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随意涡方法在轴流风扇设计中的应用

作　者: 徐大川
导　师: 陈振华
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 飞行器设计
关键词: 风洞风扇随意涡自由涡气动设计数值模拟
分类号: V211.754
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

风扇是风洞的核心部段之一,风扇的性能对风洞性能有重要影响。除了风扇的气动效率影响能耗外,风扇噪声对试验段背景噪声有直接影响。通常,在采用风扇作为动力部段的风洞中,风扇的噪声是最主要的噪声源之一。目前,中国空气动力研究与发展中心正在建设5.5m×4m低湍流度航空声学风洞。在该风洞的研制过程中,如何提高风扇效率、降低风扇噪声是该风洞气动设计中的一个重要课题。本文将以5.5m×4m低湍流度航空声学风洞高效低噪风扇的需要为背景,开展随意涡设计方法在风扇设计中应用的研究。本文的研究内容主要包括两部分。首先分别用随意涡设计方法和自由涡设计方法设计出两套风扇系统的气动参数,然后通过数值模拟比较两套风扇系统的性能。在设计过程中,本文首先介绍了自由涡设计方法和随意涡设计方法的主要设计过程。自由涡设计方法假设来流轴向速度处处相等,以及气流经过风扇后沿不同径向高度的压升是相等的。根据这些假设,可以推论出气流不同位置的旋转速度分布与叶剖面距风扇轴线的距离成反比。而在随意设计方法中,假设来流轴向速度沿径向是可以变化的,气流的旋转速度分布沿径向不再一定呈反比分布。因此,随意涡设计方法中可以通过调整旋转速度分布使风扇系统出口轴向速度分布更加均匀一些;这对提高下游扩散段的气动性能是有帮助的。此外,随意涡设计方法可以优化风扇叶片升力系数分布更加准确,更能保证风扇叶片适当的失速裕度,可对优化风扇声学性能提供帮助。在数值模拟中,以声学引导风洞风扇段为物理对象,开展数值模拟研究。首先以上鼓厂为声学引导风洞研制的风扇为算例,通过与试验数据的比较,验证了数值模拟方法的可靠性。然后以分别应用随意涡方法和自由涡方法针对声学引导风洞风扇段给出的风扇设计参数为基础,建立物理模型,进行数值模拟对比研究。本文共进行了9个工况的数值模拟,分别对应的该引导风洞闭口试验段风速100m/s、闭口试验段风速130m/s和开口试验段风速100m/s;对应的风扇状态包括设计给出的安装角状态,以及增加4°安装角后的状态。数值模拟结果对比分析表明:与自由涡方法相比,应用随意涡方法设计的风扇,可以减小叶片尖部和根部的局部分离,可以使风扇桨叶和风扇段出口的轴向速度分布更加均匀,而且在风扇桨叶效率上也有一定提高。这些结果验证了随意涡风扇设计方法在大型风洞,特别是具有声学试验要求的风洞中应用是可行的,能够为优化风扇气动和声学性能提供有力条件。

随意涡方法在轴流风扇设计中的应用

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