基于平面叶栅设计方法的轴流式通风机叶片设计

摘要

轴流式通风机在化工、船舶、建筑等领域中有着广泛的实际应用，但与此同时它也是能源的巨大消耗者，其内部气体流动复杂，且工作效率普遍有待提高，所以对轴流风机设计方法进行研究，提高其工作性能，对节约资源和改进能源配置有着十分重要的意义。
　　本文以低压轴流式通风机为研究对象，在原始风机几何模型和数值模拟计算结果数据的基础上，运用平面叶栅设计方法对轴流风机的动叶叶片进行设计，使风机的气动性能得到提升。本文用平面叶栅设计方法确定风机动叶叶片不同高度的双圆弧中弧线，具体方法为在获得不同叶高处的进口气流角、出口几何角和弦长后，代入数据到确定中弧线的几何约束草图中，就能够获得唯一的一条双圆弧中弧线。然后给中弧线一定厚度就能确定不同叶高截面形状，运用三维建模软件就能得到一个新的轴流风机模型。接着运用CFD技术对轴流风机进行三维流场数值模拟计算，包括数值建模、网格划分及无关性验证、边晃条件设置、数值计算、计算结果后处理等。
　　本文主要内容及成果分为以下四个方面:
　　(1)研究了设计气流落后角的选取对轴流式通风机气动性能的影响，结果表明:合适的设计气流落后角能明显改善气流流动情况，提高风机的全压效率和全压。
　　(2)研究了叶片双圆弧中弧线几何约束草图中两段圆弧位置的互换对轴流式通风机连续设计过程中气动性能的影响。在研究过程中，发现本文所用平面叶栅设计方法能够在风机设计过程中连续使用，每次设计所用数据均为上一风机进口气流角、出口几何角和弦长数据，但在使用中弧线几何约束草图时，交换两段圆弧位置能产生两种不同的约束草图，记为方法1和方法2。在对两种方法进行不同的搭配组合设计及数值模拟计算后，结果表明:方法2具有更好的设计效果，设计后风机的全压效率和全压在全流量下得到了提升。
　　(3)研究了使用方法2对轴流风机进行连续设计时风机气动性能的变化，结果表明:在一定设计次数范围内，风机全压随着设计次数的增加而增加，全压效率随着设计次数的增加基本不变。
　　(4)研究了不同叶高出口几何角分布对轴流风机气动性能的影响。本文选取从叶根到叶顶6个不同高度截面的出口几何角为优化参数，结合正交试验方法对轴流风机叶轮进行设计。结果表明:不同叶高处选择合适的出口几何角能提高风机气动性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 流体机械中气流落后角的研究现状

1．2．2 流体机械叶片优化及设计的研究现状

1．2．3 正交试验方法在流体机械设计中的应用及研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 轴流风机的设计及数值计算方法

2．1 轴流式通风机简介

2．2 轴流风机的设计方法

2．3 轴流风机的数值模拟

2．3．1 计算模型及计算域的组成

2．3．2 网格的划分及无关性验证

2．3．3 计算方法和边界条件

2．4 主要参数计算

2．4．1 全压和全压系数的计算

2．4．2 全压效率的计算

2．4．3 流量系数的计算

2．5 本章小结

第三章 不同设计气流落后角对轴流式通风机性能的影响

3．1 几何模型的建立

3．2 数值模拟结果分析与讨论

3．2．1 轴流式通风机气动性能对比分析

3．2．2 叶片表面静压云图分析

3．2．3 叶轮出口压力分析

3．2．4 叶轮出口速度分析

3．2．5 叶轮出口落后角分析

3．3 本章小结

第四章 两种双圆弧中弧线约束草图在轴流风机设计中的应用与对比

4．1 几何模型的建立

4．2 数值模拟结果分析与讨论

4．2．1 轴流风机性能对比及分析

4．2．2 不同叶高叶片表面静压分布的分析

4．2．3 动叶出口速度和环量分析

4．2．4 动叶出口湍动能分析

4．2．5 沿流线方向压力分布的变化

4．2．6 动叶出口增压分析

4．3 本章小结

第五章 连续设计方法在低压轴流式通风机设计中的应用

5．1 几何模型的建立

5．2 数值模拟结果分析与讨论

5．2．1 轴流风机性能对比及分析

5．2．2 不同叶高叶片表面静压分布的分析

5．2．3 动叶出口速度分析

5．2．4 动叶出口增压分析

5．2．5 动叶出口湍动能分析

5．3 本章小结

第六章 基于正交试验方法和CFD对轴流风机叶轮叶片的设计

6．1 正交试验方法

6．2 正交试验结果分析

6．3 数值模拟结果分析与讨论

6．3．1 风机气动性能分析

6．3．2 叶片表面流场流线分析

6．3．3 叶片表面载荷及压力增量分析

6．3．4 叶轮出口流动参数分析

6．4 本章小结

第七章 结论及展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢