可以直接輸出計算結(jié)果。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。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。（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。（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。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。 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。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?qū)ζ溥M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。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。該風(fēng)機的效率將達到最高。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，、。同時指出若紡織軸流通風(fēng)機同時采用葉片前傾和葉片前掠，那么該風(fēng)機的性能將明顯會得到提高。根據(jù)Fluent計算結(jié)果得出，采用可控渦設(shè)計的風(fēng)機不僅可以使葉片根部流動更加順暢，同時此設(shè)計也降低了該風(fēng)機的噪聲。與以往軸流風(fēng)機要采用直接展開法相比，采用極值展開方法進行葉片成型可以提高葉片設(shè)計的精準(zhǔn)性，同時也可以展開唯一的一個葉片，這樣也就使得誤差分布變得均勻。同時文中指出做數(shù)值模擬時需要利用技巧才能得到正確的模擬結(jié)果，而數(shù)值模擬技巧只能通過長期的實踐才可獲得。因為若軸流通風(fēng)機采用了區(qū)間流量來設(shè)計其效率，結(jié)果顯示該風(fēng)機會在各種工況下運行良好。Zhou Dugao等人[9]提出用流型系數(shù)＝1即自由渦設(shè)計來優(yōu)化礦用軸流風(fēng)機，結(jié)果顯示該設(shè)計下的風(fēng)機效率要比同類型風(fēng)機的效率高得多，同時該風(fēng)機采用自由渦設(shè)計后其噪聲也相應(yīng)得到了降低。對比葉片前掠在自由渦設(shè)計和可控渦設(shè)計時的作用，葉片前掠更適合于在可控渦設(shè)計中來改善葉頂?shù)膿p失。J. Vad等人[6]等通過對比葉片采用不同流型系數(shù)后得出結(jié)論：若流型系數(shù)＝1即自由渦設(shè)計時，該設(shè)計葉片吸力邊邊界層內(nèi)的流體要徑向向外遷移。分析結(jié)果顯示葉片前掠和葉片前傾可以改善軸流風(fēng)機和壓縮機轉(zhuǎn)子的性能，具體的說可以改善其效率，擴展其非時速工況范圍。并且還指出輪轂比對風(fēng)機性能有重要的影響，較小的輪轂比有較大的靜壓效率但有較小的風(fēng)機靜壓，為了提高風(fēng)機靜壓，需要有較大的葉片扭曲，這樣就會導(dǎo)致流動損失增大。本文采用以上技術(shù)進行了T35軸流風(fēng)機的數(shù)值建模，并通過整機三維湍流流場數(shù)值模擬分析了軸流風(fēng)機主要設(shè)計要素對風(fēng)機性能的影響?，F(xiàn)代設(shè)計方法現(xiàn)在已有很多研究，也得到很好的應(yīng)用?！艾F(xiàn)代設(shè)計方法”是利用工程設(shè)計方法先設(shè)計出一個原始的方案，然后再利用CFD來仔細分析風(fēng)機內(nèi)部流場的壓力分布、速度分布及總體性能等，而且不斷地對該設(shè)計方案進行優(yōu)化處理，最后利用數(shù)值計算預(yù)估出最佳設(shè)計方案下的風(fēng)機全壓和全壓效率。但是因為該方法完全忽略了流動的三維效應(yīng)和粘性，未考慮部件間的相互影響，忽略了靜動件間隙中存在的二次流等，所以僅用工程設(shè)計方法很難給出真正高效的設(shè)計，而且該方法常常得通過設(shè)計實驗再設(shè)計的多次循環(huán)，可見傳統(tǒng)設(shè)計方法耗去了很多人力和財力。軸流風(fēng)機的“工程設(shè)計方法”即傳統(tǒng)設(shè)計方法是基于二維理想流動理論，并伴有許多經(jīng)驗公式和系數(shù)來考慮粘性的影響，但是葉片和整機的三維影響卻無法考慮[2]。雖然在變工況運轉(zhuǎn)時，通過增加離心風(fēng)機的臺數(shù)和增大葉輪尺寸可以提高效率和降低成本，但是這樣會導(dǎo)致投資增加和占地增多，而且隨著風(fēng)機葉輪尺寸的逐漸增大，其所需的材料強度也會隨之增加，這樣很不利于離心風(fēng)機廣泛地用在電廠中。與軸流風(fēng)機相比，離心風(fēng)機由于壓力系數(shù)較高、流量系數(shù)稍低，因此離心風(fēng)機被用作電廠鍋爐的送風(fēng)機和引風(fēng)機。隨著風(fēng)機的大量使用，其煤耗量將逐漸的增加。total pressure is increased by and total pressure efficiency is increased by %. Key words: Axial flow fan；design elements； Numerical simulation；performance effect 目 錄第一章 緒 論 1 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 3 CFD的理論基礎(chǔ) 4 Fluent的軟件介紹 4 CFD的求解步驟 4 CFD的思想及方法 5 本文的研究內(nèi)容及技術(shù)路線 6第二章 軸流風(fēng)機的氣動設(shè)計及數(shù)值模擬 8 軸流風(fēng)機簡介 8 軸流風(fēng)機的氣動設(shè)計 9 軸流風(fēng)機的數(shù)值模擬 13 13 14 14 網(wǎng)格的劃分 15 17 18 主要參數(shù)計算 19 20 軸功率的計算 21 效率的計算 22 不同數(shù)值模擬的結(jié)果對比 22 不同建模的結(jié)果對比 22 24 不同邊界條件的結(jié)果對比 24 本章小結(jié) 25第三章 T35軸流風(fēng)機的設(shè)計要素對其性能的影響 26 T35軸流風(fēng)機的模型建立 26 26 物理模型的建立 28 幾何模型的建立 29 T35軸流風(fēng)機的網(wǎng)格試驗 29 T35軸流風(fēng)機設(shè)計要素對其性能的影響 30 輪轂比的影響 30 流型系數(shù)的影響 32 葉片前傾的影響 34 葉片前掠的影響 37 38 43第四章 結(jié)論與展望 44 結(jié)論 44 特點和創(chuàng)新 44 建議和展望 45參 考 文 獻 46致 謝 49在讀期間取得的科研成果 50第一章 緒論第一章 緒 論 研究背景由于軸流風(fēng)機具有較好的通風(fēng)換氣特性，這樣軸流風(fēng)機在工業(yè)和生活中的應(yīng)用極為廣泛，特別是軸流風(fēng)機被大量地用在工礦企業(yè)和民用建筑中，但軸流風(fēng)機同時也消耗了大量的能源。experie