基于CFD的风扇及叶轮流场仿真与优化

摘要

课题主要研究目标为旋转叶片的性能分析及优化，主要研究对象为风扇和叶轮。两者工作原理基本相同，其工作环境均为流体介质，均为通过旋转对流体做功;不同之处在于工作介质的密度与黏度差别，其中风扇工作于空气中，叶轮工作于液体中。
　　轴流风扇工作于冰箱内部，其作用为加快箱体内空气对流循环和均化箱内温度分布;离心叶轮工作于洗衣机排水泵中，作用为将洗衣污水通过上排水方式排出。针对两个相似的研究对象，本课题分别完成了以下工作。
　　对于风扇的分析与优化工作，首先基于其工作环境搭建了实验平台，同时根据实验平台建立了CFD计算模型。通过实验分析与CFD计算仿真共同分析了原型风扇在不同转速工况下的工作特性。根据对原型风扇的性能分析结果，从扇叶数量、扇叶安装角度、扇叶弯曲方向和扇叶截面形状四个方面对原型提出了优化方向。分析结果显示，在本课题所研究的工作环境下，叶片数量，叶片的弯曲方向，叶尖到扇毂的安装角度及扇叶截面形状的优化对风扇的性能均有提升作用。通过综合对比不同参数下风扇的性能选定了最终优化方案。相比原型，优化后的风扇在消耗相同的功率下，产生的风量提高了5.8％。
　　对于排水泵叶轮的性能分析与优化工作，首先基于泵轮在洗衣机中的工作环境进行了实验平台的搭建。同时根据实验平台建立了计算模型对水泵流场进行CFD分析。通过对比分析实验与模拟结果，一方面确定了模拟的可靠性，另一方面也对优化方案的提出做出指导。优化方案主要从叶片高度和叶片弯曲方向两方面对叶轮做出了改进。叶片高度的提高使叶轮最高效率点前移到了洗衣机实际工况点，而前弯的叶片设计则使叶轮在相同工况下产生的静压得到提高，同时水泵内流场分布也更为均匀。最终分析结果显示，改进后的叶轮相比原型叶轮流量和效率分别提升了6.62％和4.16％。
　　课题通过对两种工作于不同流体介质的旋转叶片的性能分析及优化，较为系统地总结了旋转叶片性能的主要影响因素及其优化的主要方向，对旋转器械的性能分析及优化有着一定的应用及参考意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 冰箱内轴流风扇制冷原理

1．1．2 洗衣机内离心叶轮排水原理

1．1．3 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本课题研究目标与研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

第二章 流体动力学及旋转叶片的基础理论

2．1 流体动力学理论基础

2．1．1 湍流理论

2．1．2 Fluent控制方程

2．2 旋转式叶片理论基础

2．2．1 旋转叶片分类

2．2．2 旋转叶片定律

2．3 本章小结

第三章 冰箱风扇性能分析及优化

3．1 实验平台搭建与计算模型建立

3．2 原型风扇与改进风扇对比分析

3．2．1 原型风扇与改进风扇参数对比

3．2．2 模拟和实验结果对比

3．2．3 流场仿真结果分析

3．3 多参数分析优化

3．3．1 叶片数量优化分析

3．3．2 叶片弯曲方向优化分析

3．3．3 叶片安装角度优化分析

3．3．4 叶片截面形状优化分析

3．4 优化方案与原型方案对比

3．5 本章小结

第四章 洗衣机排水叶轮性能分析及优化

4．1 实验平台搭建与计算模型的建立

4．2 原型叶轮分析

4．2．1 模拟实验结果对比

4．2．2 原型叶轮流场特点分析

4．3 叶片高度及弯曲方向对叶轮性能影响分析

4．3．1 改进叶轮与原型叶轮参数对比

4．3．2 叶片高度对叶轮性能影响分析

4．3．3 径向叶片与弯曲叶片几何对比

4．3．4 叶片弯曲方向对叶轮性能影响分析

4．4 优化方案与原型方案对比

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

参考文献