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基于对数螺旋型线的一种多翼离心叶轮优化设计研究

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基于对数螺旋型线的一种多翼离心叶轮优化设计研究

作者：高宗飞江苏大学

学位级别：硕士

现阶段智能制造及数字孪生技术已逐渐成为制造业经济发展的新引擎,计算流体动力学技术作为一项贯穿于产品开发和制造整个过程中的虚拟仿真试验技术,不仅可以精准地预测表达出风机产品的气动性能,还能够形象地刻画描绘出内流场的分布特... 详细信息

现阶段智能制造及数字孪生技术已逐渐成为制造业经济发展的新引擎,计算流体动力学技术作为一项贯穿于产品开发和制造整个过程中的虚拟仿真试验技术,不仅可以精准地预测表达出风机产品的气动性能,还能够形象地刻画描绘出内流场的分布特征。因其兼具强大的核心优势,为新型风机产品的研制提供了一种强而有力的技术手段。多翼离心通风机凭借其整机的小尺寸系数、腔内的高压力系数和出口的大流量系数被广泛地应用于空间狭窄的通风换气工业设备与家电领域产品中。其中包括家庭浴室集成吊顶中的热对流式电加热器具,其核心组件便是前向式多翼离心风机。作为厨卫家电中的一款新兴产品,由于起步时间较晚并缺乏基础性理论研究,致使其结构设计依靠于经验数据,性能参数依赖于试验测试,最终导致在使用过程中存在风速低、噪音大、能耗高等多重弊病,严重阻碍了暖风机产品及其行业的健康发展。为了优化风机结构,提高风机气动性能及为节能减排寻求新的有效途径,本文开展的主要工作及成果如下:(1)基于国内外多翼离心风机的研究现状分析与提炼,在借鉴大量前人有关流体及风机领域科研成果的基础上,以改进离心叶轮叶道与叶片型线作为优化的突破口,并以提升风机风量和改善出口均匀性为设计的总目标,依托仿真软件研究了原多翼离心风机内流场数值模拟的流程及其关键参数,为寻找其气动性能不足的原因及后续改进夯实了坚实基础。(2)其次通过原多翼离心风机性能参数的实测和仿真计算结果对比,研究结果表明其性能不足的关键原因在于:离心叶轮叶道和叶片型线设计不合理性直接导致了叶道与内流场存在大范围的紊流涡区,特别是环流、回流等严重降低了风机气动性能和工况效率。(3)然后以恒加速叶轮叶道为设计载体,采用常规单圆弧离心叶轮设计理念进行了三因素三水平正交仿真试验,创新性地设计一种拟合了对数螺旋线与圆弧为一体的复合型线等厚叶轮,并对其叶片上端部采用圆角过渡。进一步通过仿真验证及手板的气动实验测试,数值结果表明,采用对数螺旋型线设计的复合型线加速叶道及其离心叶轮气动性能优越。(4)最后在新复合型线叶轮的气动性能优化基础上,进一步对其工况下的整体结构进行了静力学及流固单耦合的动态仿真计算与分析。研究结果表明,优化叶轮不仅拥有优良的气动性能,还具备常见注塑材料下的可靠强度与刚度等力学性能,满足了行业设计规范中的相关要求,实现了气动性能与结构性能双赢的设计目标。

关键词：多翼离心风机数值模拟叶轮优化对数螺旋型线加速叶道流固耦合

基于海水养殖的潮流能发电装置叶轮优化数值研究

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基于海水养殖的潮流能发电装置叶轮优化数值研究

作者：朱金月浙江海洋大学

学位级别：硕士

在适用于海水养殖的低流速海况下,提高潮流能发电装置的发电功率对海水养殖自动化智能化发展有着重要意义。为进一步提高水轮机发电功率,本文对垂直轴潮流能发电装置的旋转叶轮进行系统的设计,采用SST K-ω湍流模型和滑移网格技术设置... 详细信息

在适用于海水养殖的低流速海况下,提高潮流能发电装置的发电功率对海水养殖自动化智能化发展有着重要意义。为进一步提高水轮机发电功率,本文对垂直轴潮流能发电装置的旋转叶轮进行系统的设计,采用SST K-ω湍流模型和滑移网格技术设置数值模拟实验,计算潮流能发电装置各工况的发电功率。主要研究内容如下:(1)文章先对旋转叶轮端部的小翼结构进行几何划分,对安装小翼结构的三叶片水轮机进行建模,通过CFD软件进行数值模拟实验计算,用控制变量法分析不同小翼长度和不同小翼负旋角组合的小翼结构对水轮机整体发电功率的影响,并根据流场信息分析不同小翼结构水动力性能存在差异的原因。(2)在考虑小翼结构基础上,改变以往模拟实验中水轮机旋转叶轮的叶片数量,对叶片几何参数进行优化,明确几何参数改变,造成旋转叶轮叶片数量的变化,建立带有小翼结构的二叶片水轮机和四叶片水轮机几何模型,进行数值模拟实验计算,在其他条件不变的情况下,分析比较二叶片、三叶片与四叶片水轮机的水动力性能差异,并分析了差异存在的原因。(3)改变水轮机的旋转速度,探究来流速度为1m/s时,潮流能发电装置的发电潜力。通过以上模拟实验对比分析发现,在适合海水养殖的低流速海况下,该型潮流能发电装置在各工况下均有稳定的发电功率。实验结果表明:(1)在低流速低转速、叶轮旋转半径一定的情况下,叶轮小翼长度占水轮机旋转半径的26.80%,小翼负旋角70°的水轮机水动力性能最好,发电功率最高;(2)与三叶片水轮机相比,二叶片水轮机水动力性能较好,能量转换效率较高,四叶片水轮机水动力性能较差,能量转换效率较低;(3)水轮机发电功率随着叶轮旋转速度升高先增加后减小,在一定的转速范围内,提高叶轮的旋转速度可以显著的提升水轮机的发电功率。本文的研究内容为海水养殖设备供电问题提供了一种新的解决方案,本文的研究结论为该型潮流能发电装置的实际应用提供参考依据。

关键词：海水养殖设备供电潮流能发电装置叶轮优化低速流水动力性能

微型低温离心泵叶轮优化设计方法及初步测试验证

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真空与低温 2021年第6期27卷 520-527页

作者：王鸽田桂程诚黄永华上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240 上海空间推进研究所上海201112 上海空间发动机工程技术研究中心上海201112

高效微型低温离心泵在航天低温推进剂在轨贮存、液化天然气计量加注等领域有着重要的应用。叶轮是离心泵的核心部件,直接影响泵的扬程、效率和稳定性,其优化设计是关键环节。目前国内外关于低温离心泵叶轮的优化设计多采用基于一元理论... 详细信息

高效微型低温离心泵在航天低温推进剂在轨贮存、液化天然气计量加注等领域有着重要的应用。叶轮是离心泵的核心部件,直接影响泵的扬程、效率和稳定性,其优化设计是关键环节。目前国内外关于低温离心泵叶轮的优化设计多采用基于一元理论和相似理论的模型换算法和速度系数法并结合数值仿真或工程经验进行。为节省研发成本、缩短研制周期,通过CFD仿真,验证了液氮和水两种流动介质下低温泵扬程曲线的相似性以及其他外特性曲线与介质物性参数的关系,采用制作简便的3D打印树脂叶轮进行微型低温离心泵叶轮优化的常温流体试验。在扬程、流量及效率等条件的协同约束下,确定了叶片数为6、叶片包角90°的叶轮最优方案,进而可以替换为金属材质并在后续进行低温工况测试。实验结果表明,本文所提出的微型低温离心泵叶轮快速迭代优化设计方法是可行和实用的。

关键词：低温离心泵叶轮优化 3D打印 CFD仿真

基于神经网络和遗传算法的高海拔柴油机离心压气机叶轮优化

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军事交通学院学报 2018年第7期20卷 39-43页

作者：董素荣刘卓学张众杰夏南龙刘瑞林陆军军事交通学院军用车辆工程系天津300161 陆军军事交通学院学员五大队天津300161

针对柴油机离心压气机在高海拔地区使用时性能下降的问题,采用人工神经网络与遗传算法相结合的方法,对压气机叶片前缘掠角及分流叶片周向位置进行优化设计,分析优化后叶轮的高海拔特性。结果表明:压气机主叶片及分流叶片前缘前掠6.27°... 详细信息

针对柴油机离心压气机在高海拔地区使用时性能下降的问题,采用人工神经网络与遗传算法相结合的方法,对压气机叶片前缘掠角及分流叶片周向位置进行优化设计,分析优化后叶轮的高海拔特性。结果表明:压气机主叶片及分流叶片前缘前掠6.27°、分流叶片与主叶片吸力面夹角12.09°对压气机高海拔性能的提升最为显著;海拔5 500 m时压比、效率及流量范围分别提高4.16%、2.63%及6.58%,平原及海拔3 500 m时的性能也同样得到改善。

关键词：高海拔离心压气机叶轮优化神经网路遗传算法

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小型前弯离心风机叶轮参数优化

湖南大学学报（自然科学版） 2022年第12期49卷 75-82页

作者：陈晋市师海月赵亚东奚博耿冬妮吉林大学机械与航空航天工程学院吉林长春130022 长春夸克普精汽车电子有限责任公司吉林长春130022

为了提高小型前弯离心风机的气动性能,以汽车座椅通风用离心风机为研究对象,采用数值模拟与正交试验相结合的方法,研究叶片数、叶片出口角、叶片进口角以及叶片厚度对离心风机气动性能的影响.基于小风量风机性能实验台,验证数值模拟结... 详细信息

为了提高小型前弯离心风机的气动性能,以汽车座椅通风用离心风机为研究对象,采用数值模拟与正交试验相结合的方法,研究叶片数、叶片出口角、叶片进口角以及叶片厚度对离心风机气动性能的影响.基于小风量风机性能实验台,验证数值模拟结果的正确性.选取三水平正交表L_(9)(3^(4))进行此次试验,建立了9种不同参数组合下的叶轮模型,以最大静压为优化目标,采用计算流体动力学方法,得到了最佳离心风机参数组合.对优化前、后离心风机内部流场的压力与速度分布进行了对比分析.由正交试验结果分析可知,各参数对离心风机最大静压影响的主次顺序为叶片出口角、叶片进口角、叶片数和叶片厚度;达到最大静压的参数组合为:叶片数55,叶片进口角95°,叶片出口角125°,叶片厚度0.8 mm.优化后离心风机的无因次特性曲线优于原有风机,在高效率区域静压可提高3.78%~10.67%,具有更好的气动性能.对比优化前、后离心风机内部流场的压力与速度分布可知,优化后的离心风机内部流场分布更加均匀,在叶轮进口处低压区的压力更低,速度更大,更有利于气流的进入.

关键词：离心风机正交试验叶轮优化计算流体动力学流场分布

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离心叶轮气动优化设计及分体式应用研究

离心叶轮气动优化设计及分体式应用研究

作者：马子超北京理工大学

学位级别：硕士

随着涡轮增压发动机的日渐普及,在涡轮增压器中两个关键部件就是压气机和涡轮。离心压气机则是涡轮增压器主要的进气方式。几十年的发展历史表明涡轮增压是提高发动机功率和改善经济性的有效的措施,它已成为当前内燃机发展的重要方向。... 详细信息

随着涡轮增压发动机的日渐普及,在涡轮增压器中两个关键部件就是压气机和涡轮。离心压气机则是涡轮增压器主要的进气方式。几十年的发展历史表明涡轮增压是提高发动机功率和改善经济性的有效的措施,它已成为当前内燃机发展的重要方向。本文利用数值手段对某增压器离心叶轮进行气动优化设计和新型分体式构型应用研究,主要开展了以下研究内容:首先对原型离心叶轮进行深入分析,计算对比了叶轮100%及90%转速特性曲线分布,讨论了流量-效率、流量-压比曲线的特点。并进一步对设计转速下的峰值效率点和近失速点进行详细的内部流动分析,寻找影响效率的因素和改型优化切入点。其次,根据原型的流动特性,对离心叶轮进行改型设计。分别针对叶轮子午流路及中弧线开展多种单、多目标优化设计,其效率可分别提升0.3%、0.2%,0.7%、0.7。对比分析了改型工作特性及内部流动改善机理。最后,在原型叶轮的基础上开展分体式离心叶轮设计、分析及优化。研究分体式离心叶轮设计方法,对比分体位置\宽度\时序等对叶轮性能影响,分析其气动性能。研究发现,在原型叶轮上直接分体的方式虽会增加气动损失,但能够梳理流动并使得出口处的速度分布更加均匀。在原型分体叶轮的基础上需进行改进优化设计,预期能降低损失,是下一步需开展的研究方向。

关键词：离心叶轮数值模拟叶轮优化分体式叶轮气动性能

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航空发动机叶片打磨仪驱动叶轮的结构优化

航空发动机叶片打磨仪驱动叶轮的结构优化

作者：周杨沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

不需要拆卸发动机来进行叶片微小损伤修复的情况通常可以由气动打磨仪完成。然而气动打磨仪的驱动叶轮在开放条件下工作,不足以提供充足力矩,导致打磨工作难以高效完成。因此,本文针对原有结构中存在的缺陷,设计一种封闭性能良好的驱动... 详细信息

不需要拆卸发动机来进行叶片微小损伤修复的情况通常可以由气动打磨仪完成。然而气动打磨仪的驱动叶轮在开放条件下工作,不足以提供充足力矩,导致打磨工作难以高效完成。因此,本文针对原有结构中存在的缺陷,设计一种封闭性能良好的驱动结构,有效提高气动效率的同时,获得更好的气动打磨效果。首先,通过专业的三维建模软件对驱动结构进行设计,使其具有良好的密封性。其次,通过流体分析专用软件,并结合转速实验中测得的数据,模拟驱动结构整个流道内的三维非定常流动。经分析结果获得不同流量工况下叶轮进口、叶轮流道、叶轮出口三个主要位置的压力脉动时域及频域特性。然后,基于上述特性,提取噪声数据获取叶轮的声功率频谱图。通过与试验对比验证了气动噪声数值模拟方法的准确性,并结合流场分析结果,对叶轮结构进行改进。研究结果表明,当网格数量在300万以上时,数值模拟的结果与模型的试验结果趋势基本一致,且该数值仿真方法所求解的物理量精度较高。不同流量工况下,不同监测点所对应的压力脉动值均表现出较强的规律性。叶轮流道内压力脉动波动最为复杂,叶轮转动频率为压力脉动的主频,次要频率为叶轮的2倍转动频率,其中大流量工况下还有较多分频。偏离设计工况过多时,叶轮流道内出现较多的能量损失。通过改善叶轮结构,并对比相同结构特征下,取不同特征参数时叶轮的仿真数据,得出叶轮气动性能最佳时的几何参数,最终实现了驱动叶轮的结构优化。

关键词：气动打磨仪驱动结构非定常数值模拟压力脉动气动噪声叶轮优化

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离心泵叶轮的参数优化

湖北工业大学学报 2019年第4期34卷 8-13页

作者：张相志王彦伟胡家顺武汉工程大学机电工程学院

离心泵进行水力计算可得到叶轮的部分设计参数,传统的轴面投影图绘制的方法确定剩余部分叶轮主要设计参数,忽略了由此而确定的叶轮参数是否为最优的问题。采用正交实验法来挑选出其余叶轮变化设计参数的较好搭配,且可将参数逐步进行优化... 详细信息

离心泵进行水力计算可得到叶轮的部分设计参数,传统的轴面投影图绘制的方法确定剩余部分叶轮主要设计参数,忽略了由此而确定的叶轮参数是否为最优的问题。采用正交实验法来挑选出其余叶轮变化设计参数的较好搭配,且可将参数逐步进行优化,找到理想的最优解,从而优化了叶轮轴面投影图和叶轮的设计参数以及叶轮流道型线,提高了离心泵的水力效率和叶轮的工作效率。

关键词：正交实验法轴面投影图叶轮优化

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混流泵叶轮关键参数的优化设计

水泵技术 2023年第6期 34-38页

作者：强盼侯凯文上海凯泉泵业(集团)有限公司上海201800

文中采用数值分析与试验相结合的方法,通过给定不同叶片出口宽度、包角及盖板倾角3个关键参数,设计了12组叶轮方案,对比分析了上述关键参数对混流泵叶轮效率的影响,结果表明:较大的出口宽度能有效提高大流量点的效率,而大包角的采用对... 详细信息

文中采用数值分析与试验相结合的方法,通过给定不同叶片出口宽度、包角及盖板倾角3个关键参数,设计了12组叶轮方案,对比分析了上述关键参数对混流泵叶轮效率的影响,结果表明:较大的出口宽度能有效提高大流量点的效率,而大包角的采用对小流量工况下的流动能起到改善作用,且对于混流泵叶轮,盖板越“上抬”,设计点效率越高。采用上述结论对叶轮进行优化设计,并通过样机试验加以验证。文章通过对比关键参数对叶轮效率的影响,为混流泵叶轮的优化提供了设计思路。

关键词：混流泵叶轮优化包角盖板倾角出口宽度