基于控制速度分布的离心式通风机叶轮优化设计方法研究及内流场分析
离心式通风机是一种量大面广的通用机械，其中大型工业离心风机，由于功率大，在工业生产中消耗着大量能源。本文主要针对后向离心风机，建立了基于控制速度分布的离心风机叶轮设计方法，在保证满足流量、压力的前提下，提高了风机的效率，并采用数值模拟进行了性能预测和流场对比分析。 本文提出的离心式通风机叶轮设计方法从造成叶轮流道内流动损失的根源出发，通过控制流道内边界层的增长、分离，二次流发展以及分层效应，达到减少流动损失的目的，实现叶轮的优化设计。通过分析叶轮流道内边界层的增长、分离，二次流以及分层效应的流动特征，总结提炼了包括进口段减速比和流道最大减速比等流动控制参数，这些流动控制参数对叶轮内流动有直接影响，可以体现对流动的控制，同时它们又与沿流道的速度分布直接相关，因此研究这些流动控制参数即可期望达到优化叶轮设计的目的。首先应用考虑旋转和曲率的湍流边界层积分方程，分析了速度分布对边界层增长和分离的影响，其次讨论了速度分布与二次流、分层效应之间的关系，并通过关键的流动控制参数建立起速度分布与边界层增长、分离，二次流和分层效应等流动效应之间的联系。在此基础上建立一个基于控制流动效应的优化速度分布数学模型，并根据分离与否分别建立优化模型。在不分离的情况下，满足出口边界层厚度最小的速度分布为最佳;而在流动发生分离的情况下，满足最迟分离的速度分布为最佳，同时满足压力和载荷等要求。然后根据此速度分布设计得到风机叶片型线，完成优化设计。 为了检验本方法的可靠性，将本文设计的叶轮进行加工并试验，性能试验结果表明在保证压力的前提下，在设计流量时全压效率提高4.45％，全工况下平均提高5.01％，数值模拟结果也表明风机内流场的流动状态有了明显改善，在回转面上近蜗舌处流道内流动的分离得到有效的抑制，叶道出口截面的二次流减弱，在大流量下，回转面分层效应有较为明显的改善。
离心式通风机;叶轮设计;速度分布控制;流动效应;数值模拟;内流场分析
浙江大学
硕士
流体力学
王灿星
2013
中文
TH432.3
80
2014-07-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）