大型动叶可调轴流风机气动性能数值模拟北大核心

发展了一种1.5D、非定常的计算流体力学(CFD)模型用于快速准确地预测大型动叶可调轴流风机的气动性能。该模型基于求解1.5D的欧拉方程附加源项,其中源项用于模拟叶片排、摩擦和流道变化对气流的影响,并可以通过求解叶片排的进出口速度三角形求得。附面层模型、损失模型和落后角模型用于求解叶片排进出口气动性能参数。根据给定的单级动叶可调风机在设计转速下的实验气动性能曲线,优化模型中的损失系数和落后角系数使得计算结果和实验计算相近。改变动叶可调风机的安装角,本模型预测得到的该风机在安装角变化(+10°,+5°,-5°,-10°)的性能曲线与实验结果误差小于2%,这证明了本模型在经验参数优化后能够较为准确地预测出动叶可调轴流风机的气动性能,具有较强的工程应用价值。     

用于跨音速多级轴流压气机气动性能模拟的准一维程序

发展了一种能够较为准确预测跨音速多级轴流压气机气动性能的准一维数学模型。该模型基于欧拉方程外加源项的方法,可对多级轴流压气机的气动性能进行数值模拟。方程中的源项用于表示叶片、壁面摩擦以及流道面积变化对气流的影响,可以通过求解叶片排的进出口速度三角形求得。通过对跨音速压气机内部复杂的三维流动现象进行了简化,发展了合适的损失系数和落后角模型用来计算得到叶片排出口参数。对两种不同的多级跨音速压气机进行了数值模拟并与实验结果进行了对比,验证了本模型能够较为准确地模拟出跨音速轴流压气机的气动性能,但计算的精确度还需要根据不同的压气机类型对经验公式的系数进行优化。发展的模型根据压气机简单的几何尺寸就能对其气动性能做出较为准确的预测,这在压气机的预设计以及优化阶段有着重要的指导作用。     

动叶可调轴流风机叶片磨损对其性能的影响

利用Fluent软件对某单级动叶可调轴流风机进行全三维数值模拟,分析了不同动叶安装角下的颗粒轨迹、动叶压力面颗粒质量浓度分布和叶片磨损特征,并比较了不同动叶安装角下叶片磨损对风机性能的影响.结果表明:动叶安装角增大导致颗粒运动轨迹更加复杂,在叶片间反弹更加频繁,撞击尾缘的颗粒数增多,压力面颗粒高质量浓度区域向尾缘延伸,尾缘磨损加剧;受叶片磨损影响,在运行一段时间后风机全压基本不变,而效率显著降低,随着动叶安装角的增大,风机效率降幅有所减小.     

第一级导叶改进对两级动叶可调轴流风机性能的影响

利用Fluent软件对某两级动叶可调轴流风机进行全三维数值模拟,探讨了第一级导叶采用长短复合式和单一长叶片式2种叶片结构对风机气动性能的影响,并比较了短叶片不同轴向、周向位置和叶片长度时的风机性能.结果表明:长短复合式导叶的单级扩压性能及整机气动性能均优于单一长叶片式导叶;当短叶片位于第一级导叶入口、相邻长叶片中间栅距时,风机的全压和效率均达到最优,尤其是效率明显高于其他位置;短叶片长度对风机性能也有明显影响,当其长度为320mm时,风机的不可逆损失最小,增加或减小短叶片长度均导致风机气动性能变差.     

向心涡轮可调导向叶栅内流动损失机理的分析

通过对向心涡轮可调导向叶栅三维流场数值模拟,分析在不同叶片安装角下,可调叶片表面静压系数和出口总压损失系数的变化规律。导叶安装角从21°增加到44°,通流面积调节范围为50%～116%设计通流面积。结果表明:叶栅开度减小时,叶片的气动负荷增加,总压损失增加。与设计工况相比,导叶关小15°总压损失增加了1倍多。叶栅端部间隙增加了导向叶栅的流动损失,间隙增加2%,损失增加1.5%,端部损失范围从20%叶高增加到40%叶高。叶栅开度减小,端部损失与叶型损失的变化较小,而间隙损失无论是数量还是占总压损失的比重都明显增加,是非设计工况下总压损失增加的主要原因。     

两异常动叶间的相位关系对轴流风机性能的影响

以OB-84型动叶可调轴流风机为研究对象,采用Fluent软件对两异常叶片处于不同相位、安装角发生多种正向偏离时的风机模型进行三维数值模拟,得到风机性能曲线以及总压、熵产率和噪声分布的变化特征.结果表明:异常叶片间的相位关系和安装角偏离度对风机运行性能和内流特征的影响程度不同,动叶异常时对应的全压和效率大多低于正常情形下,而最大声源功率级显著提高;在相同的安装角偏离度下,随着异常叶片间隔的增大,全压和效率总体呈降低趋势;异常叶片的相位和安装角偏离度对动叶截面上的总压、熵产率和声源功率级分布的影响具有一致性;随着安装角偏离度的增大,异常叶片诱发附近的高压区、高熵产率区和高噪声区逐渐演变为包含周向下游数个流道的带状区,从而导致风机性能严重偏离正常情形.     

动叶安装角异常反向偏离对轴流风机性能的影响

以某OB-84型动叶可调轴流风机为例,采用Fluent软件模拟得到两异常叶片安装角反向偏离时的风机性能曲线,分析了异常叶片间的相位和安装角偏离度△β对总压、熵产率和噪声分布的影响.结果表明:动叶异常偏离时的风机全压和效率曲线明显偏离正常值,各流量系数下的最大声功率级整体提高;随着△β增大,风机性能显著下降,且与异常叶片间的相位关系有关;不同的异常叶片相位关系和△β对特征截面上的内流特征分布具有明显不同的影响,相间关系的异常叶片对内流特征的影响有叠加效应,相对关系的异常叶片对其附近及旋转方向下游流场的影响基本对称.     

轴流风机叶片切割后的性能及静力结构特性

以OB-84型动叶可调轴流风机为研究对象,采用Fluent软件模拟了在保持叶顶间隙不变情况下动叶安装角为29°、32°和35°,切割量为5%、10%和15%时的风机性能,分析了安装角和切割量对风机性能、噪声、叶片静力结构特性和经济性的影响.结果表明:当qV≥35m3/s时,全压和效率随切割量的增大及安装角的减小而降低,且大体积流量侧降低更为显著;当qV35m3/s时,叶片切割和减小安装角均可使不稳定区减小甚至消失,进而改善风机运行状态,同时可降低噪声水平,且叶片静强度校核均满足要求,但叶片切割效果更好;选取β=29°、Δ=10%,可适用于机组在多种方案下运行,并保证机组经济性最佳.     

Gurney襟翼对动叶可调轴流风机性能的影响

以OB-84型动叶可调轴流风机为对象,采用数值模拟方法研究动叶尾缘处安装Gurney襟翼(GF)后对风机性能及内流特征的影响,并对其气动噪声进行评估。结果表明:增设GF可提高风机全压,且其高度越大,风机全压增幅越明显,同时促使最高风机效率点向大流量系数侧移动;高度为0.5%弦长的GF在动叶偏转±3°工况下均可提高大流量系数侧的风机效率;增设GF后,在叶顶处产生的次泄漏涡加剧了叶顶泄漏;尾缘下游区域产生的脱落涡增大了叶片吸力面与压力面间的压差;增设GF后风机气动噪声增大,选用高度为0.5%弦长的GF后,在设计工况点下风机全压和风机效率分别提高12.01%和3.13%。     

周向弯叶片对动叶可调轴流风机气动性能影响的数值模拟

为了有效改善轴流风机气动和声学性能,以带后置导叶的OB-84型单级动叶可调轴流风机为对象,利用Fluent软件和Ansys有限元分析模块,对比叶片弯曲前后风机的气动性能和内流特征,分析其静力结构特性并进行了噪声预估。结果表明:叶片弯曲后风机全压提高,大体积流量侧气动性能改善效果明显,设计工况点前弯3.0°性能提升最佳,全压和效率分别提升了3%和0.16%;前弯叶片增大了叶根区轴向速度,延缓了叶根区分离流动的出现,提升了叶片中下部做功能力,减小了叶顶区吸力面与压力面间的压差,有效抑制了叶顶泄漏流的产生;弯曲叶片对降低声功率级影响较小,但可缩小高噪声区分布,从而降低风机噪声。     

单动叶安装角异常时轴流风机压力脉动特性的数值分析

以OB-84型动叶可调轴流风机为对象,对单动叶安装角在不同偏离度下的风机内部流场特征和性能进行了非定常计算,得到了安装角异常下压力脉动的时域和时频特性、静压时均值及等效应力分布.结果表明:动叶安装角异常时,各监测点的压力信号及压力脉动能量均出现异常特征,尤其是叶轮出口处的变化最为突出;动叶异常偏离对时域和时频特性的影响程度随偏离度的增大而提高,并导致压力脉动强度增大;各监测点的近似熵在大偏离度下变化显著,对动叶异常偏离具有良好的表征能力;静压时均值的分布和数值随偏离度改变均有较大变化,而叶片等效应力仅在数值上有明显改变.     

动叶可调式轴流风机的设计

以动叶安装角的改变来实现轴流式风机大幅度的工况变化并维持较高效率,是近代轴流风机的调节方式.本文阐述了这种风机的气动及结构设计并以上海市黄浦江延安路越江隧道风机的设计为实例进行了介绍.     

翼型选择对轴流风机性能影响的数值研究

为了研究翼型对轴流风机气动性能的影响,采用数值模拟的方法首先研究了翼型的升阻比对风机性能的影响,然后选用较优的翼型来研究最大相对厚度和最大相对厚度位置对风机气动性能的影响。结果分析表明:当风机工作在设计流量及以上时,选用较大升阻比系数翼型的风机表现出较好的气动性能;轴流风机选用较薄翼型作为其叶片翼型时,其气动特性表现较优;当叶片翼型最大相对厚度位于距叶片前缘30%时,轴流风机的气动特性最优。研究结果可为轴流风机设计者设计高效的轴流风机提供参考。     

两级动叶异常偏离下的轴流风机性能和内流特征

以某600 MW机组配套的两级动叶可调轴流风机为例,利用Fluent软件模拟了两级叶轮上同周向位置叶片发生异常偏离时风机的气动性能、叶轮做功能力及噪声特性,并与单动叶异常时进行了对比.结果表明:与单动叶异常情形相比,两级动叶异常时叶轮做功能力、导叶效率、风机噪声和气动性能更差,失速区明显扩大,尤其正偏离时更为显著;负向小角度偏离时,叶轮做功能力低于正偏离情形;随着偏离度Δβ的增大,负偏离时叶轮做功能力较强;正偏离时,导叶区流动损失大于同角度负偏离时.随Δβ的增大,风机噪声总体呈升高趋势,正偏离对异常叶轮噪声分布的影响大于负偏离,且第二级单动叶异常下的风机噪声高于第一级单动叶异常时.     

两级动叶可调轴流风机内流特征的数值模拟

采用Fluent软件对某600 MW机组配套的两级动叶可调轴流一次风机进行了全三维定常数值模拟,分析了风机第一、第二级叶轮内流特征和动叶安装角对风机性能的影响.结果表明：第二级叶轮出口总压整体呈现高压区和次高压区交替分布的特征,且比第一级叶轮的对称性差;第一、第二级叶轮叶片压力面、吸力面的总压和静压分布规律相似;第二级叶轮叶片压力面和吸力面相应位置上的静压值均大于第一级叶轮叶片;随着动叶安装角的增大,第一、第二级叶轮的总压升系数和静叶的扩压系数均增大,且第二级叶轮大于第一级叶轮,表明第二级叶轮的做功能力和静叶的扩压能力均比第一级叶轮的大.     

锯齿襟翼尾缘叶片对轴流风机气动噪声的影响

以某双级动叶可调轴流风机为对象,对其动叶片开展齿形襟翼尾缘结构改型。采用雷诺时均方程和k-ε湍流模型及大涡模拟对改型前后的风机性能进行了数值计算,分析了齿形襟翼不同齿长对风机性能、气动噪声及内流特征的影响及内在机理。结果表明：齿形襟翼可大幅提升风机性能,且全压增幅与齿长成反比;采用齿形襟翼后,风机效率峰值向大流量侧偏移,运行高效区增宽;〖JP2〗齿形襟翼可显著降低风机高频噪声,平均降噪量达13 dB;齿形襟翼改善了动叶尾涡结构,降低了叶中及叶根尾缘处能量耗散,影响了尾流逆压梯度区分布,减小了反向对涡核心区的二次回流强度,降低了风机气动噪声;齿长为0.8%弦长的齿形襟翼在改善效率、全压和降噪方面综合性能最优。     

动叶可调轴流风机前后级叶轮单叶片非同步调整时的内流特征

对某两级动叶可调轴流风机进行了整机三维定常数值模拟,研究了不同工况下第一、第二级叶轮单叶片安装角发生非同步调整对风机整机、单级叶轮以及异常叶片周围流场的影响.结果表明:叶片安装角发生小角度偏离时,风机的全压和效率均变化不大,随着偏离度△βy的增大,风机性能显著恶化;第一级叶轮异常时风机的整体性能、单级叶轮的总压升能力和异常叶片自身的做功性能以及前后级导叶效率均劣于第二级叶轮异常时,尤其是负向偏离时表现更显著,仅△βy=12°时优于第二级叶轮异常时;正向偏离时,第一、第二级叶轮的熵产率和流线分布呈相似规律,均在异常叶片吸力面侧尾缘形成高熵产率区和分离涡,其大小随△βy增大而增大;负向偏离时,第一级叶轮异常时在异常叶片的压力面侧为高损失区,而第二级叶轮异常时则对相邻叶片的吸力面产生影响,并在其尾部形成分离涡.     

基于复杂度的轴流风机动叶偏移时声压信号的表征

以OB-84型单级动叶可调轴流风机为研究对象,在大涡模拟LES基础上,引入FW-H声学模型,模拟得到动叶安装角异常时风机各区域的声压信号分布,并与正常工况进行了比较.基于功率谱密度特征,对原始声压信号进行小波分解与重构,并提取重构信号的特征熵,探讨了3种复杂度算法及其表征能力.结果表明:不同区域内声压时域特征各异,当动叶安装角异常时,声压信号的脉动形态、脉动区间和幅值均发生改变;该风机噪声信号在低频处呈现出明显的离散峰值特征,且能量逐级递减,而随偏离度增加,宽频噪声特性更加突出;动叶区声压信号特征熵最低,规律性很强,集流区和扩压区的气动特性和噪声信号相对稳定,可用近似熵、样本熵和Lempel-Ziv复杂度来表征风机单动叶偏离程度.     

轴流风机通用性能数学模型

鉴于现有的动叶调节或静叶调节轴流风机性能数学模型静态精度不高,动态调节过程特性与实际 风机相差较大的问题,根据动（静）叶调节轴流风机静态性能曲线特点,依据风机的有关定律和原理,建立了动（静）叶调节轴流风机的功能通用数学模型,算例与应用实践表明：模型和静态精度,动态调节特性好,可用于轴流风机的实时仿真,性能在监测,故障预报等,具有广泛适用性。     

锯齿尾缘叶片对轴流风机气动噪声及性能的影响

以OB-84型动叶可调轴流风机为研究对象,采用大涡模拟和FW-H声学模型对锯齿尾缘动叶风机进行了数值模拟,探讨了不同锯齿长度的尾缘对风机气动噪声、压强脉动及性能的影响,并分析了其流场特征和降噪机理。结果表明:锯齿尾缘可明显降低风机的中低频段噪声和流道中气流的压强脉动强度,锯齿长度越大,其影响越明显;锯齿尾缘增强了尾流区的流动掺混,改变了动叶尾缘脱落涡结构,形成了2层整齐的"梳状"流向对涡,由此降低了风机的气动噪声;模型A、模型B和模型C均可以在设计流量或小流量下提高风机效率,以模型A提升最明显,但在大流量下性能均低于原风机。