【摘要】：無葉風扇的問世為風機領(lǐng)域引入了新的吹風機制——環(huán)形縫隙射流。因無葉風扇的“空氣倍增”特性(上方出風量比下方進氣量增加多倍)、湍流研究的重要性,以及中空噴嘴的自由氣體環(huán)形縫隙射流的研究缺失性及其良好的應(yīng)用前景,無葉風扇出口環(huán)形縫隙射流的研究具有較高的學術(shù)及應(yīng)用價值。本文采用了以熱線風速儀測速與通風多參數(shù)檢測儀測壓的兩項實驗為主、RNG k-e模型的數(shù)值模擬為輔并結(jié)合湍流理論研究的方法,在多雷諾數(shù)下,對無葉風扇出口環(huán)形縫隙射流進行了較為全面系統(tǒng)的研究。本文的目的是通過時均流與湍動流(包括小尺度湍流)在各橫截面及沿軸線的各流動參量的剖面,獲得無葉風扇出口環(huán)形縫隙射流的流動特性、流場結(jié)構(gòu)及射流的完整發(fā)展,從中深入研究無葉風扇“空氣倍增”的根本內(nèi)在機理——擬序運動及其演變的規(guī)律,闡釋了擬序運動對于出口環(huán)形縫隙射流各階段發(fā)展所起的具體作用以及湍流場的間歇性狀態(tài),此外,以新型的偏心縫隙結(jié)構(gòu)實施對環(huán)形縫隙射流的被動控制,并分析雷諾數(shù)對流場的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)了以下流動現(xiàn)象和結(jié)論:1.無葉風扇流動特性及擬序運動的研究。無葉風扇的高雷諾數(shù)出口環(huán)形縫隙射流,經(jīng)Coanda效應(yīng),通過擬序結(jié)構(gòu)的運動而形成了高湍動強度的自由剪切層。因擬序運動,無葉風扇所謂的“空氣倍增”由兩處卷吸共同實現(xiàn):一為對出風框前方沿程氣體的展向裹入卷吸,二為對出風框后方氣體的向前卷吸。本文的模擬中,在出風框前方3m處的出風流量為下方進氣量的26.6倍,其中前方沿程氣體的帶入量為后方氣體的2.41倍。后方被卷吸向前的氣體,進入了近場區(qū)的環(huán)形射流的內(nèi)部,從而使該區(qū)域的擬序運動狀況對整個流場產(chǎn)生了重要的影響。沿流向,吸入周圍流體的展向馬蹄渦的尺度及下端缺口均越來越大,上下不對稱而水平方向基本對稱。因此,無葉風扇的出口流場中,時均速度場、脈動速度場及壓力場在垂直方向上均為軸不對稱分布,而在水平方向均為基本軸對稱分布。環(huán)形縫隙射流對外界氣體的卷吸整體隨雷諾數(shù)的增加而增長,而近場環(huán)形射流內(nèi)部的卷吸在總體上卻隨雷諾數(shù)的增加而降低。2.無葉風扇出口環(huán)形縫隙射流的流動結(jié)構(gòu)及小尺度湍流的研究。在近場區(qū)的環(huán)形射流內(nèi)部,沿流向,環(huán)形縫隙射流對后方氣體的向前卷吸逐漸衰變。約在流向0.5d處(d為Coanda面的喉部直徑,以出風框的前端面為基準),展向馬蹄形渦結(jié)構(gòu)對下方流體的“吸入”開始活躍,沿流向,這種向上的吸入越來越強烈;約至流向1.5d處,上側(cè)大尺度擬序結(jié)構(gòu)使環(huán)形射流開始向上合并,下側(cè)流場被“吸入”上側(cè);同時,流場合并中的擬序運動使剪切層失穩(wěn),流向2.2d處小尺度湍流因此被激發(fā)得最充分,2.2d之后湍流場隨擬序結(jié)構(gòu)的緩慢衰變而衰變;約流向3d處,環(huán)形縫隙射流基本完成合并。全流域的時均速度、軸線0.7d~2.2d之間的湍流強度均隨雷諾數(shù)的增加而增長。湍動能耗散率、Kolmogorov尺度η等小尺度湍流的流動量比時均流更早進入自相似狀態(tài),對于流場條件的變化,小尺度湍流反應(yīng)更靈敏。3.無葉風扇出口環(huán)形縫隙射流的合并后單股射流的研究。合并而成的單股射流與經(jīng)典圓形射流存在根本性的區(qū)別,其射流擴展并不具備完全的軸對稱性。雷諾數(shù)對合并后射流在垂直方向的特征半厚度影響不大,雷諾數(shù)對合并后射流的卷吸效應(yīng)主要在于水平方向的正向影響。高雷諾數(shù)可提高合并后射流的大渦含能量,促進湍流更充分地發(fā)展,亦加快了下游湍流場的流向衰變。4.無葉風扇出口環(huán)形縫隙射流的被動控制研究。無葉風扇在現(xiàn)階段尚存垂直方向的流場不均衡、增大通風量及降噪的問題。本文提出的S0.9型、S0.75型與S0.6型的三種偏心縫隙的新型結(jié)構(gòu),經(jīng)預測性良好的RNG k-e模型的數(shù)值模擬的驗證,對于無葉風扇垂直流場的不均衡均有較高的改善作用,并在一定程度上增大了通風量。其中,S0.6型在中遠場區(qū)的控制最佳。偏心結(jié)構(gòu)能夠控制流場的根本原因在于在近場區(qū)減弱了上側(cè)擬序運動而增強了下側(cè)擬序運動;近場區(qū)的環(huán)形射流內(nèi)部為控制無葉風扇環(huán)形縫隙射流的重要區(qū)域。
【圖文】：

圖 1.1 無葉風扇結(jié)構(gòu)簡圖圖 1.2 無葉風扇出口環(huán)形縫隙射流卷吸空氣并非沒有扇葉，它的扇葉（渦輪風機）內(nèi)置于下部底座，地屏蔽了扇葉所產(chǎn)生的部分噪音[12]；傳統(tǒng)有葉風扇葉片的的“切割”刺激，而無葉風扇則吹風較穩(wěn)定，無劇烈的拍。由于環(huán)形縫隙射流對后方氣體及前方沿程氣體產(chǎn)生了相

2圖 1.2 無葉風扇出口環(huán)形縫隙射流卷吸空氣沒有扇葉，它的扇葉（渦輪風機）內(nèi)置于下部底蔽了扇葉所產(chǎn)生的部分噪音[12]；傳統(tǒng)有葉風扇葉“切割”刺激，而無葉風扇則吹風較穩(wěn)定，無劇烈于環(huán)形縫隙射流對后方氣體及前方沿程氣體產(chǎn)生了文獻及戴森公司的公開信息，無葉風扇的出風流量 倍[13-14]。據(jù)有關(guān)報道，，無葉風扇的出風量相當于目可降低 1/3 的能耗；相比于傳統(tǒng)有葉風扇，無葉風扇卷吸達到了“空氣倍增”的吹風效果，實現(xiàn)了節(jié)能高風機研究者的極大興趣，此為無葉風扇的主要研究風扇的“空氣倍增”為湍動環(huán)形縫隙射流中擬序結(jié)
【學位授予單位】：浙江理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH43

【參考文獻】

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本文編號：2639075