|
低速风机广泛应用于国防、民用领域，其内部包含着复杂的三维、非定常的粘性流动问题，对其分离流动的控制是研究的热点之一。基于对低速轴流/离心风机内流动机理与设计方法研究，试图通过叶片改型设计、动静部件匹配性研究对叶轮流道内的压力梯度分布进行控制，从而起到抑制叶片端部分离流动，减少端部低能流体聚集的作用，实现低速风机气动性能的提升与降噪。本文主要围绕低速轴流风扇\前弯离心风机叶片前缘分离流动、多翼离心风机叶片尾缘及蜗壳舌部的仿生设计等方面开展工作，采用数值计算方法对分离流动演变过程进行分析，结合试验对分离流动控制方案进行验证，探索提高低速风机气动-声学性能的途径。
本研究主要内容包括：⑴在γ-Reθ转捩模型中引入基于当地变量的应变率雷诺数Reν，并将求解的间歇因子耦合进SST湍流模型能量方程，对三种不同厚度翼型表面分离诱导转捩进行数值求解，分析不同攻角、雷诺数影响下的前缘、尾缘分离流动结构特征及涡系演变过程；对NACA0006翼型前缘型线进行改型，给出不同前缘形状对吸力峰、压力损失及边界层内速度梯度分布的影响。⑵在低速轴流风机中引入了叶片前缘保凸设计方法，对某半开式轴流风扇叶片进行前缘改型设计应用研究。通过控制多边形各点坐标调节叶型前缘形状，采用双三次Bezier曲面及Casteljau算法完成曲面拟合。探讨数值预测中前缘变型对抑制叶栅截面流动分离的内在机制。试验对比改型前、后风机外特性与噪声性能，验证了采用前缘保凸法设计的低速轴流风叶性能方面的优越性。⑶基于SST k-ω湍流模型，发展一种求解强旋流、弯曲叶片表面流动问题的非线性模型。运用模型对90°弯管内流场进行仿真预测，对比试验结果评估改进模型的准确性。应用改进湍流模型对具有狭长流道特征的前弯离心风机内流场进行性能预测，分析叶片前缘时均化涡量云图，发现分离涡呈现不均匀分布，采用非对称进气控制方案抑制叶片前缘分离流动，结果表明：该方案减小了分离涡大小，改善了气动性能，研究过程中结合外特性试验及噪声测试进行方案验证。⑷基于多翼离心叶轮出口速度分布特征，建立尾迹相似模型，引用速度及周向位置无量纲因子对速度尾迹分布进行曲线拟合，结合分布特征对叶片尾缘进行改型设计。改型的多翼离心叶片出口速度分布变得过渡均匀，未出现原风机类似跌宕分布。其压力在设计流量周围覆盖原机，设计工况下效率提升2％左右。同时，探讨了仿鸮翼蜗舌在偏工况点运行时出现的分离流动问题，结合倾斜蜗舌设计方法，设计并制作带倾斜特征仿鸮翼蜗舌，在半消音室内进行声学测试发现：改型后风机在高频段声压级幅值下降明显，低频段噪声也低于原风机，整机降噪2.0dB。
|
