无叶风扇出口环形缝隙射流的实验研究与数值分析

摘要

无叶风扇的问世为风机领域引入了新的吹风机制——环形缝隙射流。因无叶风扇的“空气倍增”特性（上方出风量比下方进气量增加多倍）、湍流研究的重要性，以及中空喷嘴的自由气体环形缝隙射流的研究缺失性及其良好的应用前景，无叶风扇出口环形缝隙射流的研究具有较高的学术及应用价值。
　　本文采用了以热线风速仪测速与通风多参数检测仪测压的两项实验为主、RNG k-ε模型的数值模拟为辅并结合湍流理论研究的方法，在多雷诺数下，对无叶风扇出口环形缝隙射流进行了较为全面系统的研究。本文的目的是通过时均流与湍动流（包括小尺度湍流）在各横截面及沿轴线的各流动参量的剖面，获得无叶风扇出口环形缝隙射流的流动特性、流场结构及射流的完整发展，从中深入研究无叶风扇“空气倍增”的根本内在机理——拟序运动及其演变的规律，阐释拟序运动对于出口环形缝隙射流各阶段发展所起的具体作用以及湍流场的间歇性状态，此外，以新型的偏心缝隙结构实施对环形缝隙射流的被动控制，并分析雷诺数对流场的影响。通过研究发现了以下流动现象和结论:
　　1.无叶风扇流动特性及拟序运动的研究。无叶风扇的高雷诺数出口环形缝隙射流，经Coanda效应，通过拟序结构的运动而形成了高湍动强度的自由剪切层。因拟序运动，无叶风扇所谓的“空气倍增”由两处卷吸共同实现:一为对出风框前方沿程气体的展向裹入卷吸，二为对出风框后方气体的向前卷吸。本文的模拟中，在出风框前方3m处的出风流量为下方进气量的26.6倍，其中前方沿程气体的带入量为后方气体的2.41倍。后方被卷吸向前的气体，进入了近场区的环形射流的内部，从而使该区域的拟序运动状况对整个流场产生了重要的影响。沿流向，吸入周围流体的展向马蹄涡的尺度及下端缺口均越来越大，上下不对称而水平方向基本对称。因此，无叶风扇的出口流场中，时均速度场、脉动速度场及压力场在垂直方向上均为轴不对称分布，而在水平方向均为基本轴对称分布。环形缝隙射流对外界气体的卷吸整体随雷诺数的增加而增长，而近场环形射流内部的卷吸在总体上却随雷诺数的增加而降低。
　　2.无叶风扇出口环形缝隙射流的流动结构及小尺度湍流的研究。在近场区的环形射流内部，沿流向，环形缝隙射流对后方气体的向前卷吸逐渐衰变。约在流向0.5d处（d为Coanda面的喉部直径，以出风框的前端面为基准），展向马蹄形涡结构对下方流体的“吸入”开始活跃，沿流向，这种向上的吸入越来越强烈;约至流向1.5d处，上侧大尺度拟序结构使环形射流开始向上合并，下侧流场被“吸入”上侧;同时，流场合并中的拟序运动使剪切层失稳，流向2.2d处小尺度湍流因此被激发得最充分，2.2d之后湍流场随拟序结构的缓慢衰变而衰变;约流向3d处，环形缝隙射流基本完成合并。全流域的时均速度、轴线0.7d～2.2d之间的湍流强度均随雷诺数的增加而增长。湍动能耗散率ε、Kolmogorov尺度η等小尺度湍流的流动量比时均流更早进入自相似状态，对于流场条件的变化，小尺度湍流反应更灵敏。
　　3.无叶风扇出口环形缝隙射流的合并后单股射流的研究。合并而成的单股射流与经典圆形射流存在根本性的区别，其射流扩展并不具备完全的轴对称性。雷诺数对合并后射流在垂直方向的特征半厚度影响不大，雷诺数对合并后射流的卷吸效应主要在于水平方向的正向影响。高雷诺数可提高合并后射流的大涡含能量，促进湍流更充分地发展，亦加快了下游湍流场的流向衰变。
　　4.无叶风扇出口环形缝隙射流的被动控制研究。无叶风扇在现阶段尚存垂直方向的流场不均衡、增大通风量及降噪的问题。本文提出的S0.9型、S0.75型与S0.6型的三种偏心缝隙的新型结构，经预测性良好的RNG k-ε模型的数值模拟的验证，对于无叶风扇垂直流场的不均衡均有较高的改善作用，并在一定程度上增大了通风量。其中，S0.6型在中远场区的控制最佳。偏心结构能够控制流场的根本原因在于在近场区减弱了上侧拟序运动而增强了下侧拟序运动;近场区的环形射流内部为控制无叶风扇环形缝隙射流的重要区域。

目录

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摘要

插图和附表清单

注释说明清单

第一章 引言

1．1 无叶风扇的研究背景及意义

1．2 无叶风扇的研究现状及发展趋势

1．2．1 无叶风扇的研究现状

1．2．2 无叶风扇的发展趋势

1．3 环形缝隙射流的研究现状及发展趋势

1．3．1 环形缝隙射流的研究现状

1．3．2 环形缝隙射流的发展趋势

1．4 流场测试技术

1．5 Coanda效应的研究

1．6 湍流中的拟序结构

1．7 本文研究的技术路线和研究方案

1．8 本文研究的主要内容

第二章 无叶风扇出口环形缝隙射流的流动特性

2．1 湍射流基础理论

2．1．1 粘性流体运动的基本控制方程

2．1．2 湍流时均运动控制方程

2．1．3 湍流脉动运动控制方程

2．1．4 恒定湍流边界层方程

2．2 湍流模式理论的发展及计算模型的选择

2．3 无叶风扇数值模拟的计算

2．4 实验数据与模拟结果的对比性研究

2．4．1 时均速度场的实验与模拟的研究

2．4．2 压力场的实验与模拟的研究

2．4．3 脉动速度场的实验与模拟的研究

2．5 无叶风扇上部流场的流动分析

2．5．1 出口环形缝隙射流的流动特性分析

2．5．2 环形缝隙段等熵出流的理论研究

2．5．3 出风框空腔的内流分析

2．6 结论

第三章 无叶风扇出口环形缝隙射流的流场结构

3．1 CTA热线测速的基本原理及设备

3．1．1 CTA热线测速的基本原理

3．1．2 9054N0811 Multichannel CTA恒温式热线风速仪

3．1．3 标定器、空气过滤单元和热线探针

3．2．1 实验装置与流程

3．2．2 测速方法及误差评估

3．3 环形缝隙射流的的出口条件

3．4 各横截面的测量结果与分析

3．5 沿轴线的测量结果与分析

3．5．1 沿轴线的时均速度剖面

3．5．2 沿轴线的湍流强度与雷诺应力剖面

3．5．3 沿轴线的概率密度函数的偏斜因子与平坦因子的剖面

3．6 无叶风扇出口环形缝隙射流的流场结构

3．7 结论

第四章 无叶风扇出口环形缝隙射流的小尺度湍流研究

4．1 小尺度湍流的相关理论研究基础

4．2 沿轴线小尺度湍流的实验结果与分析

4．2．1 湍动能耗散率沿轴线的剖面

4．2．2 Kolmogorov尺度沿轴线的剖面

4．2．3 湍流雷诺数沿轴线的剖面

4．2．4 轴线脉动速度的PDF

4．3 小尺度湍流的流动分析

4．4 结论

第五章 无叶风扇出口环形缝隙射流的合并后单股射流

5．1 合并后射流的平均流

5．1．1 合并后射流的特征半厚度

5．1．2 合并后射流的时均速度峰值

5．2 合并后射流的湍动流

5．2．1 合并后射流的湍流强度与间歇因子

5．2．2 合并后射流的积分长度尺度

5．2．3 合并后射流的积分时间尺度与欧拉耗散时间尺度

5．2．4 合并后射流的湍动能耗散率与Kolmogorov尺度

5．3 合并后射流的流向脉动能量的谱分布

5．4 结论

第六章 无叶风扇出口环形缝隙射流的被动控制

6．1 出口环形缝隙射流的相对速度流线图

6．1．1 子午面的相对速度流线图

6．1．2 各横截面的相对速度流线图

6．2 无叶风扇出口环形缝隙射流的被动控制

6．2．1 偏心缝隙结构的提出及构造

6．2．2 偏心缝隙结构的速度云图与流量倍数

6．2．3 偏心缝隙结构的时均流

6．2．4 偏心缝隙结构的湍动流

6．3 偏心缝隙结构的相对速度流线图

6．4 结论

第七章 结论与展望

7．1 全文的主要结论及创新点

7．1．1 全文的主要结论

7．1．2 本文的创新点

7．2 今后尚需进行的工作展望

参考文献

作者简介及读博期间主要科研成果

致谢