叶片周向前弯角度对轴流风扇叶顶流场的影响

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1、1 绪论课题意义近些年来,弯掠技术在叶轮机械领域逐渐显示出良好的应用前景。经过大量 的实践证明,采用叶片弯掠技术可有效地实现减小流动损失、提高气动效率、降 低气动噪声以及扩大稳定工作范围的目的oBeiler等人对低速轴流风扇进行了研 究1 ,结果表明,前掠动叶能够提高风扇的气动和声学性能,应用潜力巨大,而后掠 叶片会导致风扇的气动性能降低。 Benaissa 等人分别对带有径向、弯以及掠转 子叶片的轴流风扇进行了试验和理论研究 2 ,结果显示,弯掠叶片能够提高超过 3 %的气动效率,同时风扇的稳定工作范围拓宽了 20 %; Corsini 等人的研究显示 3 ,前掠叶片能够进一步延迟亚音速轴流

2、风机旋转失速的发生。由于叶顶流场对轴流风扇/ 压气机的气动效率、气动噪声等产生很大的影响 Z，因此，近年来对弯掠叶片叶顶泄漏流动的研究逐渐成为了热点。Lee等人利用 三维N - S方程研究了强烈前掠轴流风机在设计工况下的叶顶间隙流动79 ，结 果表明，由于旋涡沿流动方向的速度快速减小 ，泄漏涡与机匣壁面边界层和主流 的相互作用导致叶顶泄漏涡在叶道内衰减得非常快，在叶片后缘没有明显的泄漏 涡出现。另外，利用计算结果，给出了该风机在峰值效率工况下叶顶泄漏流动结构， 泄漏流动的卷起最初发生在最大静压差附近。Decker和Mcnulty等人对叶顶部 带有前掠转子的多级轴流压气机在两种不同的配置下（一个

3、是带有强烈的叶顶间 隙流;另一个是适中的叶顶间隙流） 进行了研究1011 ，与传统的直叶片相比，前掠 叶片展示了在失速裕度、效率和间隙敏感度上的改善。Yoon等人利用PIV系统 测量了一带有5 个前掠叶片的轴流风扇的出口流场12，研究发现，在叶顶涡附近 区域出口位置的周向平均速度和湍流度明显增大。本文对周向弯曲叶片的叶顶流场开展了数值研究，揭示了在低压轴流风扇中 不同周向弯曲方向的叶片对叶顶流场的影响。利用 NUMECA 流场数值模拟软件 对叶片表面的压力分布进行了分析，以展示不同周向前弯角度叶片对轴流风扇叶顶流场在初始位置的影响。NUMECA 软件介绍NUMECA国际公司于1992年,在国际

4、著名叶轮机械气体动力学及CFD专 家，比利时王国科学院院士、布鲁塞尔自由大学流体力学系主任查尔斯 -赫思(Charles HIRSCH)教授的倡导下成立。其核心软件是在该系8090年代为欧洲 宇航局(ESA)编写的CFD软件一欧洲空气动力数值求解器(EURANUS)-的基 础之上发展起来的。自从NUMECA国际公司成立以来，特别是近五年来，NUMECA国际公司 已经成功地在国际CFD市场，特别是在叶轮机械领域，掀起了强劲的NUMECA 旋风，使国际上各主要叶轮机械厂家(如： Garrett, Sulzer Turbo, ABB Turbo, Thermodyn (GE), MAN, KBB,S

5、hin Nippon Machinery, ALSTOM Power, Honda and SOLAR TurbinesFor aero &rocket engines, Snecma, Honeywell, Rolls-Royce, KHI, Fiat Avio, Pratt&Whitney,Aerodisa, Japan Defence Agency )都开始大量使用 NUMECA软件，使得NUMECA的用户一直快速稳步地增长。NUMECA 公司的 CFD 软件包包括：分析软件和设计软件两大类。1.分析软件包分析软件包有FINE/TURBO、FINE/AERO、和FINE/HEXA 等，其

6、中均包 括前处理，求解器和后处理三个部分。 FINE/TURBO 用于内部流动， FINE/AERO 用于外部绕流， FINE/HEXA 可用内部或外部流动，但为非结构自适应网格。下 面主要向您介绍一下 FINE/TURBO。FINE/TURBO,可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘 性或无粘内部(其中包括任何叶轮机械:轴流或离心，风机，压缩机，泵，透平 等。单级或多级，或正机，或任何其他内部流动：管流，涡壳，阀门等)流动 的数值模拟。的其中包括IGG：网格生成器。可生成任何几何形状的结构网格。采用准自动的块化技 术和摸板技术。生成网格的速度及质量均远高于其它软件。IGG/AU

7、TOGRID :网格生成器。可自动生成任何叶轮机械（包括任何轴流, 混流，离心机械，可带有顶部、根部间隙，可带有分流叶片，等）的H形，I形 和 HOH 形网格。该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械最好、最方便 及网格质量最好的网格生成软件。EURANUS:求解器。求解三维雷诺平均的NS方程。采用多重网格加速技 术；全二阶精度的差分格式；基于 MPI 平台的并型处理；可求解任何二维、三 维、定常/非定常、可压/不可压，单级或多级，或整个机器的粘性/无粘流动。可 处理任何真实气体；有多中转/静子界面处理方法；自动冷却孔计算的模块；多 级通流计算；自动初场计算；湿蒸汽机算；共额传热计算；气固两

8、相流计算； 等等。其多级（10 级以上）求解性能良好。CFVIEW：功能强大流动显示器。可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。 特别是可处理和制作适合于叶轮机械的任何S1和S2面，及周向平均图。该软 件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械最好的后处理软件。FINE/HEXA:非结构网格CFD求解器。该模块的独特性在于：她所采用的 网格全是六面体的非结构网格（这是目前最先进的方法之一）；自动自适应的多 重网格求解器。HEXPRESS :非结构网格生成器。可自动生成任意复杂三维几何体的全六 面体非结构网格。可直接输入多种作图软件的数据，并对其有自动修补动能。NUMECA公司的软件一FINE系列软件

9、，虽然市场化的较晚，但她是目前 国际上最优秀的软件，她采用了近几年研发出的最先进技术，因此，无论在计 算速度、计算精度、所需计算机内存、使用方便程度、界面友好程度等方面都 优于其他软件（如： Fluent 和 Star-CD 等）。所以，她引导着世界 CFD 软件发 展的新潮流。其计算速度、精度和计算机内存需要量均比其它软件（如： Fluent、 Tarsflow 和 Star-CD 等优越，其优越程度使用过其它软件的用户非常惊讶。现 在其它软件公司（在网格生成和核心求解器中）也逐渐开始采用类似于NUMECA 的方法。她所研发并采用的其它技术和方法现也已被其它软件开发者逐步采用， 因此， NU

10、MECA 公司领导着世界 CFD 软件发展的新潮流。过去几年，FINE系列软件被国际上普遍认为是叶轮机械等内部流动模拟分 析的首选软件。但随着 FINE/HEXA 和 HEXPRESS 的推出，将使 NUMECA 的 CFD 软件在模拟外部流动（包括各种飞行器：飞机、火箭、卫星等；各种运输 工具：汽车、机车船舶等；房屋建筑群，桥梁等）方面，也比其它软件有许多 独特的优越性。另外，由于 NUMECA 软件自身的特点（高的速度，高的精度， 低内存需求，以及使用方便等），她现在也是现代流体工程企业实现其设计、制 造自动化体系的首选 CFD 软件。2.设计软件包设计软件包有两个：FINE/DESIGN

11、 和FINE/DESIGN3D。FINE/DESIGN 用于 S1 面流场的分析和叶型的再设计。基于反问题方法， 即按照用户给出载荷分布而设计叶型。该在设计过程可通过由用户给出的许多 约束（包括几何和制造约束）来控制。该独特的工具采用 NUMECA 的技术并 在所有速度范围（可压缩和不可压缩）内求解NS方程。可用宇轴流和离心机, 可带有分流叶片。其截面非常友好，可在一小时左右优化一个叶片。该反设计 方法的发展起始于冯卡门流体力学研究院。所集成的截面 FINE/DESIGN 得到四 个主要的叶轮机械厂家的协助，他们是： SARLIN, SNECMA/SEP, GRUNDFOS 及 THERMOD

12、YN 等。FINE/DESIGN3D 是一个空前新颖的，用于新型、高效三维叶型设计和优化 的软件工具。它给用户提供了一个设计叶轮机械的新概念。该软件是在国际上 （日、美、欧）叶轮机械行业各主要企业的协做下发展的。它以用户定义的多 参数目标函数，以及几何和机械等方面的约束，来定义设计性能目标。该优化 设计过程是全自动的，优化范围可覆盖约束之内的整个空间，而不像其它软件 采用仅能覆盖非常有限个点的人工尝试和修改的方法。另外， NUMECA 一贯坚持向用户，特别是向工业用户提供强有力的技术支 持和培训的传统，在技术支持和培训的过程中，不仅向用讲解其软件的功能和 使用方法，还向用户讲解三维定常/非定常

13、粘性流动和 CFD 的基础知识，分析叶 轮机械流道中二次流动，损失分布等的方法，以及如何改进叶片及流道形状来改善流动特性、提高效率的方法。还要向用户讲解如何整理分析报告。2.研究对象本文研究对象是基于当前广泛采用的低压轴流通风机 T35 系列的改进叶轮, 其叶片重心积迭线基本是直线 ,属于径向叶轮 ,叶顶和机匣壁面之间的间隙高度 为 115 %倍的叶高 , 在这里称之为原始或径向叶轮。保持该叶片几何参数 （ 叶片数、 弦长和进口安装角等 ） ,取消该叶片前弯角后将叶片沿周向弯曲分别得到其它两 个前弯叶片前弯 8叶轮和前弯 12叶轮13 。叶轮的主要设计参数如表 2.1 所示。表 叶轮的主要设计

14、参数Table Impeller of main design parameters原型叶轮前弯叶轮额定转速轮毂比叶片数5叶轮外径500mm进口安装角25积迭线形状直线+圆弧叶顶间隙高度%倍叶片高度周向弯曲角度 8 12实验模型示意图如图、和所示。图原型叶轮Prototype impeller图周向前弯8叶轮Fig Forward 8 impeller图周向前弯12叶轮Forward 12 impeller3.数值模拟与实验相比，数值模拟可重复性强，可以灵活的改变初始条件、边界条件 以及几何边界条件，可以获得整个流场的流动信息，从而能够更加透彻地对整 个流场进行分析，并且费用低，实验周期短，大

15、大节约研制周期和费用。基于 上述原因，本章对低压轴流通风机 T35 系列的改进叶轮内部流场进行了数值计 算。控制方程任何流动都要遵循基本的守恒定律，包括：质量守恒定律（连续性方程）、 动量守恒定律（动量方程或N-S方程）和能量守恒定律（能量方程）。对于定常 流动，其时均形式的控制方程组为：连续性方程：divl V)= 0动量方程：div puV )= div(卩-gradu) - -P 一QxQ(pu2) * Q(puv) * Q(puw)QxQyQzdivdiv(卩-gradv) - -P -QyQ (p u W) + Q (p vr 2) + Q (p v rwr)(-)Qpdiv pwV

16、 - div (卩-gradw) 一 -QzQ(puW) * Q(pvW * Q(pw2)dxQydz(3-1)(3-2a)(3-2b)(3-2c)能量方程：divQt )丿 (k)=div gradT丿_ UT)幵) WT)dxQz3-3)式中，速度矢量V在x、y、z方向的速度分量分别为u、v、w (m/s)；卩为流体的动力粘滞系数(Pas)；S、S和S是动量守恒方程中的广义源项； u v wT为热力学温度(K), c为比热容(J/(kgK);k为流体的传热系数(W/(m2K), 5卩为粘性耗散项；即流体的内热源以及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。由于上述方程式(3-1)、式(3-2

17、a)(3-2c)和(3-3)中出现了 u、v、w、p、T、p和Reynolds应力等七个未知量，这样为了使基本方程组封闭以便求解还需要补充气体状态方程和湍流模型。对于理想气体状态方程为p= pRT(3-4)式中，R为摩尔气体常数(=287 kJ/kg.K)。数值模拟步骤本章对低压轴流通风机 T35 系列的改进叶轮内部流场进行了数值计算。数 值计算在叶轮的设计流量工况下进行。要得到数值计算的最终结果,主要工作 步骤为：(1) 从设计图纸获得叶片的叶型信息,为以后的计算工作做准备；(2) 以 AutoCAD 软件为平台,获得本次数值研究所需要的叶片模型,主 要包括叶片在不同叶高处的叶型轮廓线、轮毂

18、面和机匣壁面的旋转 母线；(3) 将上述结果通过对叶片的三维造型和计算流场的特征分析给出相应 的计算网格控制参数；(4) 进行网格划分,得到计算模型的网格分布；(5) 对网格划分结果进行检查,如是否有负网格,网格的长宽比、延展 比是否达到精度要求等,如果计算网格未达标,需要回到( 3)步, 对网格参数进行调整；(6) 对达到标准的计算网格和计算模型,进行计算参数的设置,主要包 括流体性质、计算模型、计算边界条件等；(7) 对计算迭代过程的参数和输出的计算结果进行设置,包括迭代的步数、输出结果的种类、输出结果的格式等；（8）利用求解器对计算模型进行数值模拟，并得到计算结果；（9）对计算结果进行检

19、查，如迭代中的各种残差值以及进、出口流量之 差是否达到收敛要求，叶轮的压比、效率等是否与试验测量结果相 吻合等。如果计算结果未达到要求，回到（6）步，对相关计算参数 进行检查、分析和调整；（10）将符合要求的计算结果，根据计算输出变量进行相应的后处理，得 到最终的结果。在上述步骤中，对研究模型进行网格划分、计算条件的设置和利用求解器 进行计算是整个数值模拟的重点和难点。后面章节将分别进行讨论。网格划分在数值计算中，网格设计和网格划分是基础，也是能否获得预期的、满意 的模拟结果的关键因素之一。构造合理的、相对简单的网格分布能够有效地提 高流场计算精度，加速迭代计算的收敛。同时还能够进一步节省计算

20、时间、提 高计算效率。本文对轴流风扇内部流场进行网格划分时，采用的网格为结构化六面体网 格。但由于本文所研究的叶片不论沿圆周方向的弯曲度还是沿叶高方向的扭曲 度都很大，对网格的布置和生成带来较大的难度。为了得到令人满意的网格， 主要进行了以下几方面工作：（1）在流道的主流区与叶顶间隙区分别采用H&I型网格和H&0型网格。 对流道主流区轮毂（Hub）和机匣（Shroud）的网格分布进行了手动改进。（2） 利用勃拉修斯（Blasius）公式，见式（3-5）,来近似预估第一层网格点与壁面之间的距离 y ，对近壁面处的网格分布进行改进。wallwall(v ) 7refI v丿(L 丫rfI 2丿8

21、y+3-5)式中，V 一参考速度（m/s），这里取叶轮进口流速的平均值; refv 一流体的运动粘滞系数（m2/s）；L厂参考长度（m）这里取叶轮的径向高度;y+无因次壁面变量，它的取值与雷诺数的大小和湍流模型的种类有关，根据本文所研究流动的特点，这里取1。整个计算区域分为叶片流道区域、叶片流道前、后的延伸段以及叶片顶部与机匣壁面之间所构成的叶顶间隙区域，其中将叶片流道和其前、后延伸段区 域称之为主流通道区域。整个模型的计算网格点数共为 216111个。计算区域的 网格点数的具体分布为：(1) 主流通道区：主流方向X叶展方向x跨叶片方向=129x41x33，其中叶 片流道区的网格点分布为：主流

22、方向x叶展方向x跨叶片方向 =65x41x33。(2) 叶片顶部间隙区：网格点数分别为65x17x13和161x13x13,即在叶 顶间隙高度方向和叶片厚度方向分别取13个点。图出了计算区域网格点数分布的示意图。33336533(a) 主流通道区域65(b) 叶顶间隙区域图 计算区域网格点数分布Nodes distribution of computational grid经过反复的调试，最后得到令人满意的计算网格。网格质量为(1) 网格的最小夹角(Orthogonality)为23.5。(2) 网格的最大长宽比(Aspect Ratio)为。(3) 网格的最大延展比(Expansion Ra

23、tio)为。计算条件设置数值模拟的计算条件主要包括：流体介质的设置、流动模型的选择、旋转 机构的设置、边界条件、计算模型、初始条件、输出变量的选择、计算迭代的 设置等。下面分别进行说明。( 1) 本次数值计算中，流体介质选用理想气体。其主要热力学参数为： 定压质量比热容C =(J/KgK )；C绝热指数k =一 =；Cv普朗特数Pr=；运动粘滞系数 =xl0-5 (m2/s)2) 流动模型的具体设置为：(I)通过进行时间配置来定义控制方程组求解的时间相关性，本次所计算的流动是定常流动。( II)选用雷诺平均 N-S 方程组加 S-A 一方程湍流模型。同时由于所研究的叶轮转速较低(Mav)设置为

24、低速流动，在计算之 前要进行预处理。( III)设置特征变量和参考变量。具体包括：特征长度、特征速度特征密度；参考温度和参考压力等。本次计算将叶轮外径作 为特征长度，将叶轮进口平均速度作为特征速度，将叶轮进 口处的气流密度作为特征密度，参考温度为叶轮进口总温， 参考压力为叶轮进口总压。3) 对叶轮的旋转部分和固定不动部分进行区分，给出旋转部分的旋转 速度大小和方向。本次计算模型中叶片的压力面和吸力面以及叶尖 为旋转部分，其旋转速度为1450转/分钟。通过对计算模型结构的分 析，给定旋转为顺时针方向。4) 计算模型边界条件的设置方式对整个数值模拟能否得到令人满意的 结果有非常重要的影响。通过作者

25、反复调试，最终给出如下的具体 设置：I)计算模型的进口截面给定来流方向、绝对总压、总温以及进口的湍流粘度。其中，来流为轴向，进口湍流度设置为3%。II)计算模型的出口截面给定质量流量以及参考静压。其中，出 口流量约为 2Kg/s。（III） 计算模型的进、出口延伸区给定周期性条件，叶轮和轮毂设定为相对静止壁面，机匣设定为绝对静止壁面。上述叶轮模型进、出口截面所给定的气动参数值均为预先通过试验测 量得到的相应结果。（5）计算模型的设置为：（I）空间离散采用守恒形式的有限体积法，中心差分格式。 CFL数取 3。（II）时间推进采用四步 Runge-Kutta 法。（III） 利用多重网格和隐式残差

26、均化对流动实施加速收敛。（6）数值模拟的初始值对整个迭代计算能否顺利进行和计算时间都有着 比较重要的影响。作者通过对试验测量结果的分析，最终给定了初 始全压值、来流温度、初始来流方向以及初始压力分布。（7）根据本文研究的内容，计算的输出参数主要包括了每一网格节点处 的计算结果和周向平均后的计算结果。（8）计算迭代设置主要包括了最大迭代步数和全局残差收敛标准。通过 对研究模型的网格质量和流场特点的分析，以及以往数值计算所积 累的经验，本文给定的最大迭代步数为 700 步，全局残差收敛标准 为 1x10-4。数值迭代结果本文通过求解器进行求解，因网格形 式或者网格大小、对流项的离散插值 格式等原因

27、，可能导致解得发散。因此在迭代过程中，要对解得收敛性随时进 行监控，并在迭代达到制定精度后，结束迭代过程。根据所研究的叶轮内部流 场的特点以及课题研究的主要内容，本文作者给定如下的计算结果收敛标准：全局残差达到1X10-4 ；进、出口质量流量误差小于或等于5 x 10-4 ；计算模型进、出口全压比与试验测量结果之间的误差小于5%； 计算模型的全压效率值与试验测量结果之间的误差小于 5%。经过迭代计算，最终得到令人满意的结果。这里给出了计算过程中全局残 差和进、出口流量的收敛历史，如图和所示。0IDH上l-nhlp-glj(a)原型叶轮DIEXD(c)前弯12。叶轮图风扇叶轮全局残差收敛历史Fi

28、g. Ventilator impeller overall situation residual restraining history沁亠*壬亶.WHig:V-Xfrnfl :HJa bUM Mrsnx(c)前弯12。叶轮图 风扇叶轮进、出口流量收敛历史Fig. . Fan impeller inlet and outlet flow convergence history通过以上结果可以看出计算中的全局残差、进出口的质量流量误差等均达 至U要求，符合制定精度要求，可以应用。本章小结轴流风扇叶轮的内部内部流场十分复杂，如何进行正确的数值计算、网格划分对最后数值模拟结果有重大影响。为此，本章

29、做了以下工作：1. 熟悉本次课题的控制方程：N-S方程及S-A湍流模型，熟悉其适用条件 以及物理意义。2. 给出了本次数值模拟步骤。3. 按照正确步骤进行网格划分并获得预期的、满意的网格分布。4. 数值模拟的计算条件主要包括：流体介质的设置、流动模型的选择、旋 转机构的设置、边界条件、计算模型、初始条件、输出变量的选择、计 算迭代的设置等。5. 根据所研究的叶轮内部流场的特点以及课题研究的主要内容，按照收敛 标准判断计算结果是否达到标准。第四章 流场分析本章将对轴流风扇叶轮在叶顶位置处的内部流场的数值模拟结果进行分 析。主要包括叶轮流道静压分布、速度大小分布、总压分布、叶轮流道内静压 周向平均

30、分布、总压周向平均分布、轴向速度大小周向平均分布。叶轮流道内速度大小分布图、给出了轴流风扇的原型叶轮、前弯 8叶轮、前弯 12叶轮流道内分 别处于 90%、95%、99%叶高位置的速度大小分布情况，左侧是气流入口，右侧 是气流出口。如图所示，在 90%叶高处，随着叶片前弯角度的增加，叶轮流道内气流入 口和气流出口的速度都逐渐减小，而且气流入口的速度逐渐小于气流出口的速 度。图和图所示的 95%和 99%叶高处叶轮流道内的速度分布也可以得到相同的 结果。这说明，在叶顶位置时，随着叶片前弯角度的增大，流道内的动能损失 减小。v/（in.;5）(b)前弯8叶轮(c)前弯12。叶轮图叶轮流道速度大小的

31、分布(90%叶高)Fig. Impeller speed size distribution (90% blade height)V/-15-(a)原型叶轮-o-(riis：.r5-1-(c)前弯12叶轮Virn.-s?图叶轮流道速度大小的分布(95%叶高)Fig. Impeller speed size distribution (95% of blade height)r：5-Vz (m/5)10-fl-(c)前弯12。叶轮图叶轮流道速度大小的分布(99%叶高)Fig. Impeller speed size distribution (99% blade height)叶轮流道内叶顶轴向

32、速度大小周向平均分布图给出了叶轮流道内原型叶轮叶顶，前弯8叶顶，前弯12叶顶轴向速 度大小周向平均分布。从图中可以看出，在叶顶位置，不同弯曲角度的叶片轴 向速度都是随着叶高的增加速度随之减小，最顶部的的速度最小。随着叶片周 向前弯角度的增大，叶顶处叶片前缘的轴向速度变化不大，而叶片后缘的轴向 速度明显减小。(a)原型叶轮(b)前弯8叶轮Vz (rn/s)12.510-7.5-5-2.5-(c)前弯12叶轮图叶轮流道内叶顶轴向速度大小周向平均分布Fig. Impeller tip within the axial velocity distribution of the size ofcircu

33、mferential叶轮流道静压分布图、分别给出了 90%、95%、99%叶高位置叶轮流道压力分布，如图所示, 左侧是气流入口。从图中对比可以得出在不同叶高处，叶轮气流入口的压力总 是小于气流出口，而且随着叶片前弯角度的增加，气流入口与气流出口的静压 差增大。Static Pressure (Pa)原型叶轮10M00(b)前弯8叶轮Static Pressure (Pa)I 0040099200Static Pressure (Pa)(c)前弯12。叶轮100600图叶轮流道压力分布(90%叶高)Fig. Impeller pressure distribution (90% blade he

34、ight)(a)原型叶轮1 nniionStatic Pressure (Pa)Static Pressure (Pa)SSOjj100200CC23D(c)前弯12叶轮(b)前弯8叶轮Static PrASRiirA (Pa)J03600图叶轮流道压力分布(95%叶高)Fig. Impeller pressure distribution (95% of blade height)(a)原型叶轮Static Pressure (Pa)10MOOnrnoo100200100000-99800-99600-t54uu-Static Pressure (Pa)1CO4OO(b)前弯8叶轮cqnnn

35、f9200Static Prpssiiro(c)前弯12。叶轮10UC01OD6CO图叶轮流道压力分布(99%叶高)Fig. Impeller pressure distribution (99% blade height)叶轮流道总压分布图、给出了原型叶轮、前弯8叶轮、前弯12叶轮分别处于90%、95%、 99%叶高位置时的叶轮流道总压分布，中间粗曲线上方为压力面，曲线下方为吸 力面。如图，在90%叶高处，叶片压力面的总压总是大于吸力面，随着叶片前 弯角度的增大，叶片压力面的总压逐渐增大，吸力面的总压先减小后增大。图 和所示的在95%叶高处和99%叶高处的叶轮流道总压分布也可得出同样的结果。

36、 这说明，在叶顶位置处，随着叶片前弯角度的增大，叶轮流道内叶片压力面的 总压逐渐增大，吸力面的总压先减小后增大。Atisoluic Tnkil PrtuiSLirf ： (Pn)(a)原型叶轮(b)前弯8叶轮JOO耳：*()(c)前弯12。叶轮Absolute Total Pressure (Pm101601C1400mcisnnPCi和图叶轮流道总压分布(90%叶高)Fig. Impeller total pressure distribution (90% blade height)Absolute Total Pressure (Pa)(a)原型叶轮1016000080010090010

37、1500-101400-101300-101200-101100-101000-(c)前弯12叶轮Absolute Total Pressure (Pa)9900b)前弯8叶轮AhsolutA TotAl PrASSLirp (Pa)1C0350-100300-100250-1002001C01501C0100-1C0050-1C0000-1016001014001Q12001010001C0803图叶轮流道总压分布(95%叶高)Fig. Impeller total pressure distribution (95% of blade height)Pressure (Fa)1016010

38、150Q-101400101300-10120CrlOllOCr101000- 1(a)原型叶轮(b)前弯8叶轮(c)前弯12。叶轮图 叶轮流道总压分布(99%叶高)Fig. Impeller passage total pressure distribution (99% high)叶顶静压周向平均分布图给出了原型叶轮、前弯8叶轮和前弯12叶轮的叶顶静压周向平均分 布，左侧为叶片前缘，右侧为叶片后缘。从图中可以看出，随着叶片前弯角度 的增大，叶顶处叶片前缘的静压周向平均值逐渐减小，叶片后缘的静压周向平 均值减小。(a)原型叶轮(b)前弯8叶轮KUir PHuunEi(c)前弯12。叶轮图叶顶

39、静压周向平均分布Fig. Distribution of tip circumferential static pressure叶轮流道内叶顶总压周向平均分布图给出了原型叶轮，前弯8叶轮，前弯12叶轮流道内叶顶总压周向平 均分布。从图中看以看出原型叶轮叶顶和叶片前弯的叶轮叶顶的叶片前缘到叶 片后缘的总压周向平均值是逐渐增加的。在叶顶位置处，随着叶片前弯角度的 增大，叶片前缘的总压周向平均值逐渐减小，叶片后缘的总压周向平均值逐渐 增大。(a)原型叶轮(b)前弯8叶轮AbaokAh 1-=4*1 PrwuiH iFai11!*iliAM-MIU4-Abardutah 3-si*l PrasiuiH

40、 iPjii(c)前弯12。叶轮IliZM-图叶轮流道内叶顶总压周向平均分布the distribution of circumferential impeller total pressure inside the tip本章小结本章借助NUMECA软件对轴流风扇叶轮在叶顶位置处的内部流场的数值 模拟结果进行分析。得出了如下几个结论。(1) 在叶顶位置处，随着叶片前弯角度的增加，叶轮流道内气流入口和气 流出口的速度都逐渐减小，而且气流入口的速度逐渐小于气流出口的速度，流 道内的动能损失减小。(2) 在叶顶位置处，不同弯曲角度的叶片轴向速度都是随着叶高的增加， 速度的大小随之减少，最顶部的的速

41、度最小。随着叶片前弯角度的增大，叶顶 处叶片前缘的轴向速度变化不大，而叶片后缘的轴向速度明显减小。(3) 在叶顶位置处，叶轮气流入口的压力总是小于气流出口，而且随着叶 片前弯角度的增大，气流入口与气流出口的静压差增大。(4) 在叶顶位置处，随着叶片前弯角度的增大，叶轮流道内叶片压力面的 总压逐渐增大，吸力面的总压先减小后增大。(5) 随着叶片前弯角度的增大，叶顶处叶片前缘的静压周向平均值逐渐减 小，叶片后缘的静压周向平均值减小。(6) 在叶顶位置处，随着叶片前弯角度的增大，叶片前缘的总压周向平均值逐渐减小，叶片后缘的总压周向平均值逐渐增大。5.工作总结与展望工作总结本文对三维不可压缩内部流动进

42、行数值模拟，包括对其网格划分、边界条 件的设置、计算过程的设置、计算结果的处理。通过数值计算反映出叶片周向 前弯角度对轴流风扇叶顶流场的影响，再利用对其内部流场来的数值模拟，获 得系统分析了速度分布和压力分布、内部流动阻力损失分布、出口的速度场和 压力场等，给出了轴流风扇叶轮的内部流场特征。现将主要工作总结如下：（1）查阅相关资料，了解本论文研究内容的意义以及前人所取得的成果，详 细了解 NUMECA 软件的特点和使用方法。（2）给出所研究对象即轴流风扇叶轮的模型（3）借助 NUMECA 软件对轴流风扇叶轮在叶顶位置处的内部流场的数值模 拟，并对计算结果进行了分析，主要包括叶轮流道静压分布、速

43、度大小 分布、总压分布、叶轮流道内静压周向平均分布、总压周向平均分布、 轴向速度大小周向平均分布。（4）对数值模型的结果分析表明，在叶顶位置处，随着叶片前弯角度的增 力口，流道内的动能损失减小；在叶顶位置处，随着叶片周向前弯角度 的增大，叶片前缘的轴向速度变化不大，而叶片后缘的轴向速度明显减 小;在叶顶位置处，叶轮气流入口的压力总是小于气流出口，而且随 着叶片前弯角度的增加，气流入口与气流出口的静压差增大；在叶顶 位置处，随着叶片前弯角度的增大，叶轮流道内叶片压力面的总压逐渐 增大，吸力面的总压先减小后增大。随着叶片前弯角度的增大，叶顶 处叶片前缘的静压周向平均值逐渐减小，叶片后缘的静压周向平

44、均值减 小；在叶顶位置处，随着叶片前弯角度的增大，叶片前缘的总压周向 平均值逐渐减小，叶片后缘的总压周向平均值逐渐增大。研究展望回顾本文的工作，还有很多问题有待下一步的继续研究。在目前已有工作 和初步研究的基础上，主要考虑从以下几个方面进一步完善和深化：（1）进一步开展轴流风扇叶轮内部流场的实验研究，深入研究流道内的各种 流动情况，揭示叶片周向前弯角度对轴流风扇叶顶流场影响的产生机理 为数值模拟提供实验支持。（2）开展叶片周向后弯角度对轴流风扇叶顶流场的影响的数值及实验研究， 得出叶片周向弯曲角度对轴流风扇叶顶流场的影响。（3）进一步开展轴流风扇叶轮的流场的数值研究及相关实验，从叶轮与流道 形状及其结构匹配上，找出关键影响参数取值的最佳范围，以减小叶顶 间隙的泄漏所造成的流场损失。节能、环保仍然是轴流风扇急需解决的问题，因此对叶轮内部流场的分析 仍然需要大量工作进行，需要不断地努力，为改善叶轮内部流场、节能降噪做 出贡献。