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前缘弯掠子午加速叶轮及其不同流道配置的研究

作　者: 谢军龙
导　师: 吴克启
学　校: 华中科技大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 前缘弯掠叶型子午加速转子叶面造型数值模拟 DPIV 测量环壁边界层失速裕度叶尖涡
分类号: TK14
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 3次
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内容摘要

随着国民经济的发展以及日益苛刻的能源与环境的要求,对叶轮机械的设计提出了更宽工况、更高效率等越来越高的性能要求。合理运用叶片弯掠设计能够改变流体机械流道内的压力梯度分布、抑制二次流发展和端壁低能流体的聚集,从而改善其内流结构并达到提高气动性能的目的。本文在已有常规准三元叶轮设计和内流研究的基础上,运用“弯掠叶片动力学”理论,提出和构造了一种常规设计系统与CFD三维流场计算相结合的叶片设计新系统。利用该系统设计出能有效抑制端壁边界层分离的前缘动力学弯掠新叶片,研制了一种高负荷前缘弯掠子午加速风机,同时对该前缘弯掠转子内的流动进行了数值分析和实验研究,探索前缘弯掠设计对提高风机/压气机失速裕度的有效途径和内流机制。通过新叶片的前缘弯掠子午加速叶轮与常规叶轮的外特性与内流特性比较,验证前缘弯掠新叶片设计方法的可靠性,理论上分析和把握前缘弯掠减少并抑制端壁边界层分离的流动机制。文中所提出的前缘弯掠叶轮准三元复合设计方法,包括了基于假想等价速度三角形理论和1/7 边界层法则的应用和实现。一次设计部分是基于NACA 叶栅试验资料和Schlichting 奇点法修正对基准叶轮进行准三元设计和三元效果修正。二次设计部分是基于环壁边界层模型和1/7 边界层法则的叶片前缘弯掠造型设计。它由给出的边界层速度分布,计算确定叶型端弯量和前掠量,并用径向基函数网络对叶片曲面进行重构,应用有理Bezier 方法对叶片的进行光滑变形。编写和修改了相应的设计计算程序及接口程序,集成了前缘弯掠子午加速风机设计的CAD/CFD 耦合设计系统FIDS2004,并成功研制了一台前缘弯掠子午加速叶轮。该叶轮具有以下主要特点:叶片叶根叶顶前缘前掠; 在叶顶处叶片前缘在向前掠的基础上前弯; 尾缘叶顶少量前掠,尾缘叶根进行了弯扭; 出口尾缘中弧线方向与常规叶型相同,即叶轮出口气流角不变。本文创新性实现了将径向基函数神经网络应用于前缘弯掠转子叶片曲面重构。通过对三维叶片曲面形状的拟合结果分析,表明了径向基网络由于其具有收敛速度快、能够得到全局最优解等优越性,应用其重构三维叶片曲面可以有较高的重构效率和精度。该方法为解决三维叶片曲面重构提供了一个新途径。文中在叶片叶型变形设计中使用有理Bezier方法,通过合理设置有理Bezier方法中的权因子和叶型的控制点,在

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-8
主要符号表  8-12
1 绪论  12-38
  1.1 研究背景、目的及意义  12-15
  1.2 弯掠叶型研究进展  15-21
  1.3 内部流动研究的现状与进展  21-34
  1.4 流体机械流道结构及其静止元件配置的研究  34-36
  1.5 本文的主要工作  36-38
2 叶型修正方法和叶面三维造型  38-56
  2.1 引言  38
  2.2 奇点理论在翼型修正中的应用  38-42
  2.3 径向基函数(RBF)神经元网络在叶片重构中的应用  42-48
  2.4 有理BEZIER 曲线/面在叶片任意光滑变形中的应用  48-55
  2.5 本章小结  55-56
3 前缘弯掠子午加速叶轮弯掠方法及其设计系统  56-74
  3.1 引言  56-58
  3.2 常规叶轮准三元设计  58-65
  3.3 前缘弯掠翼叶轮设计  65-68
  3.4 FID52004 风机设计系统的集成  68-69
  3.5 前缘弯掠子午加速转子的设计例  69-73
  3.6 本章小结  73-74
4 气动性能及内流场DPIV 实验装置  74-88
  4.1 气动性能试验装置  74-79
  4.2 内流场DPIV 试验  79-84
  4.3 开式轴流叶轮流场DPIV 测量及其误差分析  84-87
  4.4 本章小结  87-88
5 前缘弯掠子午加速叶轮数值分析及实验研究  88-124
  5.1 引言  88-89
  5.2 叶轮的几何模型及计算区域  89-90
  5.3 计算模型  90-92
  5.4 气动性能计算及结果的有效性分析  92-95
  5.5 前缘弯掠子午加速叶轮内部流动分析  95-113
  5.6 开式前缘弯掠子午加速叶轮叶尖涡流动现象  113-123
  5.7 本章小结  123-124
6 前缘弯掠子午加速风机静止通流结构的研究  124-136
  6.1 引言  124
  6.2 静叶流道内流的数值研究  124-131
  6.3 子午加速叶轮轴向螺旋蜗壳  131-135
  6.4 本章小结  135-136
7 全文总结和展望  136-139
  7.1 全文总结  136-137
  7.2 展望  137-139
致谢  139-140
参考文献  140-155
附录1 攻读博士学位期间发表的论文  155

前缘弯掠子午加速叶轮及其不同流道配置的研究

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