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1、沈鼓引进子午加速风机 性能分析和系列化研究李锐 导师：李景银 副教授 流体机械中心-硕813 2010/01报告内容第一章：数据整理和发现的问题 第二章：计算的网格的选择和生成 第三章：网格无关性验证及不同计算区域的性能对 比 第四章：风机实验性能曲线的模型的确定及判断依 据 第五章：新老整机模化模型的计算结果与对比分析 第六章：改进模型的计算 一. 数据整理和发现的问题第一章. 数据整理和发现的问题（一）.数据整理和动叶造型的步骤 1. 绘制出叶片各个截面上的中线。 2.将中线数据直接输入fluent，根据叶片的厚度 和截面上其他尺寸，做出中线所在的截面。并 对相应的截面进行光滑、延伸及增减
2、处理。 3. 把各个截面上相应的位置相互连接组成动叶 ，再组合成叶轮 1. 整理数据绘制中线中出现的问题及解决1）.在径向高度为2114mm、1593.8mm和 1381.3mm的截面上标注不准确。 2）.作出的中线有些地方并不光滑 ，如下图所 示：一. 数据整理和发现的问题一. 数据整理和发现的问题径向为1275mm和1381.3mm处原叶片中线城市规划面临的挑战（1）面临取消城乡户籍二元制的冲击； （2）面临土地所有制多样化的冲击（城市乡村部分土地实行私有化趋势）； （3）面临人口数量素质巨大压力,城市化压力； （4）面临资源短缺冲击（水、土地资源）； （5）面临生态安全及环境污染加大压力
3、； （6）面临开发区热到硅谷热、光谷热的冲击、大学园区热（高科技与高新技术）；（7）面临旅游产业高速发展的巨大冲击； （8）面临高新技术农业（生态农业、观光农业）的冲击； （9）面临经济全球化、加入WTO、市场经济的冲击； （10）面临人们思维多元化、追求个性化，多元文化、消费 超前化的巨大冲击。(11) 汽车进入家庭的影响； （12）信息革命的巨大影响。（生产方式、生活方式以及社 会变革对城市规划的压力）一. 数据整理和发现的问题 2.对由中线所生成的截面进行处理1）.添加截面a.在动叶顶端添加截面叶片顶端截面高度为2125mm 。通过 将2114mm处的截面移到2125mm处得到 2125
4、mm处的截面 。一. 数据整理和发现的问题b.在轮毂处添加截面添加的截面ABDC图 一. 数据整理和发现的问题2）.删除截面原始叶片图 一. 数据整理和发现的问题修改后叶片图 一. 数据整理和发现的问题3）.延伸截面厂家提供的11个截面图 一. 数据整理和发现的问题 3. 生成叶轮 将19个动叶沿圆周方向均匀分布与对应的轮毂 部分组合成叶轮如下所示：GAMBIT中的叶片造型 一. 数据整理和发现的问题 （二）NUMECA所用叶片造型和计算效果1.基本步骤 1）. 根据厂家提供的叶型数据在Pro/e中做叶片 造 型。 2）. 将Pro/e中叶片造型的相关截面上。导 入NUMECA中。 3）. 把
5、输出的叶型数据按照NUMECA输入格式 进行整理，并导入NUMECA生成动叶。一. 数据整理和发现的问题2. NUMECA中造型的问题和计算效果 1）.在中所做叶片造型也存在上面类似的问题 ，且由Pro/e导入NUMECA时会发生一定的变 形。 2）.用NUMECA进行数值模拟计算时，很多流 量下都不收敛，即使增大动叶安装角，也不能 改进收敛。一. 数据整理和发现的问题 由以上分析可知，采用NUMECA计算 该风机流场失败，因此，我们后来的计算都 是选用fluent进行的。（三）结论二.计算的网格的选择和生成 第二章.计算的网格的选择和生成 （一）.本风机的流道形状及本文采用的网格 1.本风机
6、的流道形状厂家提供的德国风机流道图二.计算的网格的选择和生成 2.网格的选择进气箱 导流板 内部进气箱 其它部 分前导叶 动 叶后导叶 扩散 筒结 构规则不规则不规 则不 规 则不规 则规则网 格结构化非结构 化非结构 化非 结 构 化非结构 化结构 化二.计算的网格的选择和生成（二）.主要计算网格的生成 1.动叶网格生成动叶网格数为52万二.计算的网格的选择和生成2.前导叶网格生成前导叶总网格数量为22万二.计算的网格的选择和生成3.后导叶网格生成 后导叶总网格数量为32万 二.计算的网格的选择和生成4.进气箱网格生成进气箱导流板以下部分 进气箱导流板以上部分网格数为52万 网格数为3.7万
7、二.计算的网格的选择和生成5.总体网格生成网格数为200万二.计算的网格的选择和生成6.设置边界类型 1）.将入口设置为VELOCITY_INLET，将出口 设置为PRESSURE_OUTLET。所有轮毂 和 机壳都设置为WALL，采用无滑移壁面模 型，包括进气箱中导流板。 2）.进口为速度进口，出口为大气压，不可压 缩 气体，空气密度为1.2千克/立方米。二. 不同网格模型的性能对比 第二章.不同网格模型的性能对比 1.网格无关性验证 1）.单动叶全尺寸整周模型计算对流量500m3/s、转速为420rpm的动叶整周 模型进行数值计算： a. 54万网格，b.110万网格 。由计算结果可知全压
8、和效率变化量不超过 0.3%。故动叶流场可采用的网格数可以为54万 个。二. 不同网格模型的性能对比2）.老式整机全尺寸整周模型计算对流量500m3/s、转速为420rpm的老式整 机进行数值计算： a. 210万网格，b.300万网格 。由计算结果可知全压和效率变化量不超过 0.5%。故动叶流场可采用的网格数可以为210 万个。二. 不同网格模型的性能对比2.单通道和整周模型计算结果的对比分析 1）.动叶的单通道和整周全尺寸模型结果对比分析 全压图 效率图由上图可知，两个模型计算得到的性能曲线比较吻合 二. 不同网格模型的性能对比2）.对动叶+后导叶全尺寸单通道和整周模化模型 计算结果对比分
9、析（模化尺寸为1:4，转速增大4倍 ） 全压图 效率图故两个计算结果也很接近。由于增加了后导叶， 且后导叶损失较大，两个计算结果都比单动叶时要小。综上所述，可知单通道模型与全尺寸和模化模型的 差别都很小。 二. 不同网格模型的性能对比3.动叶整周全尺寸与整周模化模型计算结果对比分析全压图 效率图故可以认为全尺寸模型与模化后的模型计算结果 一 样，可以用模化模型代替全尺寸模型。 二. 不同网格模型的性能对比4.以上动叶的计算结果与试验值作比较全压图 效率图由上图可知，叶轮整周模化模型的计算结果 与实验值最接近 。二. 不同网格模型的性能对比5.结论由以上对比分析可知，风机的整周模化模型 的计算结
10、果，无论对于单动叶还是动叶加上后导叶 的情况，都比较理想。而且，模化模型由于网格的 相对密度更大，与试验数据更接近，因此，本文后 面都采用模化模型进行计算。 三.实验模型的确定及判断依据 第三章.实验模型的确定及判断依据 （一）. 0度进口角计算结果与实验数据对比 1.单动叶计算结果与实验值对比 流场入口延伸150mm，出口延伸600mm。其网格数为951437个。单动叶模化模型三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由数据对比分析可知,单动叶模型计算结果和数据 吻合较好。 动叶模型与实验所得性能曲线对比图 三.实验模型的确定及判断依据 2.前导叶+动叶计算结果与实验值对比入口延伸200m
11、m，出口延伸600mm，网格数为1346997个。 前导叶+动叶模化模型 三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由上图可知，本模型性能曲线与实验值的效率在设 计流量下非常一致，总体也比较吻合，但带有前导叶的 计算结果相对单动叶压力和效率都略有降低。 前导叶+动叶模型和实验的性能曲线 三.实验模型的确定及判断依据 3.叶轮+后导叶计算结果与实验值对比动叶向出口方向延伸600mm，向入口方向延伸200mm。网格总数为1230967个。动叶+后导叶模化模型 三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由上图明显可以看出本模型计算结果和实验值 相差很大。 动叶+后导叶模型和实验的性能曲线 三.实
12、验模型的确定及判断依据 4.叶轮+后导叶+扩散筒计算结果与实验值对 比入口延伸200mm，出口即扩散筒出口。其网格总数为1154611 个。 动叶+后导叶+扩散筒模化模型 三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由上图明显可以看出本模型计算结果和实验值 差距进一步加大。 动叶+后导叶+扩散筒模型和实验的性能曲线 三.实验模型的确定及判断依据 5.前导叶+叶轮+后导叶+扩散筒计算结果与实验值对 比其网格总数为1302869个。 前导叶+动叶+后导叶+扩散筒模化模型 三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由上图可知，本模型计算结果基本与动叶+后 导叶+扩散筒模型相同。因为，前导叶对流场的
13、 影响较小。前导叶+动叶+后导叶+扩散筒模型和实验的性能曲线 三.实验模型的确定及判断依据 6.整机计算结果与实验值对比其网格总数为1570023个 。 整机模化模型 三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由上图可知，本模型计算结果与前导叶+动 叶+后导叶+扩散筒模型基本相同，只是稍微有 所降低，因为进气箱对流场产生了一定的影响。整机模型和实验的性能曲线 三.实验模型的确定及判断依据 （二）. +/-15度进口角时计算结果与实验数据对比 1.带预旋的单动叶的计算结果与实验值对比 通过设置V轴来改变流量，而通过设置V径可 以实现进口角的改变，其中a即为相应的角度 ，它们之间满足关系式：ta
14、na= V径/ V轴。动叶速度三角形三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由上图可见，在+15度进口角下计算的单动叶 性能曲线比实验值依然很符合。+15度预旋进口角的单动叶和实验的性能曲线 1).+15度预选进口角的性能曲线对比三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由上图可知，气流预旋进口角为-15度时，单 动叶模型与试验数据也较一致. +15度预旋进口角的单动叶和实验的性能曲线 2).-15度预选进口角的性能曲线对比三.实验模型的确定及判断依据 2.前导叶+动叶的计算结果与实验值对比 1).在进口导叶角度为+15度下的计算对比+15度进口导叶角的前导叶+动叶模型和实验的性能曲线
15、全压图 效率图 由以上图可知，在+15度时，前导叶+动叶模 型得计算值与实验值吻合很多,而且优于加预旋的 单动叶三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由上图可知，通过设置进口导叶安装角为-15度 时，计算结果比直接设置气流进口角度为-15度的 计算结果更接近实验值。-15度进口导叶角的前导叶+动叶和实验的性能曲线 2).-15度进口导叶角的性能曲线对比三.实验模型的确定及判断依据 3.整机的计算结果与实验值对比 1).在进口导叶角度为+15度下的计算对比+15度进口导叶角的整机模型和实验的性能曲线 全压图 效率图 由上图可见，在进口导叶角为+15度时计算值 远远的低于实验值。三.实验模型的确定及判断依据 全压图 效率图由上图可知，在-15度角下整机的计算值也远 远的低于实验值。 -15度进口导叶角的整机和实验的性能曲线 2).-15度进口导叶角的性能曲线对比三.实验模型的确定及判断依据 综上所述，在+/-15度进口导叶角下，前导 叶+动叶和实验值最接近，其次是进口有预旋 的单动叶模型，而整机的计算结果和实验值相 距甚远。三.实验模型的确定及判断依据 （三）. +/-30度进口角时计算结果与实验数据对比 1.带预旋的单动叶的计算结果与实验值对比 1).+30度预选进口角的性能曲线对比全压图 效率图由上图可知单动叶性能曲线相比实验值 偏高，但依然
