罗茨鼓风机内部流场数值模拟及其特性分析

摘要

罗茨鼓风机用于食品饮料、制药、化工、污水处理等工业领域，由于排气过程中容积的变化，它一直存在回流冲击、内泄漏、压力脉动和流量脉动等不足，它的流动具有明显的旋涡、温升等现象，以前很难用理论进行计算和分析。
　　 随着计算机的发展，计算流体动力学(CFD)仿真开始应用于罗茨鼓风机的设计和流场分析中，CFD仿真可以提高设计质量、缩短研发时间以及避免新设计带来的风险。
　　 本文首先对罗茨鼓风机的结构及工作原理进行了深入的分析，介绍了罗茨风机的特点与性能，总结了它的常用经验计算公式；在此基础上，使用商用软件对罗茨鼓风机进行了三维及二维动网格仿真。
　　 在三维仿真计算过程中，使用了k-w双方程模型、二阶迎风格式和SIMPLEC算法，在近壁区速度及温度的计算中采用标准壁面函数法，得到了截面及轴向流场的情况。仿真结果显示：在压力面和吸力面，静压从叶片根部到顶端的大部分范围内逐渐增大，但在靠近顶端的很小的范围内，静压沿远离叶片根部的方向又迅速减小，间隙部分压力状况很复杂，在间隙中间存在着不连续的低压区，各间隙的压力分布状况不同；进排气部分存在旋涡。
　　 针对罗茨鼓风机内流场的时变特性，在旋转部分采用弹簧光滑模型以及局部重新划分的方法，对罗茨鼓风机内流场进行了二维动网格仿真，得到了不同时刻的流场状况。经数据分析得到：流场内存在旋涡，并且处于不断变化之中；由于涡的存在，使得排气流量失去稳定，在数值模拟中出现了一个明显的小脉动现象；通过不同转角位置的速度矢量图、压力等值线图详细展现了理论分析所不能给出的气流脉动流动现象。
　　 通过将数值仿真结果与实验数据及有关文献数据对比表明：三维数值仿真得到的排气流量为1.4594815kg/s，二维动网格得到的排气流量为1.507854 kg/s，实际流量为1.510833kg/s，仿真结果合理，主要的流动现象与相关文献一致。三维仿真与动网格二维仿真相结合，可以更全面地了解罗茨鼓风机内部流场情况。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 选题背景

1.2 叶轮机械内部流动数值模拟的发展

1.2.1 早期计算流体力学发展的概述

1.2.2 叶轮机械内部流动数值模拟的发展

1.2.3 数值模拟的局限性和发展前途

1.3 罗茨鼓风机的发展及研究现状

1.3.1 罗茨鼓风机的发展

1.3.2 罗茨鼓风机的研究现状

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 罗茨鼓风机的基本原理

2.1 罗茨鼓风机的工作原理

2.2 预进气原理

2.3 罗茨鼓风机的主要结构部件

2.4 罗茨鼓风机的特点及应用

2.4.1 罗茨鼓风机的特点

2.4.2 罗茨鼓风机的应用

2.4.3 罗茨鼓风机的分类

2.5 罗茨鼓风机的流量分析

2.5.1 流量

2.5.2 内泄漏流量理论计算模型

2.5.3 空冷罗茨鼓风机内泄漏量经验公式

2.5.4 外泄漏流量

2.6 本章小结

第3章 罗茨鼓风机内流场的求解方法

3.1 物理模型及控制方程

3.1.1 物理模型

3.1.2 基本控制方程

3.2 湍流模型的选择

3.2.1 湍流模型简介

3.2.2 湍流模型对应的输运方程

3.3 受壁面限制的湍流流动的近壁面处的处理方法

3.3.1 壁面函数法

3.3.2 主要参数的计算

3.4 离散方法和求解方式

3.4.1 离散方法

3.4.2 求解方式

3.5 本章小结

第4章 罗茨鼓风机流场的三维数值模拟

4.1 物理模型区域的划分及网格生成

4.2 初始条件及边界条件

4.3 初始化及收敛条件

4.4 模拟结果及其分析

4.4.1 叶片静压分布

4.4.2 叶轮与机壳间隙的压力分布

4.4.3 截面温度分布

4.4.4 截面速度矢量分布与涡流分布

4.5 本章小结

第5章 动网格在罗茨鼓风机内流场的模拟中的应用

5.1 UDF的应用

5.2 动网格的更新方法

5.3 采用动网格的计算结果

5.3.1 网格变形

5.3.2 动网格与非运动网格计算结果比较

5.3.3 基元容积与排气部分相通时的流动分析

5.3.4 脉动最大时的流动分析

5.3.5 排气流量最大时的流动分析

5.3.6 小脉动的流动分析

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表