开缝叶片离心叶轮内流场的数值研究

论文摘要

离心式叶轮机械流道中的气体流过叶片的流动是复杂的,在叶片后部吸力面附近易产生气流分离现象,使离心叶轮的全压和效率下降。因此,提高离心式叶轮的整体性能是叶轮机械设计的一个重要课题。通过改进叶轮结构设计,特别是对叶片的设计改进是解决这一课题的一条重要途径。近年以来,有研究者曾在离心式叶轮的设计中采用开缝叶片技术,将长叶片断开,分成前后两个长、短叶片,两个叶片按原叶片的形线错位布置并在衔接处形成一个狭小的搭接间隙。研究结果表明,采用该技术可以有效地改善离心叶轮的流动状况,使效率提高3.5%,全压提高1.7%。对该技术进一步开展研究,弄清相关影响因素的作用,使开缝叶片技术在工程中得到更好的应用,具有重要的节能意义。我们以一个开缝叶片离心叶轮为对象,应用数值模拟的方法,研究了长、短两个叶片在原有型线上按不同的偏转角度θ布置对流场及叶轮性能的影响;分析了叶片表面极限流线图谱差异、叶片表面静压力分布、流动分离状况及流道中的相对速度和压力分布;探讨了流动分离区、尾迹区及夹缝射流区受短叶片偏转角度变化的影响。结果表明,长叶片的流场和叶片负荷受短叶片θ角的影响较小。顺偏转角时,短叶片负荷随着θ角的增大而增大;在+3.5°≤θ≤+21°短叶片吸力面存在边界层分离流动。逆偏转角时,短叶片负荷随着θ角的增大而减小;由于夹缝呈收缩形流道,气流经流道时形成高速射流,削弱了短叶片吸力面边界层厚度,抑制分离,从而提高压比和效率,其分别在θ角为-3.5°,存在一个等熵效率的极值,该型号叶轮的效率值可进一步提高到91.2%,在θ角为-7°存在一个相对总压比极值,该比值可达1.266。研究表明,使用叶片开缝技术可望改善风机在输运含尘、含湿气流时对叶片的黏附和磨损状况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 离心叶轮内流动研究进展
• 1.2.1 叶轮内流流动
• 1.2.2 分流叶片技术
• 1.2.3 开缝叶片技术
• 1.3 本文课题研究内容
• 2 叶轮机械内流场数值模拟方法简介
• 2.1 CFD技术发展及其在叶轮机械中的应用
• 2.1.1 压力修正方法
• 2.1.2 时间推进方法
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 方程的离散
• 2.2.4 边界条件
• 2.2.5 初始条件
• 2.2.6 加速收敛的措施
• 2.3 本章小结
• 3 开缝叶片离心叶轮数值计算
• 3.1 物理模型
• 3.1.1 几何参数
• 3.1.2 短叶片偏转角定义
• 3.1.3 计算参数
• 3.2 计算方法
• 3.3 计算区域的确定
• 3.4 计算网格
• 3.5 定解条件
• 3.5.1 边界条件
• 3.5.2 初始条件
• 3.6 收敛标准
• 3.7 数值模拟方法可信度验证
• 3.7.1 叶轮出口压力对比分析
• 3.7.2 子午面流场分析
• 3.8 计算结果与分析
• 3.8.1 叶片流场分析
• 3.8.2 叶轮流道流场分析
• 3.8.3 叶轮总性能分析
• 3.9 本章小结
• 4 结论与展望
• 4.1 主要结论
• 4.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文