微型轴流风扇间隙流动分析

以某微型轴流风扇为研究对象,测量了其在5 600r/min转速下的气动特性曲线,同时采用商用软件NUMECA模拟了在4种流量下该风扇叶轮内的三维流场,详细研究了泄漏涡和分离涡的结构、泄漏流速度的分布、叶片两侧的压差分布以及泄漏流对叶顶载荷的影响。研究结果显示:由于叶顶间隙的存在,气流在叶顶形成了分离涡;而泄漏流进入相邻通道后卷起形成泄漏涡。叶顶分离涡和泄漏涡的起始位置都随着流量的增加而向下游移动。从叶顶到外端壁方向,泄漏流速度的大小及其与叶片型线的夹角(θ)均呈现先增大后减小的趋势。间隙区域叶片两侧的压差(Δp)随着流量的增加而变小,泄漏流速度、泄漏流量也随之变小。叶顶卸载是顶端间隙流动的主要特征,随着流量系数的增加,叶顶卸载变大。     

前缘倒角造型对叶片端区气热性能影响的研究

采用数值计算方法研究了前缘倒角造型动叶的端区气热性能,分析了3种前缘形式(无倒角、直线型倒角、抛物线型倒角)的叶片端区的二次流结构、气动损失和传热特性,对比了有、无前缘倒角时马蹄涡和通道涡对端区流动传热性能的影响机制。结果表明:前缘倒角造型显著减小了端壁前缘区域的切应力、通道下游偏转角和前缘倒角角区的马蹄涡尺寸和强度,但对通道涡的抑制作用较小;前缘倒角削弱了端区横向二次流动,使得通道下游总压损失减小;抛物线型前缘倒角的角区湍动能和马蹄涡尺寸略小于直线型前缘倒角造型的相应参数;3种前缘倒角造型叶片通道下游端壁的平均Nu沿流向均逐渐增大;相对于无前缘倒角造型叶片,带前缘倒角造型叶片的端壁前缘区域节距方向平均Nu最高下降了约40%。,但通道下游端壁节距方向平均Nu仅下降约8%;在通道下游,抛物线型前缘倒角叶片端壁节距方向平均Nu略低于直线型前缘倒角叶片。     

垫升轴流风扇的静叶优化设计及内部流动机理数值研究

以气垫船大型垫升轴流风扇为研究对象,在保证网格无关性及总性能数值结果与试验结果相吻合的基础上,结合人工神经网络技术及遗传算法对静叶中弧线开展优化设计,分析静叶叶型及风扇总性能变化情况。在流量系数分别为0.28、0.35、0.45的3种工况点,研究了原始静叶及优化后静叶通道内部流动机理,揭示了影响静叶内部流动稳定性的原因,由此提出了减小静叶通道内流动损失的方法。研究结果表明:通过优化静叶几何进、出口角,即减小攻角、略微增大落后角,在主要流量工况范围内可抑制通道内的二次流流动,在保证压力不降的情况下提升效率、降低功率,其中设计流量工况点效率提升达7%以上;在静叶上,通过减小几何进口角、增大几何出口角,可以起到调整叶片表面载荷分布、降低流动损失、提高气体通流能力的作用。该结果可为研究叶轮机械内部复杂流动提供参考。     

环形压气机叶栅内部严重分离流动的实验研究

流动分离是关系到叶轮机械运行安全性和经济性的重要流动现象。为了进一步揭示这一复杂流动现象的特性和物理模型,该文应用激光Ｄｏｐｐｌｅｒ测速仪和七孔气动探针对一环形压气机叶栅在大攻角下的流道内部和流道出口的流场进行了实验研究。得到了流动严重分离情况下的流场速度、湍流度、湍流应力、总压损失及静压等重要流场参数的分布和分离区的形态。实验结果揭示： 在分离流动中粘性分离和惯性分离并存; 分离后的流场呈现出主流、剪切流和分离涡流三区共存的特征,其中速度剪切层对叶栅特性产生显著影响; 在分离边界附近,流动参数变化剧烈,可作为判定分离边界的依据。     

基于涡量分析方法的轴流风扇结构优化设计

为研究涡量分析方法在轴流式冷却风扇优化设计中的应用,首先建立轴流风扇气动性能参数与周向涡量的直接数学物理关系,发现叶片表面平均周向涡量与风扇静压呈正相关;然后基于一款实例轴流冷却风扇,详细阐述了涡量分析方法步骤,建立了风扇管道数值计算模型,并从涡量角度指出了该款风扇的优化设计思路.结果表明:根据负周向涡量的分布,在风扇叶片表面增加导向筋,可以有效隔断负周向涡量的发展,提高平均周向涡量;利用涡量分析方法,合理设计风扇叶片压力面空气导向筋的形状、轴向高度及其厚度,可有效提高风扇气动性能;优化前后实例风扇测试结果最终验证了涡量分析方法可辅助于轴流冷却风扇的优化设计.     

大涵道比风扇角区失速模化设计及非轴优化

为研究非轴对称端壁造型对大涵道比风扇角区失速流动的改善作用,对某风扇进行了平面叶栅模化设计及非轴对称端壁优化。采用数值模拟方法,以风扇根部叶型为基础进行模化设计;在此基础上,采用两种不同的控制点分布方法对平面叶栅进行非轴对称端壁优化改型。研究结果表明:模化后的平面叶栅角区失速流动及叶片加载特点与风扇原型基本一致;采用自由曲面及类两面角曲面两种非轴造型对平面叶栅角区进行优化,叶栅总压损失系数分别降低了4.57%和5.38%;将流场改善效果较好的类两面角曲面造型应用于风扇原型角区,结果表明该造型使得风扇效率提高了0.441%,角区失速现象也得到了有效的抑制。深入的流场分析表明,类两面角曲面的非轴对称端壁造型,沿流向能有效推迟压气机平面叶栅通道涡向吸力面的发展,沿径向通过使涡结构上移减弱在端壁附近吸力面附面层和通道涡的相互作用;与此同时,对大涵道比风扇原型的角区失速流动也能起到较好控制效果。     

非对称来流下微型涡流发生器边界层流动控制

为有效改善超燃冲压发动机隔离段性能,运用数值模拟的方法研究了来流马赫数2.0条件下多种结构的微型涡流发生器的流动控制特性。研究结果表明随着微型涡流发生器后缘宽度的增加,隔离段内激波串长度有效缩短,高压前锋后移且整体式略优于分离式;整体式微型涡流发生器产生的流向涡对的横向距离较近,与下壁面的距离较分离式远,能在短距离流动过程中将动量传递给低动量区,有效改善边界层流动性,但作用距离较分离式短;带后缘宽度的微型涡流发生器可有效降低流场总压畸变,对流场质量改善作用要优于基本型。     

跨声速离心压气机叶尖区旋涡流动特征

车用增压器高压比的发展趋势,使得跨声速离心压气机叶尖区流动对气动性能影响更为重要.采用三维CFD方法,研究了跨声速离心压气机叶尖区流动对性能的影响.结果表明:额定、近失速和堵塞工况的激波呈现多样性;额定和近失速工况主叶片前缘发出的泄漏涡与相邻主叶片压力面相撞分裂成两支,堵塞工况主叶片的泄漏涡出现在压力面侧;3种工况分流叶片泄漏涡与主叶片的泄漏涡均在同一通道流出叶轮;1/2主叶片弦长之后,3工况的分离旋涡与通道涡的尺度和分布特征基本相同,叶片吸力面与机匣相交的角区形成高损失核心区.对激波结构和旋涡特征的分析有助于认识叶轮内损失分布规律和产生损失的机理.     

轴向尺寸限制下的低压轴流风扇自动优化设计

针对空调低压轴流风扇轴向尺寸受限制情况下的自动优化设计问题,基于B样条曲线,采用基元级设计和复合弯掠技术相结合的参数化方法构建轴流风扇三维模型.将轴流风扇叶轮参数化方法、商用数值计算软件ANSYS和第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)耦合.在叶轮轴向尺寸限制下以容积流量和静压效率为目标函数,建立起集参数化建模、网格划分、流场计算和多目标优化于一体的自动优化设计平台.在设计工况下,采用该优化平台对一款低压轴流风扇展开优化设计,并通过数值模拟和实验方法对比分析了优化前后模型的气动性能,结果表明:优化后的轴流风扇减小了轴向尺寸,在设计工况下实验流量提升10.4%、静压效率增加1.7%,具有较宽的工作范围,并且减弱了叶尖涡的强度,提高了通流能力.     

采用样条曲面非轴对称端壁成型的高压涡轮动叶气动优化

为了提升高负荷涡轮级的气动效率,发展了基于样条曲面的非轴对称端壁造型方法。以该参数化造型方法为基础,结合高效智能优化算法和经过校核的数值仿真方法,建立了涡轮非轴对称端壁设计优化平台,并以某小展弦比高压涡轮级为研究对象,以效率为优化目标,以流量为约束条件,在级环境和发动机工况下开展了非轴对称端壁优化设计。结果表明：优化设计后的涡轮动叶相对于参考设计,涡轮级的总总效率提升0.26%;非轴对称端壁造型改变了动叶下端壁附近的压力分布,动叶吸力面侧压力系数相对于参考设计显著提升,这降低了动叶叶片通道内的横向压力梯度,抑制了通道中的二次流动;非轴对称端壁造型改变了叶片通道中的涡系结构,相对于参考设计,非轴对称端壁造型使得马蹄涡压力面分支在叶片通道内部沿着叶片压力面迁移,在靠近通道出口的位置才汇入通道涡,这削弱了通道涡的强度,进而降低了气动损失,提高了涡轮级效率。     

考虑轮盖结构及间隙的风机优化设计

风机是传统行业的主要耗能原件.对风机进行优化设计,提升风机的静压效率对于节能环保具有重要的意义.迄今为止风机的优化设计更多聚焦叶轮结构,对于轮盖结构及间隙对风机性能影响的研究却很少.为提高一款工业离心式风机气动性能,通过实验和数值模拟的方法研究了轮盖结构与间隙以及前安装角对风机性能的影响,并对其进行了优化设计.首先,对...     

孔型及倾斜角对穿孔叶片气动和噪声特性的影响

针对叶片尾缘穿孔对气动及噪声特性的影响,基于NACA65019叶片,在雷诺数Re=2×105条件下,采用大涡模拟和FW-H方法研究孔型和倾斜角对叶片气动特性、绕流流场和噪声特性的影响规律,并选择降噪效果较好的穿孔模型应用到小型轴流风机上,对穿孔风机进行试验。结果表明：当穿孔倾斜角为30°时,在一定攻角范围内(α≤10°),圆柱型穿孔叶片气动性能最接近原始叶片,并且该穿孔叶片总声压级降低可达9 dB。这是由于穿孔叶片有效抑制了涡量沿叶片表面法向的发展,加速了尾缘涡沿流动方向的能量衰减,且穿孔形成的射流使大尺度的涡破碎形成小尺度的涡,衰减波动力,降低了气动噪声。     

叶片几何参数对轴流叶轮气动性能的影响规律研究

轴流叶轮是轴流式风力灭火机的关键灭火部件,轴流叶轮叶片的安装角度和叶片数是影响轴流式灭火风机气动性能的重要因素,通过对比5种轴流式灭火风机的气动性能实验数据进行分析,研究了不同叶片数和叶片角度对轴流式灭火风机气动性能的影响,得出了其性能参数随叶片角度和叶片数改变的变化规律,试验结果表明:轴流叶轮叶片数为6、叶片角度为38°的5号轴流式灭火风机风量最接近设计风量,达到1 400.3 m3/h,轴功率远小于便携式风力灭火机的功率要求,气动性能良好,基本满足灭火风机的气动性能要求。因此应用于轴流式风力灭火机的轴流叶轮叶片数宜取6片,叶片角度宜取38°。     

Application of Numerical Simulation of the Flow Field of Centrifugal Impellers for Fan Design

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＣｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ.Ｔｈｅｙｃｏｎｓｕｍｅａｇｒｅａｔｄｅａｌｏｆｅｎｅｒｇｙａｎｄａｒｅｍａｊｏｒｎｏｉｓｅｓｏｕｒｃｅｓ.Ａｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｆａｎｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｈｒｅｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ,ａｃｏｌｌｅｃｔｏｒ,ａｎｉｍｐｅｌｌｅｒ,ａｎｄａｖｏｌｕｔｅ;ｗｈｉｌｅａｎｉｍｐｅｌｌｅｒｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆａｆｒｏｎｔｐｌａｔｅ,ｃｕｒｖｅｄｂｌａｄｅｓ,ａｎｄａｒｅａｒｐｌａｔｅ,Ｆｉｇ1.Ｉｔｉ…     

控制二次流发展的前伸小圆角端区流动控制机理

基于哈尔滨工业大学自主开发的带冷气叶片气动网格自动生成技术,通过Ansys公司下的CFX软件,对国产某型民用航空发动机高压涡轮第一级动叶进行设计。设计中采用了一种新型控制二次流发展的叶形,使用特殊前缘参数化设计方法。具体操作为叶片根部叶形前缘前伸,前缘修小圆,在前缘吸力面位置局部内凹,并沿叶高一定范围内进行光滑过渡,即形成根部区域修型,其他区域不变的新叶形。研究表明:采用此方法能够有效的降低由于叶片前缘马蹄涡造成的通道涡等涡系的尺度及强度,从而减少气动损失。     

微型轴流风扇扭叶片设计及其气动分析

通过推导微型轴流风扇叶片出口轴向速度沿叶高的分布方程,提出了一种考虑轴向速度非均匀性的扭叶片设计方法.通过计算流体动力学(CFD)技术,对利用该方法所设计的各种形式扭叶片的气动性能及其变工况时的气动特点进行了数值研究,并比较了工作于自模区与非自模区风扇的气动性能差异.研究结果表明,与自模区的风扇相比,非自模区的风扇压力曲线没有最高压力点,随流量减少压力几乎呈线性增加,且无失速点;效率曲线则显得更为平坦;按刚性涡设计的扭叶片虽效率低,但风压高;提高叶轮的轮毂比有助于提升风扇压力与效率.     

射流风机空气动力特性与通流部件合理设计

射流风机已在公路隧道、铁路隧道及地铁通风中被广为应用.正确的进行射流风机的空气动力设计可以提高通风装置效率,降低隧道通风的运营成本.通过对射流风机的空气动力特性分析,论证了射流风机叶轮所产生的静压仅仅是用于克服风机本身的内部流动阻力,与改善隧道内通风状态无关.指出在进行射流风机空气动力设计时,应使得其叶轮产生的静压尽可...     

前缘倒角对涡轮轮缘密封性能的影响

研究转子叶片前缘倒角结构对涡轮轮缘密封性能的影响机制,在不同封严流量下,对转子前缘带倒角和不带倒角的轮缘密封装置进行数值模拟。研究结果表明：转子前缘倒角结构通过改变前缘附近压力势场从而对主流燃气入侵和封严出流冷气与主流的干涉产生影响。增加倒角结构有利于减弱主流高温燃气入侵的程度,在低封严流量下,最大可使得涡轮盘腔封严效率提高7%;倒角结构削弱了由封严间隙涡和马蹄涡形成的通道涡强度,降低封严冷气与主流干涉造成的气动损失。当封严流量为主流流量的1.3%时,带倒角装置的涡轮级气动效率增大2.1%。     

长短叶片开缝技术在离心风机设计中的应用

为高性能新型风机设计进行了应用技术研究,提出在离心风机叶轮设计中采用长短叶片开缝的新技术。这种技术综合了长短叶片和边界层吹气两种技术的优点,能有效改善流动。应用３维不可压Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程及ｋ－ε湍流模式的计算程序对叶轮长短叶片开缝技术的有关参数进行了数值优化,并选取了１６叶片的长短开缝叶片叶轮进行样机试制及现场测试。结果表明：长短叶片开缝叶轮与不开缝叶轮相比,全压提高,噪声下降,风机的性能曲线改善。本文的结果说明长短叶片开缝技术在离心风机的设计中有很好的应用前景,并已有生产厂家决定批量投产。