双吸式离心通风机非定常流动特性及旋转失速机理研究

摘要

通风机在低于设计流量的工况下运行时，会出现流动不稳定流动现象，这些不稳定现象的发生不仅增加了通风机的流动损失，降低了通风机的效率，而且严重影响了通风机运行的稳定性和可靠性。本文以双吸式离心通风机为研究对象，采用数值计算和实验测量相结合的方法，对离心通风机的内流场进行定常和非定常计算的基础上，采用能量梯度理论对离心通风机内的流动不稳定现象进行分析和解释;讨论了旋转失速现象产生和发展过程，揭示了旋转失速和喘振的关系;详细描述了内、外特性随流量变化的统一性，建立了内流场的非定常流动特性与外特性曲线在时域和频域上的关联;基于对双吸式离心通风机内非定常流动特性的分析，提出了用于确定双吸式叶轮最优交错角度的压力分布法，并进行了实际工程应用和实验验证。
　　本文的主要研究内容和研究成果如下，
　　(1)为了与非定常流动特性进行更好的对比，首先对双吸式离心通风机的内流场进行了定常数值计算。结果表明，风机外特性的计算结果与实验结果基本吻合。通过对不同叶轮轴向位置和不同流量工况下的气流流动特性和能量梯度函数K值的分析，表明随离心通风机流量的减小，边界层分离首先发生在叶片吸力面的尾缘处，随后有可能会发生在叶片压力面的前缘处。对于叶片表面未发生边界层分离的工况，叶片吸力面上的静压值在靠近叶片前缘处存在压力最低点，叶片压力面上的静压值在靠近叶片尾缘处存在压力最高点。叶片表面发生边界层分离后，叶片吸力面和压力面上的静压曲线在靠近叶轮前缘处发生交叉。随叶轮轴向位置和流量工况的变化，能量梯度函数K值的变化与流场中边界层分离和漩涡的分布发展规律相一致，说明能量梯度函数K的分布能较好地表征离心通风机内部不稳定流动发生的位置和剧烈程度。
　　(2)对双吸式离心通风机内的非定常流动进行了数值计算，风机外特性的实验结果验证了计算结果的准确性。重点分析了旋转失速现象发生后流场的发展与变化，揭示了旋转失速和喘振的关系。研究发现，当旋转失速发生后，叶轮失稳流道的出口处会形成低压区。随叶轮的旋转，低压区会聚集在一起，并周期性的经过和远离风机蜗壳出口。随流量的减小，周期性经过蜗壳出口处的低压区增大。在离心通风机实际的运行工况中，当流量非常低时，该低压区经过蜗壳出口时，会占据蜗壳出口流通截面积的绝大部分区域。从而，风机排气管出口处的总压远大于蜗壳出口处低压区的总压，在压差和扰动的作用下，风机排气管出口处的高压区会驱动蜗壳出口处的低压区形成倒流，导致喘振的发生。随流量的减小，叶轮失稳流道出口处的能量梯度函数K值增大。高K值区域，流体的能量梯度较大，会促进扰动的发展，在一定的条件下，会激励喘振的发生。即旋转失速所产生的叶轮出口处的低压区随流量的减小而增大是引起喘振的内在原因。
　　(3)对双吸式离心通风机内的压力脉动特性进行了计算和实验分析。采用高频动态压力传感器对离心通风机蜗壳壁面的16个测压点处的静压进行了实验测量。16个测压点分别沿离心通风机的周向、径向和轴向布置。在通风机的数值计算中增加了叶轮出口处的3个测压点。数值计算和实验测量结果均预测了旋转失速现象，获得旋转失速团的频率为19Hz，实验测量结果验证了数值计算结果的准确性。通过分析蜗壳壁面测压点处压力脉动的分布规律，发现离心通风机在所研究的流量范围内未发生喘振。对于稳定运行工况，叶轮出口处的压力脉动特性主要受“射流—尾迹”结构的影响。
　　(4)在对离心通风机内流场的非定常流动特性研究的基础上，重点讨论了三种流动状态（静态失速、弱旋转失速和强旋转失速）下，离心通风机的内、外非定常流动特性间的关联关系。研究发现，离心通风机叶轮出口处测压点上的压力脉动特性随流量的变化，可分为三个阶段:a.在接近额定流量工况下，叶轮出口处的压力脉动是由叶轮出口处的“射流—尾迹”结构引起的。b.随离心通风机流量的减小，叶轮出口处的压力脉动源于“射流—尾迹”结构和叶轮出口处高速旋转低压单元的综合影响。c.随离心通风机流量的进一步减小，叶轮出口处的压力脉动受“射流—尾迹”结构和叶轮出口处的低速旋转低压单元共同影响。叶轮出口处的旋转低压单元是由旋转失速引起的。与此相对应，离心通风机的总压曲线随流量的变化，也可分为三个阶段:a.在接近额定流量工况下，离心通风机的总压曲线随时间基本为一固定值。b.随离心通风机流量的减小，离心通风机的总压曲线呈现高频小幅波动。c.随离心通风机流量的进一步减小，叶轮出口处的低压单元随叶轮的旋转周期性的经过和远离蜗壳出口，导致离心通风机总压呈现低频大幅的周期性波动。
　　(5)双吸式叶轮的交错角度影响着叶轮出口处的“射流—尾迹”结构，从而对离心通风机的性能有着一定的影响。在分析叶轮交错角度对双吸式离心通风机性能影响的基础上，探讨了双吸式离心通风机最优叶轮交错角度的确定方法。研究发现，对于性能最优的交错叶轮，在其叶轮出口处，一侧叶轮的压力极小值与另一侧叶轮的压力极大值恰好处于同一周向位置时，叶轮两侧的压力在叶轮出口处达到平衡。在此基础上，提出了用于判断双吸式离心通风机最优叶轮交错角度的压力分布法。根据压力分布法，推测出另一台双吸式离心通风机的最优叶轮交错角度为α=10°。对不同叶轮交错角度下的该风机进行外特性实验发现，交错角度为10°的离心通风机性能最优，这与数值预测结果相一致，从而验证了压力分布法的正确性。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 离心风机内流场特性研究

1．2．2 离心风机内旋转失速现象的研究

1．2．3 双吸式叶轮的研究

1．3 本论文的主要研究内容

第二章 双吸式离心通风机内定常流动数值计算

2．1 引言

2．2 离心通风机定常流动计算方法

2．2．1 通风机模型

2．2．2 数值计算方法

2．2．3 网格无关性验证

2．2．4 能量梯度理论

2．3 风机外特性测试装置

2．3．1 动力传输系统

2．3．2 外特性测量系统

2．3．3 外特性参数的测量

2．4 数值计算结果和分析

2．4．1 计算结果验证

2．4．2 内流场沿叶轮轴向的分布特性

2．4．3 流量对内流场特性的影响

2．5 本章小结

第三章 双吸式离心通风机内旋转失速现象的数值分析

3．1 引言

3．2．1 控制方程和数值方法

3．2．2 网格和时间步长无关性验证

3．3 数值计算结果和分析

3．3．1 非定常计算结果验证

3．3．2 测压点非定常特性分析

3．3．3 内流场非定常特性分析

3．4 本章小结

第四章 双吸式离心通风机内压力脉动特性的计算和实验分析

4．1 引言

4．2 压力脉动特性实验装置

4．2．1 外特性测量系统

4．2．2 动态压力测量系统

4．2．3 测压点布置方案

4．3 非定常流动的结果和分析

4．3．1 计算结果验证

4．4．2 失速工况下的压力脉动特性

4．4．3 额定工况下的压力脉动特性

4．5 本章小结

第五章 双吸式离心通风机内、外非定常流动特性的关联

5．1 引言

5．2 蜗壳流道测压点布置

5．3 蜗壳流场内测压点非定常特性分析

5．3．1 压力脉动分布特性

5．3．2 压力脉动频谱分析

5．4 内、外非定常流动特性的关联

5．4．1 静态失速

5．4．2 弱旋转失速

5．4．3 强旋转失速

5．5 本章小结

第六章 双吸式离心通风机最优叶轮交错角度的确定

6．1 引言

6．2 叶轮出口处流动特性的变化

6．2．1 原始通风机内部的气流流动特性

6．2．2 叶轮交错角度对通风机内、外性能的影响

6．2．3 压力分布法的提出

6．3 压力分布法的验证

6．4 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 本文研究工作总结

7．2 今后研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果及荣誉

致谢