离心风机设计及数值模拟研究

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1、离心风机设计及数值模拟研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：屈万世指导教师：曹树良:教授二○一七年五月DesignandNumericalInvestigationofaCentrifugalFanThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyQu

2、WanshiThesisSupervisor:ProfessorCaoShuliangMay,2017摘要摘要离心风机作为一种通用机械设备，在国民经济的各领域中有着很广泛的应用，每年也消耗着大量的能源。在设计过程中，提高风机的做功能力和效率，扩大其高效运行的流量范围，对于节能降耗有着重要的意义。通常风机内部为复杂的三维非定常湍流流动，其流场形态的好坏对于离心风机特性都有着重要的影响。借助CFD技术，深入分析离心风机内的流动状况，探究各设计参数对风机性能的影响，对于认识流体机械内部流动机理、设计出更高性能的风机，是一条重要而有效的途径。本文首先

3、设计了一组三维叶片离心风机，并与传设计方法设计出的二维叶片风机进行了性能对比，发现三维叶片的风机在全流量下全压和效率均有显著优势。其中设计流量下，三维叶片风机全压高出204Pa，效率高出4.3%，且整体高效区更宽。三维叶片风机蜗壳出口处扩压效果更好，而二维叶片风机叶轮出口径向速度较大，导致蜗壳扩散段内靠近隔舌的一侧壁面发生流动分离，影响了风机性能。针对三个不同流量（Q0、0.68Q0、1.31Q0）下，三维叶片风机的内部流动进行了非定常数值模拟，通过流场可视化和FFT方法，分析了叶轮和蜗壳流道内不同位置的速度和压力分布情况，并重点讨论了蜗壳隔

4、舌区的流动状况。研究发现，设计流量下风机流道内等压线分布较均匀，压力和流速随时间变化很小，因而性能较好；小流量下循环流增强，且部分叶片流道内入口处有涡出现，导致叶片入口处压力脉动较大，并形成局部死区阻塞了流道；大流量下，叶轮出口处流速的径向分量更大，导致在蜗壳扩散段内、隔舌下游位置出现了流动分离。此外，分别探究了不同流量下，蜗壳宽度、流道形状以及叶轮与蜗壳间的径向间隙对离心风机气动性能的影响。发现风机蜗壳宽度的最优设计，应保证流量和流通面积的匹配。用挡板隔去蜗壳流道内容易造成旋涡和流动死区的部分流域，发现风机全压变化不大，而设计流量和大流量下

5、的效率有明显提高，高效区变宽。改变叶轮出口与隔舌间的径向间隙，对比发现在偏离工况下，间隙较大的风机效率更高；全压随时间变化曲线更平缓。不同间隙的风机全压峰值的相位差与各自隔舌角度恰好对应，说明隔舌与叶轮间的相互作用，是引起全压周期性波动的主要原因。关键词：离心风机；三维叶片设计；蜗壳优化；数值模拟IAbstractAbstractAsakindofcommonmechanicalequipment,centrifugalfaniswidelyusedinvariousfieldsofnationaleconomy.Intheprocessof

6、design,itisveryimportanttoimprovetheheadandefficiencyofthefanandenlargetheflowrangeofthehigh-efficiencyoperation.Generally,theinteriorofthefanisacomplexthree-dimensionalunsteadyturbulentflow,andtheflowfieldhasasignificantinfluenceonthecharacteristicsofthecentrifugalfan.Itis

7、animportantandeffectivewaytoconductin-depthanalysisoftheflowpatternsandexploretheinfluenceofdesignparametersontheperformanceofthefan,especiallywiththehelpofCFDtechnology.Itwouldgreatlybenefittheunderstandingoftheinternalflowmechanismandthedesignoffanswithbetterperformance.I

8、nthispaper,acentrifugalfanisdesignedusingthree-dimensional-bladedesigntheory,andco