地铁用单极轴流式通风机内部流动分析及优化设计

摘要

轴流式通风机在国民生活中有着广泛的应用范围，近年来随着地下交通方式的普及，更是得到了全面的发展。但是风机本身能源消耗较大，占据全国煤炭总消耗的15％左右，因此提高风机的能源利用率对经济和环境都有着巨大的贡献。同时由于其内部流场复杂，工作效率普遍较低，因此提高轴流式通风机的气动性能和设计水平对资源的合理配置也有着巨大的推进作用。　　本文以单级地铁轴流式通风机为研究对象，对原始风机模型进行数值模拟，并将模拟结果与实验数据进行对比，以保证数值模拟的合理性和准确性。再依据模拟结果进一步深入探究地铁轴流式通风机的内部流动特征，在此基础上，研究了动静区域结构对风机性能的影响，包括风机叶顶形态改型，进出口管道的布置，并对改型前后风机内外流场进行对比分析。最后在前面分析的基础上，提出了风机动静叶优化设计方案，建立新的三维模型并进行数值模拟验证，对改善风机气动性能展开研究。本文具体研究内容和主要研究成果包括以下三个方面:　　(1)研究了叶顶开槽设计对单级地铁轴流式通风机气动性能的影响。结果表明:开槽形状、开槽系数、开槽深度等对叶顶区域的流动有着不同程度的影响。叶项开槽后叶项间隙内部泄露流场及损失分布得到改善。相对而言，阶梯型槽叶项有着更好的气动性能，但随着开槽深度的增加，叶项开矩型槽风机的稳定工作范围变大;叶顶开槽改变了叶顶间隙相对高度，改变了压力面和吸力面的压力分布，阻碍了间隙内部泄漏流的流动，一定程度上削弱了叶顶泄漏流对主流的干涉作用，降低内部流动时的能量损失。　　(2)研究了进出口管道的参数对地铁轴流式通风机性能的影响。结果表明:风机入口采用90°弯管连接缩短了进口管道的轴向长度，但同时来流的均匀性受到影响。弯管内气流速度梯度较大，管道内侧易发生流动分离，产生回流区，增大流体流动时的能量损失。风机出口加扩散器能够降低出口动能，提高静压效率。扩散器的断面扩大系数对风机性能有着较大的影响，最优系数为2.35，扩散器内导流板对出口气流进行二次整流，降低流动紊乱度，减少壁面损失。　　(3)以单级地铁轴流式风机的动静叶为主要研究对象，选取叶片的安装角、前导叶、叶轮转速和叶顶间隙高度作为优化参数，对风机进行正交试验优化。优化后风机各工况下的气动性均得到提高，尤其是小流量工况下，提高较为明显。分析发现优化后N-卜轮叶根附近的流动情况改善，流动时候的能量损失降低，叶片中部周向压力波动减弱，稳定性提高。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究现状及水平分析

1．2．1叶顶间隙流动的研究现状以及发展

1．2．2正交试验方法在叶轮机械中的应用

1．2．3静止部件对轴流风机性能的影响

1．3本文主要研究内容

第二章轴流风机的设计及数值计算方法

2．1计算流体力学(CFD)简介

2．2湍流的数值模拟方法

2．3流体动力学控制方程

2．4地铁用轴流式通风机的设计及数值计方法

2．4．1轴流风机的物理模型

2．4．2计算模型及计算域的组成

2．4．3网格划分及无关性验证

2．4．4计算方法和边界条件

2．4．5主要计算公式

2．5本章小结

第三章叶顶开槽对地铁轴流式通风机性能改进研究

3．1计算模型

3．1．1物理模型及叶顶结构

3．1．2计算域网格划分

3．1．3计算方法和边界条件

3．1．4控制方程

3．1．5网格无关性验证

3．2计算结果及分析

3．2．1叶顶阶梯型槽对轴流风机外特性影响

3．2．2叶顶开槽前后动叶区涡量分布

3．2．3叶顶开槽前后间隙内湍动能分布

3．2．4叶顶开槽前后间隙内泄漏量分布

3．2．5叶顶开槽前后叶轮出口流动情况

3．3本章小结

第四章入口弯管和扩散器对轴流式通风机性能的影响及分析

4．1数值模拟方法

4．1．1几何模型介绍

4．1．2计算模型和网格

4．1．3计算方法及边界条件

4．1．4湍流方程

4．1．5网格无关性验证

4．2计算结果及分析

4．2．1试验装置

4．2．2弯管入口流线分布

4．2．3弯管入口压力分布

4．2．4弯管入口压力脉动

4．2．5扩散器参数对风机外特性影响

4．2．6扩散器内部流线

4．2．7扩散器出口速度

4．3本章小结

第五章基于正交试验法对轴流风机性能优化及分析

5．1计算模型及方案设计

5．1．1几何模型介绍

5．1．2正交试验设计

5．1．3试验因素的选择

5．1．4正交表的确定

5．1．5正交结果的分析

5．2．1风机气动性能分析

5．2．2叶片表面流动分析

5．2．3叶轮进出口流动状况

5．3本章小节

第六章总结和展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢