石家莊離心風機

多級離心風機內部流場研究與結構優化

本課題以三級離心風機為研究對象，在吸收與總結前人的基礎上，以工程流體力學常用軟件 fluent6.3 為主要工具，對正常工況下的三級離心風機整機進行了內部流場計算，同時對變工況和各級葉輪葉片的匹配特性進行了分析，再利用泵與旋轉機械專業設計軟件 CFturbo 對風機進行了結構改進。論文主要研究內容如下：
（1）對三級離心風機在設計工況下的內部流場進行仿真計算，將仿真結果與實際數據對比，驗證仿真方法的正確性，并對該內部流場進行分析，找出風機內部流動的特點及不合理之處。
（2）對三級離心風機在不同轉速下的內部流場進行仿真，分析轉速對風機內部流動和整體性能的影響。
（3）對不同管道出口大小時三級離心風機內部流場進行仿真，分析管道出口大小對風機內部流動及其特性的影響。
（4）計算改變各級葉輪葉片數目后的三級離心風機內部流場，分析該風機各級葉輪葉片數組合對風機內部流動和性能的影響，研究各級葉輪葉片數的匹配特性。 （5）利用旋轉流體機械專業設計軟件 CFturbo 分析三級離心風機對應的單級葉輪部分結構參數對風機性能的影響，并對該風機單級葉輪結構進行改進，提高單級葉輪的性能。
1.5 本章小結
本章介紹了課題的研究背景及意義、離心風機的研究現狀，并介紹了本課題的主要研究工作。
第二章 數值計算基本方程與方法
數值計算的基本思想是把原來在時間域和空間域上連續的物理量的場，如速度場和壓力場用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，再通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值
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。其計算步驟一般包括：
（1）建立數學模型，即建立反映問題各個量之間關系的微分方程及相應的定解條件。流體的基本控制方程有質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程等。
（2）選擇計算方法。選擇原則是使計算高效率、計算結果具有高準確度。包括微分方程的離散化方法和求解方法、貼體坐標的建立、邊界條件的處理等。
（3）程序設置并計算。包括網格劃分、初始條件和邊界條件的設置、控制參數的
設定等。
（4）結果分析。分析數值計算后的結果，驗證方法的準確性等。 在湍動能方程和耗散率方程中，構成 k 方程源項的湍動能產生項kG ，及耗散率ε按下式計算：
 
2.3 基本方程的離散
     目前對基本控制方程的離散方法有三種：有限差分法、有限元法和有限體積法。
     1、有限差分法 www.feiyua.cn     有限差分法的思想是將求解域劃分為差分網格，用有限個網格節點代替連續的求解域，然后將偏微分方程的導數用差商代替，推導出含有離散點上的有限個未知數的差分方程組。求差分方程組的解就是微分方程定解問題的數值近似解。該方法較多的用于求解雙曲線和拋物線型問題。
     2、有限元法
     有限元法的思想是將一個連續的求解域任意分成適當形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構造插值函數，然后根據極值原理，將問題的控制方程轉化為所有單元上的有限元方程，把總體的極值作為各單元極值之和，即將局部單元總體合成，形成嵌入式指定邊界條件的代數方程組，求解該方程組就得到各節點上待求的函數值。該方法比較適用于幾何及物理條件比較復雜的問題。
     3、有限體積法
     有限體積法的基本思想是將計算區域劃分為網格，并使每個網格點周圍有一個互不重復的控制體積，將待解微分方程對每一個控制體積積分，從而得出一組離散方程。 過求解該離散方程就能得到網格節點上的參數。 本文選用的 CFD 軟件為 Fluent6.3，該軟件利用有限體積法對控制方程進行離散。
2.4 本章小結
     本章主要介紹了數值模擬計算所用到的基本控制方程、湍流模型及近壁面的處理方法，并對控制方程的離散方法進行了簡單介紹。本章將介紹三級離心風機內部流動計算數學模型的建立過程和求解方法。
2.1 流體流動基本控制方程
流體流動的基本控制方程包括：質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，對于處于湍流狀態下的流體，還要遵守湍流方程。
2.1.1 質量守恒方程
任何流體的流動都要滿足質量守恒定律，即單位時間內流體微元體中質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量。質量守恒定律用質量守恒方程描述，質量守恒方程又叫連續方程，