叶片参数对长短叶片小型轴流风扇性能及内部流动影响的研究

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1、浙江理工大学硕士学位论文叶片参数对长短叶片小型轴流风扇性能及内部流动影响的研究1．1课题研究背景和意义第一章绪论风机是在工农业生产和生活中应用非常广泛的一种输送气体的通用机械设备，应用在国民经济当中的许多部门，尤其是在石油化工、矿山机械、航空航天、车辆制造等领域应用【l’2】。小型轴流风扇属于风机中的一种，它的尺寸较小，目前主要作为一些电子元器件的重要的散热通风设备，如电脑CPU中的散热风扇，小型轴流风扇因其特殊的应用场合和作用，它的性能好坏将决定电子设备的运行状况【3】。小型轴流风扇的性能主要有通风性能和声学性能

2、，通风性能是风扇最基本的性能，通风量越大表明风扇起到的散热效果会越好，随着人们对于工作环境和生活品质的要求越来越高，而风扇是目前很多机械设备中最主要的噪声源【4】，风扇的噪声问题也引起了人们的重视，噪声在实质上是能量波在介质中传播，噪声的产生必然会消耗能量，噪声过大会对人的身体和身心健康产生危害【5~9J，降低噪声能够节能环保，有调查显示汽车发动机中的能量会有大约5％用来产生噪声【lol，2005年的一项统计显示，在全世界每天汽车当中的发动机将会消耗大约2000多万桶的燃油，如果将汽车发动机转换成噪声所浪费的能量降

3、低约2％，那么全世界每天就可以节省燃油约40万桶，经济价值达到三千多万美元，降低噪声所节约的能源和创造的经济价值显而易见⋯J，因此有关于小型轴流风扇的声学特性也逐渐成为风机设计人员重点考虑的问题。最近几年对于风机的研究主要集中在大风机上，此类型风机主要应用于风力发电【12’13j、气流纺纱[14】等领域。对于小型轴流风扇展开的相关研究当前还主要集中于对其性能的测试分析[15,16]，关于风扇内部流动、性能优化和气动声学特性等方面的研究还相对较少，同时目前有关于改善小型轴流风扇性能的研究主要是对风扇的基本结构进行改进

4、，设计出来的风扇很难既改善风扇静特性又能降低风扇的噪声，现有的研究有一些是在“牺牲”风扇通风性能的基础上来达到降低噪声的效果。如何设计出一种小型轴流风扇既能提升风扇的静特性又能降低噪声，这是小型轴流风扇研究的重要课题，本文将对这一课题展开研究，将数值模拟分析和实验研究相结合，对风扇的一些基本结构参数进行优化，以此设计一种整体性能最优的小型轴流风扇，为小型轴流风扇的性能优化提供设计的新思路，具有较为明显的理论研究和工程应用价值。浙江理工大学硕士学位论文叶片参数对长短叶片小型轴流风扇性能及内部流动影响的研究风扇研究的国

5、内外现状国内外对风扇的相关研究起步较晚，始于上个世纪80年代，目前开展的一些研究工作主要集中在风扇的内部流动特性研究、气动性能研究、数值模拟方法研究、涡结构分析、叶型结构优化和降噪方法等方面。下面将从内部流动研究、气动噪声研究和优化设计研究这三个方面综述国内外的研究现状。1．2．1内部流动研究进展叶轮机械的内部流动比较复杂，与外特性相比，存在很多不同的特点，因此需要专门地加以研究和分析【17】。目前国内外关于叶轮机械内部流动的研究主要分为理论研究、数值模拟和测试研究三个方面。叶轮机械内部流动的理论研究，起初是从外部

6、流动当中机翼的附面层理论展开的【l引，随着计算流体力学(CFD)方法和计算机技术的不断发展，使得流体机械内部流动的研究更加深入【19,20】，早在20世纪的50年代，国内的吴仲华教授提出了“叶轮机械准三元流动理论”，该理论是将真实的三元流动流场分解成两个相互正交流面的二元流动问题进行求解，这两个正交流面分别是Sl流面和S2流面【21’22】。到20世纪80年代的末期，CFD方法在网格划分和求解计算等方面均趋于成熟，而且针对不同的流动发展了不同的类型的湍流模型，全三维的数值模拟已经完全可以应用在轴流风机的数值计算中。

7、陈乃兴【23j运用有限体积法对轴流式风机的内部流场进行数值计算，并用实验进行了测量，对比分析了实验结果和数值模拟结果，提出应用有限体积法和显式的N．S方程相结合的方法去验证了叶轮机械的气动设计。李海锋等人以N．s方程以及标准的缸￡模型为基础，采用SIMPLEC算法，数值模拟研究了叶轮内的三维流动，获得了叶轮内部的速度场和压力分布情况[24】。Seo等人应用有限体积法和标准的缸￡模型求解N．S方程，对多叶片的离心风机的内部流动情况进行数值研究，结果表明了数值计算结果与实验测试的结果吻合【25l。Chemobrovki

8、n等人采用Runge．Kutta的方法数值计算了压缩机中非定常的转捩流动情况【26l。Chima对多种类型的叶轮机械应用MacCormack格式数值模拟了内部流动的情况，应用贴体坐标系下的N．S方程来求解三维的粘性内部流动，在求解方程的过程当中，同样应用了显式的多步Runge．Kutta方澍27,281。当前流体机械内部流动的测量主要测量流场内的压力和速度，