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基于三维数值模拟的离心式通风机叶轮设计方法研究

作　者: 刘双来
导　师: 王灿星
学　校: 浙江大学
专　业: 流体力学
关键词: 离心式通风机优化设计数值模拟 RNGκ-ε湍流模型流动特征
分类号: TH432
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

前向离心式通风机,如9-19、9-26系列,由于其具有较高的输出压力,因而广泛应用于物料输送、锻冶炉及高压强制通风。相比于后向风机,前向风机有效率较低、噪声较高、工作范围偏窄的缺点。本文主要针对前向离心式通风机且以9-19风机为设计实例,通过提出合理的气动设计方法将前向叶片重新设计成后向叶片,并采用数值模拟方法进行分析和优化,从而在保证满足流量、压力等条件下,提高风机的效率。本文的设计思想是基于离心风机叶轮流道内的流动特点,从叶轮流道内的速度分布出发,控制边界层的增长、吸力边边界层分离、分层效应及二次流,从而达到减弱尾流区、减小流动损失的目的。这使得本文的设计方法比传统方法更符合实际流动状况。气动设计的主要步骤是：通过控制叶轮内平均相对速度的分布,设计叶轮的几何形状,并采用一系列目标函数和设计准则,筛选气动结构；对合理的气动结构进行成型,通过三维数值模拟分析其整体性能和流动状况,并作进一步优化。本文采用三维时均Navier-Stokes方程,并结合RNG k-ε湍流模型,对离心风机内部流场进行了数值模拟。数值模拟的计算结果和实验数据十分吻合,并很好的预测了离心风机的全压和效率曲线。通过数值模拟,本文比较了不同设计模型和原始机型的性能和流动特征。相比于原始机型,最优设计模型的效率平均提升5%左右,风机流场内的分离流动、二次流、射流-尾流均有减弱。本文详细的分析了风机各部分的流动以及不同工况条件下叶轮流道内速度和压力的分布情况,并捕捉到了风机流场内的分离流动、二次流、射流-尾流等流动特征。叶轮损失是整个风机的损失的最主要来源,约占总损失的1/2,而蜗壳部分的损失则占据了剩余损失的绝大部分。叶轮子午平面初始段,前盘表面聚集了低速流体,从而引起了整个流道内流动的不稳定,随着流量的增加,这种不稳定性越来越强烈。同时,由于叶轮和蜗壳的相互作用,在蜗壳内形成了二次流和环流。在几乎所有的叶轮流道出口附近,都存在典型的射流—尾流结构。由于旋转和曲率的影响,叶轮流道内的二次流较为显著。最后,本文还分析了风机进风口和叶轮之间的间隙流动,该流动对风机的整体性能有着显著的影响。

基于三维数值模拟的离心式通风机叶轮设计方法研究

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