基于数值分析的多级离心风机气动优化设计

摘要

离心风机是一种输送气体的机械设备，因其被广泛应用于社会生活和众多的工业部门而发挥着巨大的作用。相当长一段时间内，大量学者对单级离心风机进行了研究，研究对象涉及集流器、蜗壳、叶轮等，随着计算机的快速发展，研究方法也从理论分析、试验研究扩展到了CFD计算，为更好的设计高性能的离心风机提供了强有力的工具和方法。尽管，对单级离心风机的成果颇多，但是对多级离心风机的研究却很少，而且在结构方面，多级离心风机也有别于单级离心风机，因而对多级离心风机的探讨是有必要的。基于此，文章采用CFD方法来分析气流流动的现象，以ANSYS FLUENT12为工具，对污水处理行业用的一个八级离心风机进行改造优化，由于每一级的零部件都相同，且相同的零部件都采用相同的参数，故本文采用了局部的研究方法，即用某一级的气动性能来反映整个风机的气动性能。在研究过程中，重点分析了原风机的流场，叙述了风机内部的流场现象，并进一步提出了导致该种现象的原因以及初步探讨了可能改善的方法，最后优化了风机的参数，使得效率提高了6.21％。概括来说，涉及到的工作内容如下：
　　1、介绍了课题研究的背景及意义、国内外对其研究的状况。
　　2、概括性的介绍了进行一个CFD计算需要考虑的问题以及一般的步骤，介绍了本文对多级离心风机进行数值模拟所需要的相关FLUENT设置及处理。
　　3、建立原风机的几何模型、流域模型，为了更便利的优化离心风机的参数，用PRO/ENGINEER系统自带的PRO/TOOLKIT工具包对多级离心风机的流域模型的参数化进行了二次开发。
　　4、建立原风机的有限元模型，为数值模拟设置求解参数，分析了风机的内部流场包括速度矢量、压力云图以及流线图，揭示了流场的一些缺陷。
　　5、分析了叶片入口安装角b1b、出口安装角对b2b和叶片数z单个因素对效率h的影响，综合考虑三个变量对效率的交互影响，应用响应面优化方法，以Matlab为工具，建立了二次回归方程，并求得了回归方程的最优解，且响应面的最优解(效率)与数值计算得到的解相差0.29%，优化后的流场得到了部分改善，证明了结果的可信性与优化的有效性。

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第1章 绪论

1. 1 课题研究背景及意义

1. 2 离心风机国内外研究现状

1. 3 论文主要研究内容与研究方法

1. 4 本章小结

第2章 基于FLUENT数值计算的基本理论及计算策略

2. 1 流体力学的基本控制方程

2. 2 计算策略

2. 3 F LUENT后处理

2. 4 本章小结

第3章 多级离心风机的结构及流域模型参数化的二次开发

3. 1 风机概述

3. 2 多级风机的基本结构及性能参数

3. 3 流域模型参数化的二次开发

3. 4 本章小结

第4章 多级离心风机的气动计算及流场分析

4. 1 网格划分软件G amb it介绍

4. 2 计算域的网格划分

4.3利用Journal file文件的自动网格划分

4.4 FLUENT中仿真参数设置

4. 5 后处理

4. 6 网格无关性

4.7 采用Journal文件的自动求解设置和输出结果文件

4. 8 流场分析

4. 9 本章小结

第5章 基于响应面方法的气动优化设计

5. 1 基于响应面方法的优化方法

5. 2 影响效率的单因素研究

5. 3 响应面优化设计

5. 4 本章小结

工作总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢