多級離心風機內部流場研究與結構優化（3）

多級離心風機內部流場研究與結構優化

第一章  緒論
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用于航天、冶金、化工、能源等部門。金融危機前，我國的風機事業一直處于穩定增長階段。我國風機制造企業，近年來逐步推出了系列化、高效率的新型風機產品，這些風機產品是我國風機企業在消化、吸收外國先進技術的基礎上自主研制的。盡管如此，我國生產的一些風機目前也還存在著一些問題，在離心風機上主要表現在以下幾方面：1、效率低，容量不夠大；2、噪聲大；3、能耗大；4、型式老舊，更新換代慢；5、風機設計不夠完善。
多年以來，為了提高離心風機的效率，優化其綜合性能，我國學者對其進行了深入的研究，對離心風機的內部流場進行過很多的分析，并對其各個部分的形狀都進行了改進，取得了一定的成果。
清華大學袁新教授及其研究生將基于有限元方法的高效率、高精度、高分辨率的LU-SGS-GE 隱式格式和四階 MUSCL TVD 格式求解全三維 Navier-Stokes 方程和低雷諾數 q-ω雙方程湍流模型的計算程序推廣到離心葉輪機械內部流動的數值求解，并以 VKI跨音速透平葉柵和 Krain 高速離心葉輪為例對離心式葉輪機械內部的氣動性能進行了全三維的粘性數值模擬，驗證了該方法的有效性，同時對 NASA 低速大尺度離心葉輪進行了全工況的數值模擬，給出了該葉輪全工況流量/壓比特性曲線。天津大學劉正先副教授及其研究生對離心壓縮機的內部流動進行了數值模擬和試驗研究。詳細分析了離心壓縮機各部件如葉輪，擴壓器，回流器內的速度。壓力和溫度的分布規律，并分析了影響離心壓縮機效率的原因。并通過改變擴壓器葉片的安裝角，有效地改善了其內部的流動情況。中國科學院徐建中和杜建一研究員和博士研究生初雷哲對高轉速高壓比離心壓氣機進行了詳細的數值模擬，研究了葉輪中不同形狀葉片前緣對離心壓氣機性能和流場的影響，并對離心壓氣機中葉輪和有葉擴壓器之間的相互作用進行了非定常的數值研究。 下面將針對兩個方面具體分析近年來國內外學者研究離心風機所取得的進展。
（一）離心風機內部流動研究現狀 
根據研究離心風機內部流場所用的工具的不同，可以把研究離心風機內部流場的方法分為三種，即：理論分析法、試驗分析法和數值分析法。
1、理論分析法
     理論分析法是以數值分析，應用數學，流體力學等為理論工具，對離心風機內部流場進行純理論的研究和分析的一種方法。近年來，國內外學者對該方法進行了大量的研究，得到了諸如理想氣體非定常有摩擦、有傳熱一維流動的顯式波動解析解；對理想氣.3 國內外研究現狀 離心風機作為廣泛應用的通用機械，在國民經濟中發揮著舉足輕重的作用，廣泛應體在有摩擦、有傳熱時的非定常一維流動給出了一些代數顯式解析解，對完全氣體不定常解析解地研究、渦動力學離散渦方法的研究、擬流函數流場解析法的研究、可壓縮非定常三元流動變分原理的研究以及三維管道內有旋流動的渦勢函數擬變分原理，對渦勢函數原函數進行了數學改造，提出對渦勢函數邊界條件的處理方法等理論成。
2、試驗分析法
實驗分析法是通過對風機內部流場進行測試分析，綜合考慮影響流動的各種因素來對風機進行設計的一種方法。李凱、曹淑珍等利用激光多普勒(LDV)測速儀測量離心風機葉片擴壓器的內部流場，結果表明，在擴壓器喉部附近靠近擴壓器凹面的局部區域，速度的方向會向葉片凸面發生較大角度的偏轉，隨著流量的增大，該區域將會向葉片擴壓器的下游及流道寬度方向發展。姜華、宮武旗、張煒等，使用 X 熱膜傳感器測量了帶有分流葉片離心壓縮機葉輪出口和擴壓器進口不同葉片高處的非定常流動，由試驗數據推測出應對擴壓器進行重新設計以減少能量損失。朱宏磊、李益民等從流場的角度出發，通過試驗得出葉輪葉片的磨損情況，對離心風機葉輪的后蓋板中心處傾角進行了研究，得出傾角對流場、葉片的磨損和內部粒子碰撞有很大影響。另外 Aungier 給出了無葉擴壓器、彎道和回流器的設計方法并進行了實驗驗證。Flathers 和 Bache 等進行了?；??；?0.5)的工業管線壓縮機的進口流場的實驗研究，包括進口導葉的有無和角度大小對流場的影響。Hagelstein 和 Braembussche 等研究了不同工況下蝸殼內壓力的恢復和損失，并給出了壓力損失的計算方法分別研究了低壓壓縮過程、多段離心壓縮機和無葉擴壓器內的喘振和旋轉失速現象。
等測量了半開式葉輪的葉頂間隙運轉值并給出了間隙值的控制方法和泄漏對性能的影響。相對來說，中外學者更注意對擴壓器的研究。

分別得到了無葉和葉片擴壓器內的速度分布，前者還將不同轉速時的測量結果與采用κ-ε湍流模型和SIMPLEC 算法得到的結果進行了比較。Engeda分別研究了無
葉擴壓器寬度、前者還研究了葉片擴壓器的葉片數、不同擴壓器型式對級性能的影響。

等分別研究了無葉擴壓器伴隨非定常和旋轉失速的回流現象以及不同幾何形狀的葉片擴壓器與葉輪的相互作用。但是葉輪機械的內部流場非常復雜，實驗測量的成本高，周期長，測量技術不夠完善，就目前而言，還沒辦法精確測量邊界層內的流動和全部意義上的非定常流動.