锯齿形尾缘结构对轴流风机气动特性及内流影响分析

摘要

叶片尾缘涡脱落及尾迹是影响轴流风机噪声及流动损失的重要因素之一，对叶片尾缘改型可影响尾缘涡脱落及尾迹流动，而尾缘锯齿结构为一种尾缘改形方法，众多研究显示其具有降低叶轮机械噪声的潜力，但其对轴流风机包括尾缘脱落涡、尾迹等内流影响的研究尚不多见。本文以一款轴流风机为研究对象，在尾缘添加锯齿结构，结合数值模拟方法，旨在研究尾缘锯齿结构对轴流风机气动特性及内流的影响。
　　（1）通过数值模拟方法对一款轴流风机气动特性进行评估，并结合实验测试结果对数值模拟方法进行验证，结果表明，数值模拟与实验测试结果相比，全压及效率误差在5％以内，证明了数值计算方法的有效性。
　　（2）在轴流风机尾缘添加多种尺寸的正弦型锯齿结构，基于数值模拟对比分析各模型气动特性，结果表明正弦锯齿结构削弱叶片尾缘做功能力，使得风机全压降低，但提升了中小流量工况下风机效率1~2%，且齿宽和齿高两参数对风机全压及效率的影响程度不同，气动性能对齿高的变化更敏感。
　　（3）基于稳态及瞬态数值模拟对轴流风机内流进行分析，结果显示锯齿结构能切碎尾缘脱落涡，降低尾缘处涡的展向一致性，且形成锯齿间的涡对，拓宽了脱落涡的分布范围。同时，锯齿结构有效减弱叶片中部以下位置尾缘附近的尾迹强度，对尾迹的抑制作用从叶片根部到中部逐渐减弱。压力脉动分析结果表明锯齿结构能降低近尾缘处的压力脉动，且主要是低频压力。
　　（4）针对这种尾缘添加锯齿结构的特殊形式的叶轮叶片，其三维造型及结构化网格划分异常繁琐，为加速数值模拟前处理，对这种特殊形式的叶轮叶片进行参数化建模，且基于二维网格层叠形成空间六面体网格的思路完成叶轮域的结构化网格划分，并提出一种权重因子计算方法，经网格质量评估指标验证，其显著改善了超限插值法所生成二维网格的质量。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 尾缘锯齿结构研究现状

1.3 本文研究工作

2 轴流风机数值计算方法及实验

2.1 网格生成

2.2 控制方程

2.3 湍流数值模拟

2.4 边界条件及求解

2.5 数值方法验证

2.6 本章小结

3 尾缘锯齿结构对轴流风机气动特性影响

3.1 尾缘锯齿结构风机模型建立

3.2 锯齿形状参数对气动特性影响

3.3 锯齿结构对叶片做功能力分析

3.4 本章小结

4 尾缘锯齿结构对轴流风机内流影响分析

4.1 叶片尾缘处流动分析

4.2 锯齿结构对尾迹区流动影响

4.3 压力脉动分析

4.4 本章小结

5 尾缘锯齿结构风机参数化建模及结构化网格划分

5.1 锯齿尾缘叶片参数化成型

5.2 结构网格生成算法

5.3 一种改进的超限插值法

5.4 叶轮域网格生成及输出

5.5 自编程序生成网格算例验证

5.6 本章小结

6 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 在学期间科研成果及参与项目

附录2 部分程序代码