一种轴向离心风机CFD数值模拟及优化研究

论文摘要

轴向离心风机是依靠输入的机械能,提高气体压力并排送气体的机械,它是一种从动的流体机械,广泛应用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的排尘和冷却,轴向离心风机的性能可用风机出口处的总压和风机的效率来衡量。以往对离心风机的研究主要采用理论分析和实验相结合的方法,而近几年来,CFD（Computational Flud Dynamics）技术的发展以及商用CFD软件的普及,使得通过计算机数值模拟和流体可视化的方法来研究轴向离心风机的内部流场和性能成为可能。本文利用ANSYS CFX10.0软件对THTF4.5轴向离心风机在设计转速工作状态下的特性进行了全三维定常数值模拟。论文主要内容包括以下几个方面：（1）用三维造型软件UG建立轴向离心风机内流场的几何模型,使用前处理软件ICEM CFD对风机流场划分结构化六面体H型网格,以保证CFD计算结构的高精度；（2）采用K-epsilon两方程紊流模型和RRF（Rotating Reference Frame）旋转坐标系模型,对风机整个内部流场进行求解。利用CFD稳态计算结果,分别对离心叶轮流场、静子流域子午面流场、支板流场和回流间隙流场进行后处理分析和研究。得出叶轮根、中流面的流场存在气流分离现象,并根据计算结果指出这种明显的不均匀气流分离现象是由于结构设计的不合理所引起；（3）以原始结构风机为基础,分别从优化支板结构和加装环形隔板的角度出发,提出两种优化结构,然后在流场分析和以往工程经验的基础上进行了两个优化方案的数值模拟计算,用以提高风机的出口总压和风机效率。CFD计算结果表明,两种优化方案的结果均好于原始设计,其中改进方案二的对性能和流场的改进幅度较改进方案一更大。通过和试验数据的比较,该离心风机的数值模拟结果比较令人满意,其流量、压比、效率等重要参数和试验相差在3%以内,两个优化方案的数值模拟结果明显好于原设计方案的数值模拟结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 工程背景
• 1.2 计算流体动力学技术现状和发展趋势
• 1.3 本文的研究内容、方法及结果
• 第2章 基本理论及控制方程
• 2.1 粘性流体动力学基本方程组
• 2.1.1 流体微团运动分析
• 2.1.2 质量方程
• 2.1.3 粘性流体的运动方程（N-S方程）
• 2.1.4 粘性流体的能量方程
• 2.2 雷诺方程、k-ε两方程紊流模型
• 第3章 模型的建立及网格划分
• 3.1 离心风机叶轮及支板几何建模
• 3.2 流体域的划分
• 3.3 各流体域网格划分
• 3.4 本章小结
• 第4章 CFD数值模拟及结果分析
• 4.1 前处理
• 4.2 数值求解
• 4.3 后处理及特性结果
• 4.4 流场分析
• 4.4.1 离心叶轮流场
• 4.4.2 静子流域子午面流场分析
• 4.4.3 支板流场分析
• 4.4.4 回流间隙流场分析
• 4.5 原风机性能实验测量结果分析
• 4.5.1 实验样机及测量参数
• 4.5.2 实验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 优化方案的数值模拟及结果分析
• 5.1 优化方案一
• 5.1.1 性能参数对比
• 5.1.2 流场分析
• 5.2 优化方案二
• 5.2.1 性能参数对比
• 5.2.2 流场分析
• 5.3 优化后的风机性能实验测量结果分析
• 5.4 本章小节
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文/专利