轴流风机扇叶的仿真与分析_毕业答辩

轴流风机扇叶的仿真与分析导师：学生：学号：联合导师：杜平安(教授，博导）万福200430801002谢文龙(研究员级高工）(工程硕士学位论文答辩）专业：机械电子工程工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6纲要一、课题的目的与意义二、研究现状三、一般流场初探四、轴流风机空气动力性能的数值模拟五、轴流风机性能试验与分析六、扇叶的简单变形和模态分析七、总结与展望工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6常见的风机工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6一、本课题的目的与意义国内国际上日益激烈的竞争环境，而我国汽车工业自主开发能力长期处于相对较弱的水平，极大地阻碍了我国汽车工业的发展。轴流风机因其结构简单、使用方便，在汽车领域中发挥了重大作用。扇叶作为轴流风机的关键部件，其性能直接影响着轴流风机的工作性能。该课题的研究成功，将有利于我公司掌握扇叶分析的初步技术，为我公司对类似产品的独立设计能力打下良好的基础。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6研究现状目前国内新型风机的设计主要依靠模型试验以及参照现有风机的数据资料或按照相似原理来进行类比设计。在国内由于轴流风机一般主要用于民用换气风扇，故要求不高，因而该类风机目前国内主要按类比设计的方法进行设计，很少采用先进的计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）的计算方法。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6CFD及其在轴流风机设计中的应用通过CFD方法对轴流风机内部流场进行数值模拟，可以得到流体的速度矢量及压力分布，进一步分析扇叶对流场的影响。利用CFD技术，通过改变边界条件，可以得到不同情况下的物理量。可以认为，CFD相当于“虚拟”地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。CFD流场分析的结果可以使设计人员了解流态特征，从而确定其设计是否合理，或者还需要某种改进。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6三种风机性能预测方法对比情况评价指标经验公式CFD模型试验风机几何复杂程度简单不限不限对经验参数的依赖完全依赖不依赖不依赖预测成本最低较低最高预测周期最短较短最长预测信息量很少最详细较多预测可靠性最差较好最好由于经验公式一方面不能反映微小的设计差异对性能的影响，另一方面只能给出风机的总体参数。而模型试验具有费用昂贵、试验周期长等缺点，使得近年来模拟仿真技术逐步成为流体力学发展的重要分支。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6三、一般流场初探为了解风机在实际风室式试验装置状态下的流场，同时为进一步深入计算提供选用边界条件的可靠依据，有必要对一般测试条件下的轴流风机扇叶流场进行初步研究。为了与风机在实际测试情况—致，我们选用了相对较大的空间，结合风机测试方法选用了与测试口部结构类似的入口形状，并在风机出口处考虑了较大的空间。为了使问题简化，我们选用了比较常见的4片扇叶的风机进行初步分析，同时选用1/4扇叶为计算区域。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-63.1风机的计算域工程硕士学位论文答辩万福2007-3-63.2计算所得风机的—般流场工程硕士学位论文答辩万福2007-3-63.3一般轴流风机总压场工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6一般轴流风机入口总压场工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6一般轴流风机出口总压场工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6一般轴流风机入口出口总压场工程硕士学位论文答辩万福2007-3-63.4一般轴流风机静压场工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6一般轴流风机入口静压场工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6一般轴流风机出口静压场工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6一般轴流风机入口出口静压场工程硕士学位论文答辩万福2007-3-63.5扇叶内部结构对扇叶送风及电机功率的影响扇叶与电机连接半密封部位——扇叶内部用于调节平衡的平衡柱。在扇叶旋转时就如同扇叶的工作一样是要消耗能量的，其作用就如同搅拌器一样。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6扇叶内部结构对流场的影响该扇叶内部结构对风机的功率消耗仅为：0.0598345W工程硕士学位论文答辩万福2007-3-63.6电机支承架对流场的影响工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6小结针对轴流风机在一般测试条件下，完成对扇叶流场的初步了解，为进一步的分析提供了一定的依据；进行了扇叶轮毂部分内部结构对扇叶送风及电机功率的影响以及电机支架对流场的影响——对扇叶性能及流场的影响不大，可在后续分析中忽略不计。通过扇叶一般性能的研究，完全可以取离扇叶较近的一段距离的区域进行分析；工程硕士学位论文答辩万福2007-3-64.1本课题的研究对象本课题要分析的对象是我公司仿制日本的一款汽车用冷凝器风扇（QS1304风扇）。扇叶直径为250mm。其技术要求为：在静压P=－50Pa（风机进口处的压力比周围空气低50Pa），转速为2600rpm的情况下，风扇总成在对一个标准大气压、温度为20℃、相对湿度为50%的空气，用标准电机在12V的电压下进行送风测试时，其送风量应≥900m3/h，标准电机工作电流应≤7A。四、轴流风机空气动力性能的数值模拟工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6QS1304风扇总成的三维图工程硕士学位论文答辩万福2007-3-64.2确定计算区域从前面的分析可知：可选用靠近扇叶的比较近的一段区域进行分析而不会出现大的误差。我们将流线罩与轮毂的圆柱面部分适当加长，只取流线罩到轮毂的一小段区域进行计算。这样也避免了对固定电机用的从流线罩到电机固定架的三个支撑结构进行网格划分。显然该扇叶是周期对称的，因而选用1/5的扇叶进行计算。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-64.3扇叶流场网格为了比较精确可靠地得到与试验效果相近的结果，我们采用CFX-TurboGrid进行网格划分。用CFX-TurboGrid模块获得高质量网格是非常重要的。高质量的网格在计算时具有较好的稳定性和收敛性，用较短的时间即可得到很好的计算结果。高正交网格和高效展玄比是高质量网格的2个基本要素，它直接影响到计算的收敛时间和稳定性。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6用TurboGrid生成的32万节点的QS1304扇叶周围气体的网格为了避免因为网格密度不足造成计算的不可靠，对该计算域加大网格密度，由原来32万节点的网格加密为92万节点的网格。对加密的网格进行计算得到的结果与原结果对比，发现误差不超过万分之一，说明网格的划分是足够的。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-64.4材料选择及边界条件设置按照QS1304风扇的技术要求修改CFX的材料参数；按照QS1304风扇的技术要求设定近似相同的边界条件，其中部分边界条件设置如下：对流方式：选用k-SST模型；通过试算设定入口总压条件，调节入口总压的相对值使入口静压达到-50Pa，此时总压相对值约为-29Pa；对于流线罩，设为反向旋转的墙，即在旋转坐标系中流线罩是运动的；对于周期面自然选用周期边界条件，其余的面采用缺省的无滑移壁面边界条件。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-64.5求解参数对流方式根据k-SST模型，选用“高度求解”；收敛控制（ConvergenceControl）：求解器的时间步长设为：自动调整时间步长；最大迭代次数为500次；长度尺度选项为：较小的（Conservative）。收敛准则（ConvergenceCriteria）：选用残差类型：均方根（RMS）；前后计算的残差余量设为0.00001(1e-5)。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6计算收敛情况工程硕士学位论文答辩万福2007-3-64.6仿真结果back工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6项目转速入口静压（Pa）出口静压（Pa）流量（m3/h）驱动功率（W）静压效率全压效率2200-42.77610.521021776.94538.05850.5806280.6702522400-46.28910.359684881.60447.4010.5570080.6726342600-50.0987-0.118407978.02558.34760.5321550.6748052800-54.3257-0.6045451073.8870.94360.5128210.6804983000-59.012-0.8998971170.0984.95230.5027290.6843922600*-50.02470.867513994.87759.07950.5307210.61643QS1304风扇总成仿真特性表注：最后一组是在为了与下一步改进后的扇叶在相同情况下进行比较而进行的计算。其设定入口边界条件为指定静压为-50Pa时的计算结果。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6结果分析由于扇叶的扇面过大，造成前扇叶下部面的法向与另一个扇叶的后部相交，由此造成从一片扇叶下部流出的流线在相邻扇叶上部的位置有明显弯折的现象；同时扇叶尖部与流线罩之间有明显的气流扰动。可以推断：由此可引起空气在流动过程中造成气流不必要的扰动增加送风过程中的嘈声；减小了送风量；同时也降低了该风机的效率。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-64.7扇叶改进改进后的QS1304扇叶工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6改进后的仿真结果工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6项目转速入口平均气压（Pa）出口静压（Pa）流量（m3/h）驱动功率（W）静压效率全压效率2200-39.0798-1.18167887.59136.43950.5831830.7482452400-44.5928-0.7018121022.7445.11620.6192070.7930622600-50.0876-0.380321138.6355.89510.6267350.8035132800-55.7691-0.0787711247.1868.29620.6269060.8063000-61.71380.1726081351.5982.30360.6245720.8066482600*-50.2119-0.6358551158.9251.38190.6802120.619552表4-3改进后QS1304风扇总成仿真特性表注：最后一组是在为了与上一步改进前的扇叶在相同情况下进行比较而进行的计算。其设定入口边界条件为指定静压为-50Pa时的计算结果。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6结果分析通过对比改进前、后的扇叶仿真的结果，可以发现改进后的扇叶基本消除了扇叶下部流出的流线在相邻扇叶上部出现的弯折现象，同时也明显改善了扇叶尖部与流线罩之间气流的扰动。通过对比改进前、后扇叶的计算结果，各项指标均优于改进前的扇叶。说明改进是可行的，可以进行进一步的试验验证。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6五、轴流风机性能试验与分析为了获得试验条件下通风机的性能，我国制定了《GB1236/1985通风机空气动力性能试验方法》来对一般情况下的通风机的性能进行测试。通过试验和计算确定通风机在标准进气状态下的空气动力性能参数试验量：通风机的进口容积流量；通风机的全压和静压；通风机的轴功率或内功率；通风机的全压效率和静压效率或全压内效率和静压内效率。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6进气风室试验装置示意图《GB1236/1985通风机空气动力性能试验方法》工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6风机性能试验设备（1）空盒气压表（长春气象仪器厂）；（2）温度计；（3）电源（东方集团WYK-303直流稳压电源）；（4）0.5级电压表；（5）0.5级电流表；（6）补偿式稳压计（中国银河仪表厂）；（7）数字式转速表（DT2234B）；（8）进气风室实验装置（成都华川电装有限责任公司自制）。工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6风机性能试验设备工程硕士学位论文答辩万福2007-3-6改进前后扇叶试验测试特性