本文關(guān)鍵詞：水力風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬和設(shè)計研究

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【摘要】：隨著我國船舶事業(yè)的不斷發(fā)展,對船上一些輔助設(shè)備的要求越來越高。目前船用水力風(fēng)機(jī)不僅要求防火、排煙,而且要求防爆、輕量化。國內(nèi)對水力風(fēng)機(jī)的設(shè)計大多采用常規(guī)設(shè)計方法,本文針對國內(nèi)某一款高轉(zhuǎn)速、大排煙量的船用便攜式水力風(fēng)機(jī)采用數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究,填補(bǔ)了國內(nèi)便攜式水力風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬研究方面的空白。本文主要進(jìn)行了以下工作： (1)水力風(fēng)機(jī)的CFD模型研究 通過分析水力風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,對流體域進(jìn)行了合理簡化,并在CFD軟件Fluent的前處理軟件Gambit中完成了水流場和空氣流場三維建模和網(wǎng)格劃分的研究；基于Fluent的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對水輪機(jī)和風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,將數(shù)值計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比,水輪機(jī)模擬流量和試驗流量的相對誤差范圍為0.9%-7.6%,風(fēng)機(jī)試驗全壓和模擬全壓的相對誤差范圍為4.7%～15.5%,基本能夠滿足計算要求,計算模型基本合理。 (2)基于多流場耦合的水力風(fēng)機(jī)的性能預(yù)測 基于動網(wǎng)格技術(shù),提出了一種多流場弱耦合計算方法：利用Fluent的UDF接口編程,使水力風(fēng)機(jī)水流場和空氣流場的同步計算,并在每一個時間步長計算結(jié)束后,通過數(shù)據(jù)文件的讀寫交換兩個流場之間的相關(guān)數(shù)據(jù),直至兩個流場達(dá)到完全匹配的穩(wěn)定狀態(tài)。該方法不但可以完成水力風(fēng)機(jī)整體性能預(yù)測,而且可以很方便的描述不同流場之間的相互關(guān)系,可以為水力風(fēng)機(jī)的瞬態(tài)計算提供借鑒。 (3)水輪機(jī)的流場數(shù)值研究和結(jié)構(gòu)改進(jìn) 對水輪機(jī)核心部件—噴嘴和水渦輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起水輪機(jī)的主要性能參數(shù)的變化情況作了分析,討論的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括水渦輪葉片型線、葉片數(shù)量、葉片高度、噴嘴數(shù)量、噴嘴內(nèi)表面形狀、噴嘴斜射角和直徑比。模擬結(jié)果表明：修改后的葉片型線與常規(guī)型線相比水動性能略差,但加工性能大幅提高,可取代常規(guī)型線；葉片數(shù)量可在較大范圍內(nèi)選擇,原模型水輪機(jī)葉片數(shù)的選擇合理；靠單純的增加葉片高度不能提升水輪機(jī)的性能；噴嘴數(shù)量的增多可有效增大出力；錐形噴嘴可有效減少壓力損失,增大水輪機(jī)的功率和效率；噴嘴斜射角越小,水輪機(jī)性能越好,但考慮到結(jié)構(gòu)問題和加工難度,斜射角有一定的選擇范圍；通過增大噴嘴出口段直徑和葉片高度減小直徑比可明顯提高水輪機(jī)的過流能力和功率。根據(jù)這些研究對水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的水輪機(jī)功率在進(jìn)口水壓為0.2MPa時增加了39.4W,增長幅度達(dá)24.7%,進(jìn)口水壓為0.7MPa時增加了330.2W,增長幅度高達(dá)31.7%。 (4)便攜式水力風(fēng)機(jī)的設(shè)計研究 研究了便攜式水力風(fēng)機(jī)的水動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣動設(shè)計。當(dāng)縮放系數(shù)k為0.9～1.2時,不同水輪機(jī)的功率范圍為1000W-2200W,為水力風(fēng)機(jī)的設(shè)計提供了更寬的功率選擇范圍；在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足的條件下,完成了水輪機(jī)和風(fēng)機(jī)最大尺寸的選擇；結(jié)合水輪機(jī)的性能曲線,給出了預(yù)測風(fēng)機(jī)的設(shè)計風(fēng)量和風(fēng)壓范圍的方法。根據(jù)以上的研究成果,最終提出了一種水力風(fēng)機(jī)設(shè)計方案,并通過設(shè)計案例進(jìn)行了驗證。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U664.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1175652