基于敏感性分析降维的多翼离心风机叶轮优化设计

针对多翼离心风机内部流动分离严重、流动损失大及叶轮几何参数多等特点，本文以风机叶轮为对象，开展了几何参数化建模及基于敏感性分析降维，并在此基础上，通过建立包含拉丁超立方抽样法、支持向量回归(SVR)代理模型、混合自适应采样方法和遗传算法的高维高效优化方法，分别开展了效率单目标优化与效率–全压多目标优化设计。研究结果表明：对于风机效率，几何参数影响程度由大到小依次为叶轮内径、叶片出口角、叶轮外径、中盘位置、叶片进口角、叶片数、叶轮宽度、叶片厚度。单目标优化后风机最高效率点效率提高2.29%；多目标优化后效率提高1.91%，全压提升30.95 Pa。研究工作对于认识多翼离心风机内流机理、发展先进优化设计方法具有较重要的学术意义及工程应用价值。     

集流器偏心对前弯离心风机气动性能影响分析

前弯离心风机叶片长、弯度大,蜗壳非对称性加剧其与叶轮干涉作用。为研究流动非对称性对前弯离心风机气动性能影响,本文对某前弯离心风机进行集流器偏心安装,采用数值模拟对风机三维不可压缩流场进行求解,预测不同安装角及偏心距下的离心风机性能。通过观察分离流动与气流角分布情况,给出偏心角、偏心距改变对叶片入口流动分离影响细节。结果显示当偏心距L=3 mm,偏心角θ=120℃时分离现象明显减少,分离干涉得到改善,结合试验对偏心方案进行可行性验证,采用该分析方法可为预测非对称入流条件下的离心风机内部流动特征提供一种途径。     

集流器偏心对多翼离心风机性能及噪声的影响研究

风机进口处的流动状态对其性能具有直接影响。本文对某多翼离心风机提出一种进口集流器偏心安装的方法,来控制其进口流动,使其性能获得提升、噪声降低。通过数值寻优与实验寻优的相互验证,对不同工况下集流器偏心安装前后的风机性能、噪声及内部流场展开分析,并最后得出了集流器的合理偏心位置。结果表明:当偏心角θ=120°且偏距比ε=0.016时,偏心方向对应叶道内的流动分离减弱,叶轮出口气流速度增大,同时叶轮前盘和集流器间隙间的流量泄漏也相应减小。在风机运行工况范围内,该风机的风量最大增加3.5%,全压效率最大提高3%,噪声降幅最大达1.2dB.     

叶片开缝的离心风机流场研究

本文提出在离心叶轮轮盖与叶片之间开缝,使得叶片压力面侧的高压气体射流到吸力面侧的低速尾迹区,从而直接给叶轮内的低速流体提供能量,减弱了叶轮内由于二次流所导致的射流-尾迹结构,并可用于消除或解决部分负荷时常发生的离心叶轮积灰问题.对某离心风机整机的数值模拟表明,在设计流量和小流量情况下,叶轮开缝后使叶片表面分离区域减小,整个流道速度分布更为均匀,改善了叶轮内部流场的流动状况,提高了离心叶轮性能和整机性能.研究表明,本方法对于提高离心式流体机械性能是有效的.     

周向弯曲低压轴流风机叶顶泄漏流动数值研究

本文采用数值模拟的方法,对三种带有周向弯曲叶片的低压轴流通风机(原型叶轮、周向前弯及后弯叶轮)的叶顶泄漏流动进行了研究。在数值计算与试验测量结果较为吻合的条件下,从流场和压力场等不同角度分析探讨了叶片周向弯曲后,叶顶泄漏流动和泄漏涡的形成和发展规律。数值计算结果表明,叶顶周向前弯加剧了泄漏涡与主流的掺混;周向后弯叶轮比前弯叶轮有助于减弱叶顶泄漏流动;强度大、衰减慢的泄漏涡,降低了叶顶的通流能力,同时与主流的掺混加剧也增大了叶轮的端部损失;此外,顶部间隙高度的增加,泄漏流动加强,旋涡的起始点更靠近叶片后缘。     

空调风机叶道内旋涡流动分析及进气口偏心的影响

本文采用CFD方法,详细分析了空调用多翼离心风机叶道中的气流分布以及进气口偏心的影响。研究表明,风机叶道内存在大范围的气流分离现象。在后盘附近,存在分离现象的叶道约占2/3,主要分布在蜗壳内侧;而在“前盘”附近,几乎所有叶道都存在分离现象。在“前盘”附近,蜗舌下方的叶道中气流几乎停滞,蜗舌下游叶道为回流和尾缘旋涡所充满,至临近蜗壳出口侧,前缘旋涡逐步形成、发展并融合尾缘旋涡,最后衰减、消失。风机进气口向蜗壳内侧偏置适当距离, “前盘”附近叶道旋涡分布范围明显减小。     

不同型线离心风机叶轮的性能对比研究

本文分别对采用常规单圆弧叶片和等减速叶片两种不同型线叶轮的离心风机进行了试验研究,并做了整机全工况数值模拟计算.流场分析表明:应用等减速流型设计的离心风机,其叶轮内部的流动损失小,压力梯度变化更规律,叶轮出口的射流-尾迹结构较弱,出口速度场均匀且最大速度值较低.所以,等减速流型设计的叶轮,其流动损失、扩压损失、出口混合损失以及出口截面突变损失均比较小,效率较高.     

向心透平级叶轮内三维复杂流动的数值研究

对向心透平叶轮内部复杂流动在级环境下进行了全三维黏性数值模拟,结合拓扑学原理分析了设计工况和非设计工况下其内流动分离及各种涡系发展的演变过程,初步建立了向心透平叶轮内的旋涡模型,阐述了流动损失的形成机理。研究表明:向心透平叶轮内部涡系与轴流式透平存在较大差别,且流动分离及涡系主要集中在吸力面侧;设计工况下向心透平叶轮内的主要旋涡包括马蹄涡、通道涡及泄漏涡,其主要表现为通道涡与泄漏涡相互影响和掺混,是主要损失的形成原因;非设计工况下,主流在叶轮叶片前缘处发生大范围的分离及回流,造成了较大的能量损失,但二次流损失所占比例较小。     

高比转速斜流叶轮根尖加功量分配的影响分析

以高负荷高比转速斜流叶轮为例,采用数值模拟的方法,在级环境下分析了斜流叶轮根尖加功量分配形式对于斜流叶轮总体性能、叶尖泄漏以及出口均匀性的影响,讨论了斜流叶轮根尖加功量分配影响的内在机制.结果表明,强根部设计有利于减少叶轮内部流动损失,改善叶轮出口流场的均匀性,有利于获得较高的效率;而强尖部设计则有利于获得稍高一些的失速压比.     

前置导叶对横流风机性能及气动噪声的影响

在横流风机叶轮前加前置导叶(IGV)可以改善横流风机的进口流场,减少叶片上的流动分离,进而降低横流风机的功率。采用非结构化网格RNGκ-ε两方程模型,分别对不加IGV、加IGV1,以及IGV2的横流风机内部流场进行数值模拟,并对三种情况进行气动性能及噪声试验。数值模拟和试验结果表明在加不同IGV以后,横流风机的噪声增大,但是功率在加IGV2后出现了一定的降低。     

轴流泵内部流场数值模拟及实验研究

基于N-S方程和标准κ-ε模型对出口等速度环量的轴流式模型泵在不同工况下进行了全流道数值模拟,给出了叶片表面相对速度和压力的分布规律,并将叶轮出口处速度分量计算结果和球形五孔探针测量结果进行比较。分析结果表明:叶片表面的相对速度沿径向逐渐增大,流动分布规律符合圆柱层无关性假设;叶片发生汽蚀的危险区域约位于吸力面外缘进口边到出口边的1/4位置;最优工况下叶轮出口处流场呈螺旋形向外运动趋势,出口旋转动能占出口总动能的34%左右;速度环量测量值从轮毂至轮缘逐渐减小,设计中应适当减小轮毂处圆周分量值,增加轮缘处圆周分量值。研究结果揭示了叶轮表面和出口流动规律,为轴流泵优化设计提供了理论和实际应用参考。     

叶片倾角变化对扩压器中非定常流动的影响

本文对离心压气机中扩压器与叶轮匹配时的非定常流动进行了数值研究,主要研究了不同扩压器叶片倾角对扩压器中流场的影响,结果显示,扩压器叶片倾角的改变对扩压器中的流场有很大影响,适当调整扩压器叶片的倾角可以减小扩压器流场的波动,同时,叶片与机匣和轮毂的夹角的变化,对于扩压器中流动的分离的发展有重要影响.因此选择合适的扩压器叶片倾角可以改善离心压气机级的性能.     

离心压气机叶尖间隙泄漏流动数值研究

采用离心压气机计算机辅助设计系统,设计了一个离心压气机叶轮,对这一叶轮在不同叶尖间隙下内部流场进行了数值计算。给出了不同弦长截面二次流矢量、二次流流以及机匣壁面极限流线等计算结果。结果表明叶尖间隙的大小与泄漏流动的强度密切相关。分流叶片的泄漏流动随着叶尖间隙的增大而增强。通道涡与合适的叶尖间隙所形成的泄漏涡相互作用可以削弱泄漏强度,改善流动。     

可调导叶向心涡轮转子叶片压力波动激励机制

论文以实际应用中出现破裂的向心涡轮为研究对象,研究导流叶片尾缘激波、导流叶片叶尖间隙泄漏流动以及导流叶片尾迹对转子叶片表面压力波动的干涉作用,定性确定这三种因素在转子叶片表面压力波动中所占比重大小,发现激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动所诱导的转子叶片压力波动位置。结果表明,激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动是导致转子叶片表面压力波动的主要因素;受向心涡轮叶轮进口形状的影响,激波只是和转子叶片前缘附近的吸力面发生作用,导流叶片开度减小,激波强度增大,转子叶片压力波动幅值明显增大;导流叶片叶尖和叶根间隙泄漏流动会导致转子叶片吸力面叶尖和叶根的压力波动明显增大,是转子叶片前缘叶尖发生高周疲劳的主要原因.     

贯流风扇偏心涡非定常特性研究

本文应用大涡模拟计算并描述了贯流风扇内部旋涡流动的非定常变化细节.研究结果表明,贯流风扇叶片绕流流态复杂,吸力面存在分离流动,叶片出口形成明显的尾迹区.在蜗舌一侧存在偏心涡,由核心区域和外围区域组成.其中偏心涡的核心区域由两至二三个叶道内气流在内径处分离产生的旋涡团组成,在流动过程中涡量由上游的脱落涡得到补充.偏心涡的外围区域由蜗舌附近回流的旋涡团组成,引起蜗舌表而压力脉动,产生干涉噪声.干涉噪声频谱在低频带上具有较大声压级,最大声压级处的频率和叶轮出口侧叶道的脱落涡频率相关.     

离心压气机叶轮内部流动的数值研究:分流叶片的作用

本文对一台单级压比为4/1的离心压气机叶轮内部流动,进行了数值模拟的研究。计算方法基于Jameson格式,湍流模型选择Baldwin-Lomax模型。计算结果为分析叶轮流道内二次流的形成与发展,提供了详细的流动结构。通过对不同通流截面速度分布的比较,发现分流叶片可以延缓横向二次流的发展,降低叶片吸力面扩压程度,减小叶轮出口尾迹的强度与范围,对提高叶轮效率起到决定性的作用。     

叶顶间隙对冲压叶轮激波结构的影响

本文采用数值模拟方法研究了带有叶顶间隙的冲压叶轮内部流场结构,分析了叶顶间隙泄漏流对冲压叶轮内部激波波系的影响。研究表明,由于叶顶间隙泄漏流的影响,在叶片展向高度85%以上的区域,冲压叶轮通道内的激波波系受到较大的影响,甚至导致叶尖区域的激波波系完全被泄漏流的影响破坏,并在叶片吸力面形成一道斜激波,形成了新的激波波系,并且由于泄漏流的存在使得流动损失增加。     

离心叶轮叶顶间隙泄漏涡结构分析

本文以压比为4.7的Krain叶轮为研究对象,采用CFD技术研究了不同工况下叶顶间隙泄漏流的特征,以及叶顶间隙大小和叶轮进口径向畸变对泄漏流的影响。结果表明随着质量流量减小,泄漏流引起的损失增加,泄漏涡涡核轨迹和泄漏流-主流交界面向叶片前缘移动,在失速工况下溢出叶片前缘。叶顶间隙越大,泄漏流引起的损失越大,泄漏涡涡核轨迹与叶片之间的夹角越小。增加叶顶区域流体动量,可推迟泄漏流溢出叶片前缘,反之则促进泄漏流溢出叶片前缘。     

叶尖小翼对扩压叶栅气动特性影响的数值研究

通过在叶片顶端加装小翼来降低叶顶二次流的叶尖小翼技术在叶轮机械领域受到关注。本文对具有不同叶尖小翼方案的压气机叶栅进行了全三维数值模拟,并详细分析了叶尖小翼对叶顶间隙流场的影响.结果表明,合理选择叶尖小翼的安装位置及自身宽度可以在一定程度上降低叶顶泄漏损失,在叶顶吸力面侧加装宽度为5 mm的小翼可以较好的削弱泄漏流动的强度,减少泄漏涡卷吸起更多的吸力面/端壁角区的低能流体及较早地阻止上通道涡的形成和发展。     

基于叶片载荷分布的离心叶轮气动优化

针对离心压缩机叶片载荷对叶轮气动性能的影响,按照盘、盖侧的最佳载荷匹配,利用反问题计算原理设计出相应的离心叶轮,采用数值方法计算分析了各自叶型的效率、压比和能量头等气动参数,确定最佳载荷匹配原则。在此基础上对载荷沿流向的梯度变化进行再优化,发现在一定程度内较小的载荷梯度有利于减小流动损失,提高叶轮效率,但过于平缓的载荷反而使性能略有降低。本文结果为高性能离心叶轮的气动设计提供依据。