【正文】 ... 27 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 ........................................... 36 優(yōu)化前后風(fēng)機的流場對比 ......................................... 38 本章小結(jié) ....................................................... 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 1 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。 隨著風(fēng)機的大量使用，其 煤耗量 將 逐漸 的增加。 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。 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。 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]。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。“現(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。 現(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 。 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 。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。 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 。 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。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。 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。 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)機會在各種工第一章 緒論 3 況下運行良好。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。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。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。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。 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 。 當(dāng)輪轂比為 時，該風(fēng)機的效率將達到最高。 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。 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 。 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 。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。 （ 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。 （ 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。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。 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。 如果計算解收斂，可以直接輸出計算結(jié)果 。 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]。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。 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 。 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。 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。 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。 （ 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。 （ 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。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。 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。 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]。 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。 一般整流罩為半球或半橢球形。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。 （ 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。 （ 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。 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]。 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。 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) 。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]。 （ 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。 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。 ? ?2/ tuHH ?? （ 24） 式中： H —— 壓力系數(shù) ； H —— 全壓， Pa。因為本文的壓力系數(shù) ?H ，這樣設(shè)計 T35 軸流風(fēng)機時不加前導(dǎo)葉和后導(dǎo)葉 [24]。 ? ?221 4 htz DD QC ?? ? （ 26） 式中： zC1 —— 進口軸向速度， m/s； 1—— 氣流進口 。 ])(1[211 22222 drdCdrrCdrdrdH zu ??? （ 27） 式中： uC2 —— 出口周向速度 ， m/s； 2—— 氣流出口； zC2 —— 出口軸向速度 ， m/s。 ConstrCu ?? （ 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 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 12