93華梵大學機電工程學系專題研究成果報告

93華梵大學機電工程學系專題研究成果報告流體旋轉機械分析指導教授：湯同達教授參與學生：B9002087陳中佳B9002096孫國獎B9002142柯振偉一、中文摘要本研究主要是在探討不同設計的葉片在各轉速下，其速度場跟受力情形的探討，探討方法是使用STAR-CD設計葉片模型，並給予後流道方便觀察其水流的穩定情形，而報告中所用之模型皆是模擬層流狀態下的情形。本研究之模型共有三個，而其差異除葉片數不一樣外，各模型的厚度也不盡相同。水流之流場受到葉片和邊界管壁的影響，會有小部分迴流的情形發生，由模擬結果中可清楚的看到在模型三中有明顯的迴流情形產生。二、前言旋轉機械在許多現代工業的機械裝置與水力船舶中一直被廣泛的應用，而葉片的幾何形狀也一直有新的設計出現，各種不同設計之葉片會造成不同程度的迴流現象，因此產生了許多不利於旋轉機械效益的影響，例如震動、噪音、功率縮減等。本篇報告使用電腦軟體來模擬和計算，預測不同設計之葉片所造成之流場變化及受力情形來作為旋轉機械設計之參考。由於計算流體力學之技術不斷成長，使得此種方法對流道內流場之預估已有不錯之精確度，而使用此方式不僅可以對一些難以實驗之部份作預估，也可以隨時對模型修改來減少研發時間的浪費，減少了許多人力及物力的浪費，因而在近年來有許多研究者即以此方法來進行旋轉機械內部流場之分析。三、研究動機在工業發達的社會中，旋轉機械的應用範圍可說是非常的廣泛，小至電扇，大至推進器，幾乎是隨處都可見到其應用，但在各式各樣的設計中，不見得其相對效益都是最好的，因此藉由STAR-CD這套軟體來模擬各式各樣的模型，以便找出最適合的應用設計，並藉此實地了解旋轉機械在實物上的應用。四、研究目的旋轉機械在運作時，其內部情況非常的複雜，除了葉片上各點的受力不同外，還因為流質的不同、轉速不同…等因素，造成葉片的耐久度、產生的功率…等也不盡相同。因此，葉片的幾何設計變的相當的重要。本研究報告是模擬三種葉片設計在水管中運轉的情形，並找出較適合的設計方式，方便日後開模之選擇。五、研究方法本研究是使用計算流體力學套裝軟體STAR-CD來對流體在旋轉機械內部之情況作分析比較，其主要程序為：一、模型的建立；二、參數設定；三、後處理。六、模型的建立本研究主要是在討論不同葉片的設計方式對流體場所造成的影響，並藉由軟體的模擬，分析在實際情形下可能出現的狀況。建構方式是給定軟體旋轉機械模型單一面的格點及網格，並利用此單一面當基礎向後旋轉長出，即成為一有厚度的旋轉機械葉片。除此之外，為了設定出口之邊界條件，在旋轉機械末端需要一段極長之緩衝區來將流體經旋轉葉片所產生之壓力消除，因而將模型之尾端作延伸直至流體呈完全發展流為止。七、流體性質本研究乃是模擬旋轉機械於水管中運行時，其內部流場之情形，因此流體設定為水，其流體性質定義黏滯係數為0.001kg/(ms)，密度為1000kg/m3，且模擬為不可壓縮流。八、邊界條件於一開始先假定輸入口已經有水流速度，流速為10m/s，模擬層流時的狀態，在經過數次的模擬之後，發現其流動情形已經達到穩定的狀態時，將進口跟出口都改成壓力，其原因在於我們無法得知管內水流之速度，因此需改為壓力來當邊界條件。九、後處理在做完計算後，接下來要將其結果取出並作處理，在本研究中後處理之部分包含了速度分佈圖、壓力分佈圖、旋轉葉片上之速度-壓力的曲線圖。葉片上之速度分佈圖、壓力分佈圖和旋轉葉片上之速度-壓力的曲線圖是由放置在葉片上之感應器所取得之數值繪成。十、結果與討論在探討壓力的部分，分成整體壓力分佈圖及葉片上的壓力分佈圖來顯示各部位的壓力狀態，另外亦擷取從旋轉葉片上擺放的感測器所得的數值繪出壓力位置的曲線圖，以便更清楚的觀察出壓力的分佈及趨勢。(一)整體的壓力分佈由壓力圖中可看到流體在經過旋轉葉片加壓後，在葉片壓力面上的壓力會急速上升，且由壓力剖面圖可以發現愈接近壁面，其壓力值會愈大。(二)葉片橫截面的壓力分佈由各葉片壓力分佈圖可以發現，在壓力面可以很明顯的觀察出隨著轉速的增加，使的增壓的效果更強。高壓區皆分佈在葉片面的尾端，且在葉片中段到葉片邊緣的增壓區更加明顯。低壓區皆分佈在葉片面靠近旋轉軸的部分，由內而外逐漸增強。(三)整體的速度分佈流場在經過旋轉葉片後，產生了U、V、W三個方向的速度分量，由速度分佈圖中可看出，當轉速漸漸增加時，吸入面與壓力面的壓差變大而使得流速加快，且最大的速度值產生於葉片之邊緣處。(四)葉片橫截面的速度分佈三維方向速度分佈將速度分為徑向速度、軸向速度、切線速度三方向的速度來做討論，為了能將速度值的變化明顯的呈現出來，因此將其繪成速度－位置曲線圖，Y軸方向為徑向、軸向、切線速度之速度，而X軸為分析筆數的相對位置。三種模型的壓力比較圖三種模型的速度比較圖流場的壓力比較圖流場的速度比較圖