本文關(guān)鍵詞：小型軸流式風(fēng)機通流部件優(yōu)化設(shè)計研究

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【摘要】：科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,拓展了軸流式風(fēng)機的應(yīng)用領(lǐng)域,但其所面對的問題更加多元化,對其性能的要求更高。由于風(fēng)機的工作轉(zhuǎn)速較高,內(nèi)部流動復(fù)雜,設(shè)計上的缺陷容易導(dǎo)致風(fēng)機的效率低下和噪聲偏高,研究其內(nèi)部通流部件的優(yōu)化設(shè)計有助于改善風(fēng)機的性能。本文通過建立風(fēng)機的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,獲得葉輪和后導(dǎo)流器等通流部件的基本設(shè)計參數(shù),在此基礎(chǔ)上研究了后導(dǎo)流器葉型參數(shù)變化對風(fēng)機性能的影響,得到后導(dǎo)流器較優(yōu)的葉型參數(shù),實現(xiàn)了動靜葉輪參數(shù)的良好匹配,有效提高了風(fēng)機的全壓效率,降低了功率和噪聲。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下。根據(jù)風(fēng)機各部分的損失,建立以風(fēng)機的全壓效率和聲壓級為分目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型,確定適合設(shè)計變量及其它參數(shù)的約束條件,應(yīng)用ISIGHT的多島遺傳算法,聯(lián)合Matlab優(yōu)化計算目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化后風(fēng)機的理論性能得到改善,理論計算表明氣動損失主要是由葉輪和后導(dǎo)流器引起的。根據(jù)優(yōu)化后的基本設(shè)計參數(shù),運用SolidWorks軟件對后導(dǎo)流器進行初始設(shè)計,完成葉輪等部件的幾何建模。研究軸向間隙對風(fēng)機性能的影響并確定合理的取值,從葉片弦長、葉根安裝角、葉片扭轉(zhuǎn)角等方面設(shè)計后導(dǎo)流器翼型葉片,通過CFD分析得到優(yōu)化拉丁方試驗設(shè)計下的后流器葉型最佳參數(shù)組合。對比初始設(shè)計的后導(dǎo)流器,使用新設(shè)計的后導(dǎo)流器,改善了風(fēng)機的性能,證明后導(dǎo)流器翼型葉片的設(shè)計是有效的。相對于原風(fēng)機,新設(shè)計風(fēng)機的全壓效率提高了14%,軸功率降低了12W。風(fēng)機內(nèi)部流場特性的分析表明流動性良好,進一步證明了風(fēng)機的優(yōu)化設(shè)計是正確的�；贔LUENT的噪聲模型預(yù)測了風(fēng)機的聲功率與聲壓級。原風(fēng)機的模擬結(jié)果十分接近試驗結(jié)果,證明噪聲仿真方法是正確的。聲功率的分析結(jié)果表明葉輪、靜導(dǎo)葉前緣區(qū)域及旋轉(zhuǎn)區(qū)域處的機殼是主要的噪聲來源。在設(shè)計轉(zhuǎn)速18480rpm下新設(shè)計風(fēng)機的最大噪聲值為84.3dB,在原轉(zhuǎn)速18901rpm下的最大噪聲值為85.8 dB,均低于原設(shè)計風(fēng)機的噪聲,證明各通流部件的設(shè)計有利于降低風(fēng)機噪聲。在ANSYS Workbench平臺上基于單向流固耦合研究了風(fēng)機葉輪的強度和動態(tài)特性。不同工況下的分析結(jié)果表明葉輪的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形均小于許用值,其強度和剛度滿足工作要求；在許用應(yīng)力的范圍內(nèi)最高工作轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過21480rpm。通過建立葉輪Campbell圖分析了葉輪動態(tài)特性,在設(shè)計轉(zhuǎn)速下葉輪運行穩(wěn)定。
【關(guān)鍵詞】：軸流式風(fēng)機 優(yōu)化設(shè)計 數(shù)值模擬 氣動噪聲 流固耦合
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH432.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 緒論8-14
• 1.1 研究背景及意義8
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀8-12
• 1.2.1 軸流式風(fēng)機優(yōu)化設(shè)計研究8-10
• 1.2.2 軸流式風(fēng)機流場和噪聲數(shù)值模擬研究10-12
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線12-14
• 1.3.1 本文主要研究內(nèi)容12-13
• 1.3.2 技術(shù)路線13-14
• 第二章 軸流式風(fēng)機通流部件主要參數(shù)優(yōu)化14-34
• 2.1 軸流式風(fēng)機基本設(shè)計理論14-17
• 2.1.1 軸流式風(fēng)機一般結(jié)構(gòu)14-15
• 2.1.2 翼型與葉柵主要參數(shù)15-16
• 2.1.3 葉片等環(huán)量設(shè)計方法16-17
• 2.2 軸流式風(fēng)機主要性能參數(shù)17
• 2.3 軸流式風(fēng)機多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型17-22
• 2.3.1 全壓效率分目標(biāo)函數(shù)18-21
• 2.3.2 氣動噪聲分目標(biāo)函數(shù)21-22
• 2.4 軸流式風(fēng)機優(yōu)化設(shè)計實例22-30
• 2.4.1 ISIGHT優(yōu)化軟件介紹23-24
• 2.4.2 多島遺傳算法24-25
• 2.4.3 約束條件分析與確定25-26
• 2.4.4 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置26-28
• 2.4.5 優(yōu)化計算與結(jié)果分析28-30
• 2.5 通流部件幾何建模30-33
• 2.6 本章小結(jié)33-34
• 第三章 后導(dǎo)流器翼型葉片設(shè)計與風(fēng)機流場特性分析34-57
• 3.1 計算流體力學(xué)基本理論34-37
• 3.1.1 流體與流動基本概念34-36
• 3.1.2 流體動力學(xué)基本方程36-37
• 3.2 CFD數(shù)值模擬37-45
• 3.2.1 CFD數(shù)值解法37-39
• 3.2.2 FLUENT軟件簡介39-40
• 3.2.3 建立計算域與劃分網(wǎng)格40-42
• 3.2.4 設(shè)定邊界條件與求解參數(shù)42-43
• 3.2.5 湍流模型的確定43-45
• 3.3 后導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對風(fēng)機性能影響45-50
• 3.3.1 軸向間隙對風(fēng)機性能影響46-47
• 3.3.2 葉片弦長對風(fēng)機性能影響47-48
• 3.3.3 葉根安裝角對風(fēng)機性能影響48-49
• 3.3.4 葉片扭轉(zhuǎn)角對風(fēng)機性能影響49-50
• 3.4 采用試驗設(shè)計的后導(dǎo)流器葉型參數(shù)設(shè)計50-53
• 3.4.1 試驗設(shè)計概述50-51
• 3.4.2 試驗設(shè)計方法簡介51-52
• 3.4.3 建立試驗數(shù)據(jù)52-53
• 3.4.4 試驗數(shù)據(jù)計算與結(jié)果分析53
• 3.5 風(fēng)機內(nèi)部流場特性分析53-56
• 3.6 本章小結(jié)56-57
• 第四章 軸流式風(fēng)機氣動噪聲模擬預(yù)測57-65
• 4.1 軸流式風(fēng)機噪聲產(chǎn)生的原因57-58
• 4.2 基于FLUENT的噪聲預(yù)測模型58-60
• 4.2.1 FW-H噪聲模型58-59
• 4.2.2 Proudman寬頻噪聲模型59-60
• 4.3 氣動噪聲數(shù)值模擬方法60-61
• 4.4 噪聲計算結(jié)果與分析61-64
• 4.4.1 風(fēng)機噪聲源分析61-62
• 4.4.2 風(fēng)機聲壓級計算結(jié)果62-64
• 4.5 本章小結(jié)64-65
• 第五章 基于流固耦合的葉輪有限元分析65-77
• 5.1 流固耦合基本理論65-66
• 5.1.1 流固耦合求解方法65
• 5.1.2 流固禍合求解流程65-66
• 5.2 基于流固耦合的葉輪強度分析66-72
• 5.2.1 建立流固耦合模型66-67
• 5.2.2 約束條件與載荷分析67-68
• 5.2.3 計算結(jié)果與分析68-72
• 5.3 基于流固耦合的葉輪振動分析72-75
• 5.3.1 葉輪模態(tài)分析概述72-73
• 5.3.2 計算結(jié)果與分析73-75
• 5.4 本章小結(jié)75-77
• 第六章 總結(jié)與展望77-79
• 6.1 全文總結(jié)77
• 6.2 研究展望77-79
• 致謝79-80
• 參考文獻80-82

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本文編號：640674