矩形流道内轴流风机非设计工况下流动和传热特性研究

摘要

风机与换热器的组合广泛应用于现代机电产品的换热结构中，并集成在常用的矩形截面流道中。为了降低产品的能耗，常在流道中布置轴流风机作为气流驱动部件。但是矩形截面的流道和换热器的双重阻力对轴流风机的运行工况会产生较大影响，使其工作在非设计工况下，导致风机流场特性和换热器换热特性均受到不同程度的影响。为了合理匹配风机流场和换热器换热特性，保证流道内高效节能地换热，本文以设有蒸发器和轴流风机并应用在风冷冰箱中的矩形换热流道作为研究对象，对矩形流道内轴流风机非设计工况下的流动特性和传热特性进行了研究。
　　首先对所研究的轴流风机的性能进行了测试，为后续确定不同流道阻力下风机实际运行工况点提供了依据;其次，采用粒子图像测速(PIV)技术对不同流道阻力条件下风机出口的流场特性进行了实验分析，定性地得出在较大流道阻力下，风机出口流场呈径向运动的特性，并随着阻力的减小流场由径向往轴向偏转。在实验研究的基础上，采用fluent软件进行数值模拟，对流道阻力特性、风机内部和出口流场参数的分布进行了定量描述，确定了风机的实际工况点。对不同工况下风机叶顶间隙内的流场进行了研究，结果表明风机的不同阻力工况对间隙涡的产生、周向和轴向分布以及涡流的强度均会产生较大影响。最后通过对叶片表面压力和内部流道压力进行分析，基于径向平衡方程对大阻力条件下风机流场径向运动的机理进行了解释，得出风机前后大压差和径向平衡关系的破坏是导致气流径向运动的主要原因。
　　搭建了低速气流流动和制冷实验台，基于不同风机流场状态对蒸发器总体换热量进行了实验研究，确定了换热量的分布。在实验研究的基础上，对单个翅片通道进行了数值模拟，以热流密度、换热系数和努塞特数等量化参数确定了不同流场状态下蒸发器的局部换热性能。最后从场协同角度考虑风机不同工况下换热通道内流场和温度场的协同性关系变化，结果表明，在由风机离心流场向轴向转变时，协同性有所改善，但无明显变化。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 轴流风机的流场特性

1．3．2 轴流风机性能改善

1．3．3 换热器的传热与阻力特性

1．3．4 换热器结构排布与改进

1．3．5 场协同性研究

1．4 本文的主要工作

1．4．1 课题来源

1．4．2 主要内容和结构

第二章 轴流风机非设计工况下出口流场的实验研究

2．1 研究对象

2．2 风机总体性能测试

2．2．1 测试装置

2．2．2 风机性能测试结果

2．3 PIV流场测试

2．3．1 PIV实验装置

2．3．2 测量面布置及数据处理

2．3．3 实验工况

2．4 测试结果分析

2．4．1 风机运行工况对转速和功耗的影响

2．4．2 不同工况下风机出口流场分析

2．4．3 转速对风机出口流场离心特性的影响

2．5 本章小结

第三章 矩形流道内轴流风机非设计工况流动数值分析

3．1 数值计算方法

3．1．1 网格划分

3．1．2 控制方程

3．1．3 湍流模型

3．1．4 离散方法和离散格式

3．2 矩形流道内轴流风机流场的数值模拟

3．2．1 几何模型和网格划分

3．2．2 计算结果验证

3．3 计算结果分析

3．3．1 流道阻力对风机运行工况的影响

3．3．2 非设计工况下风机出口流场特性分析

3．3．3 非设计工况下风机内部流动分析

3．3 ．4 叶顶间隙流动分析

3．4 轴流风机出口气流径向扩散机理分析

3．5 本章小结

第四章 轴流风机非设计运行工况下换热器换热特性分析

4．1 实验装置

4．2 温度测试

4．2．1 测试点布置

4．2．2 测试设备及方法

4．3 测试结果分析

4．4 非设计工况下翅片通道的数值模拟

4．4．1 几何模型

4．4．2 网格划分和边界条件设定

4．5 结果分析

4．5．1 翅片通道阻力和流场特性

4．5．2 翅片通道换热特性分析

4．5．3 场协同性分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况