CN112528397A - 一种射流风机后导流器的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种射流风机后导流器的优化设计方法，属于风机设计技术领域。本发明的优化设计方法，先按照孤立翼型理论选择射流风机后导流器的导叶型式，并根据叶轮的流体力学特性计算导叶参数的高效区间，建立多组合理参数范围内后导流器的三维模型，结合流体力学数值模拟技术并引入RNG k‑ε湍流模型，对射流风机的内流场特性进行数值模拟，以射流风机推力最大、效率最高为原则，确定后导流器导叶参数的最优组合。本发明可以对不同类型的射流风机后导流器进行快速高效的设计，避免因设计不合理造成的风机性能降低与试验成本浪费等问题。
Description
技术领域
本发明涉及风机设计技术领域，尤其是涉及一种射流风机后导流器的优化设计方法。
背景技术
风机广泛应用于高层建筑、工厂、高尔夫球场、足球场等场合的通风换气和夏季降温，射流风机一般由机壳、电机、叶片和导流器组成，在风机的运行中，会产生旋绕气流损失，后导流器的作用是将旋绕气流转化为轴向气流，同时又会产生流动损失，其对风机的射程、效率等产生直接影响。目前，后导流器的设计过程主要依赖流经叶轮的气流参数，由于难以获得准确的气流参数，后导流器的设计还停留在经验阶段，导致许多结构和参数设计不合理，风机内部流动损失增加、效率下降。
中国专利(CN110701111A)公开了一种利用分流叶片减少射流风机导流叶片总压损失的方法，利用分流叶片不仅可以减少气流二次流的产生，还可以减少气流在导流叶片根部与端壁面的夹角区域的聚集，以达到减小导流叶片总压损失的目的；但是，该专利无法解决导流器本身设计不合理的问题。中国专利(CN111814273A)公开了一种多圆弧叶型设计方法，基于典型几何及气动参数建立多圆弧叶型的样本空间，以在选定的多个圆弧叶型中选取满足失速攻角范围要求的多圆弧叶型，但是无法得到最优参数。
综上所述，目前对于射流风机导流器的设计还停留在经验阶段，缺乏具体高效的设计方法。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种射流风机后导流器的优化设计方法，快速准确地确定后导流器的导叶参数高效区间范围，避免因设计不合理造成的风机性能降低与试验成本浪费。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种射流风机后导流器的优化设计方法，具体为：
按照孤立翼型理论选择后导流器的导叶型式，并计算导叶参数的高效区间范围；
根据导叶参数的高效区间范围，建立多组带有后导流器的射流风机三维模型；
将带有后导流器的射流风机三维模型进行边界命名与计算域划分处理，然后导入前处理软件进行网格划分，并做网格无关性分析；
将网格文件导入FLUENT软件中，并引入RNG k-ε湍流模型进行模型封闭，设置各边界条件，对射流风机内流场特性进行三维稳态数值模拟；
将三维稳态数值模拟结果导入Results软件中，基于响应面法以射流风机出口推力最大、效率最高为原则进行最优参数预测，确定导叶参数的最优组合。
进一步的技术方案，所述导叶参数包括后导流器叶片数目、后导流器叶片宽度及后导流器叶片安装角。
更进一步的技术方案，所述导叶参数高效区间范围确定，具体为：
后导流器叶片数目zsi：在叶轮数的1.5-3倍内，选取导流器叶片数目与叶轮数互质的所有整数；
后导流器叶片宽度
其中r为导叶半径，翼型升力系数Cy在最小阻升比μ范围内选择，空气动力负荷系数
式中c2u为叶轮出口气流旋绕速度，c3u为后导流器出口旋绕速度，且c3u＝n2c2u，n2为后导流器计算系数，cms为气流流经后导流器时的绝对平均速度，且
ca为气流流经叶轮时的轴向速度，且
其中Qv为风机体积流量，D为叶轮直径，d为轮毂比；
后导流器叶片安装角θs＝δms+is，其中is为气流冲角，δms为后导流器叶栅额线间的夹角，且
更进一步的技术方案，所述后导流器计算系数n2的高效区间为0.05-0.25。
进一步的技术方案，还包括：根据导叶参数的最优组合，建立后导流器三维模型，并通过数值模拟方法对后导流器三维模型进行验证。
进一步的技术方案，所述计算域划分为进风域、旋转域和导流域。
更进一步的技术方案，所述推力的计算公式为：
其中Qm为射流风机的质量流量，A为射流风机的机壳截面积，cm为气流平均速度。
进一步的技术方案，所述带有后导流器的射流风机三维模型是在导叶参数的高效区间范围，基于响应面法进行导叶参数组合，在SOLIDWORKS软件中建立的。
本发明具有的有益效果是：本发明按孤立翼型理论选择射流风机后导流器的导叶型式，并根据叶轮的流体力学特性计算导叶参数的高效区间，可以快速准确地确定后导流器的导叶参数高效区间范围；本发明以射流风机推力最大、效率最高为原则，确定后导流器导叶参数的最优组合，根据导叶参数的最优组合，建立后导流器三维模型，并通过数值模拟方法对后导流器三维模型进行验证。本发明提供的方法可以对不同类型的射流风机后导流器进行快速高效的设计，并对其性能进行仿真验证，避免因设计不合理造成的风机性能降低与试验成本浪费等问题，对射流风机后导流器设计优化以及提升射流风机性能具有重要意义。
附图说明
图1为本发明所述射流风机后导流器的优化设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种射流风机后导流器的优化设计方法，按孤立翼型理论选择射流风机后导流器的导叶型式，并根据叶轮的流体力学特性计算导叶参数的高效区间，建立多组合理参数范围内后导流器的三维模型，结合流体力学数值模拟技术并引入RNG k-ε湍流模型，对射流风机的内流场特性进行数值模拟，以射流风机推力最大、效率最高为原则，确定后导流器导叶参数的最优组合。
如图1所示，一种射流风机后导流器的优化设计方法，具体步骤如下：
步骤一，按孤立翼型理论选择后导流器的导叶型式，并计算导叶参数(包括叶片数目、叶片宽度及叶片安装角)的高效区间范围，所述导叶参数的高效区间范围具体计算方法为：
(1)根据后导流器计算系数n2的高效区间计算后导流器出口旋绕速度的区间范围：c3u＝n2c2u，其中c2u为叶轮出口气流旋绕速度，后导流器计算系数n2的高效区间为0.05-0.25；
(2)确定后导流器叶片的空气动力负荷系数
的范围，其中，cms为气流流经后导流器时的绝对平均速度，且
式中ca为气流流经叶轮时的轴向速度，且
其中Qv为风机体积流量，D为叶轮直径，d为轮毂比；
(3)在最小阻升比μ范围内，选择翼型升力系数Cy；
(4)选择后导流器的叶片数目zsi：后导流器的叶片数目一般为叶轮数的1.5-3倍，在叶轮数的1.5-3倍内，选取导流器叶片数目与叶轮数互质的所有整数；
(5)计算后导流器叶片宽度
的区间范围，其中r为导叶半径；
(6)计算后导流器叶片安装角θs＝δms+is的区间范围，其中，δms为后导流器叶栅额线间的夹角，且
is为气流冲角，即绝对平均速度cms与翼弦的夹角。
步骤二，根据导叶参数的高效区间范围，基于响应面法(Response SurfaceMethodolog，RSM)进行导叶参数组合，并使用SOLIDWORKS软件建立多组带有后导流器的射流风机三维模型，并导出为.x_t格式。
步骤三，将带有后导流器的射流风机三维模型进行边界命名与计算域划分处理，然后导入前处理软件进行网格划分，并做网格无关性分析；计算域划分处理，具体为将射流风机计算域划分为进风域、旋转域及导流域三部分参考系。
步骤四，将网格文件导入FLUENT软件中，并引入RNG k-ε湍流模型进行模型封闭，设置各边界条件，基于压力求解器，以叶轮转速为初始条件，使用SIMPLE算法对射流风机内流场特性进行三维稳态数值模拟。
步骤五，将三维稳态数值模拟结果导入Results软件中，根据不同三维模型下的模拟结果，基于响应面法以射流风机出口推力最大、效率最高为原则进行最优参数预测，确定导叶参数的最优组合；其中推力F的计算公式为：
其中，Qm为射流风机的质量流量，A为射流风机的机壳截面积，cm为气流平均速度。
步骤六，根据导叶参数的最优组合，建立后导流器三维模型，并通过数值模拟方法对后导流器三维模型进行验证。
本实施例以GM-DGR型射流风机为设计对象，具体说明一种射流风机后导流器的优化设计方法，包括如下步骤：
步骤一，按孤立翼型理论：当轮毂比小时(d≤0.7)，后导流器可采用扭曲叶片，当轮毂比大时(d>0.7)，后导流器可采用等宽度的非扭曲叶片；本实施例中后导流器的轮毂比与叶轮轮毂比相同，均为0.25，因此选择等宽度的扭曲叶片型式；
(1)由射流风机的后导流器计算系数n2＝0.05-0.25为高效区间、叶轮出口气流旋绕速度c2u＝17.18m/s，计算后导流器出口旋绕速度区间范围c3u＝0.859-4.295m/s；
(2)计算风机轴向速度ca＝24m/s，进一步得到气流流经后导流器时的绝对平均速度cms的范围为25.64-26.29m/s，从而计算后导流器叶片的动力负荷系数τCy的范围为0.76-0.82；
(3)选择翼型升力系数Cy，由于后导流器翼型的相对厚度c较叶轮小，而且在后导流器中，没有离心力作用于叶片的附面层内，因而气流在后导流器中的流动条件要比叶轮差，所以后导流器的升力系数Cy不应选的过高，为了保证叶栅的高效率，可在最小阻升比μ范围内选择，本实施例中Cy＝0.9；
(4)计算后导流器导叶数目，本实施例风机叶轮数为3，后导流器的叶片数目一般为叶轮数的1.5-3倍，因此后导流器的叶片数目应在4.5-9之间，选取此范围内与叶轮数互质的所有整数zs1＝5、zs2＝7、zs3＝8；
(5)根据公式
计算后导流器叶片宽度bsi范围为275mm-440mm；
(6)根据公式
计算后导流器叶栅额线间的夹角δms范围为65-74°，进而计算后导流器叶片安装角θs＝δms+is范围为67-76°。
步骤二，在后导流器参数的高效范围区间对不同导叶参数进行组合(参见表1)，并通过SOLIDWORKS进行三维模型建立，导出为.x_t格式。
表1后导流器不同参数组合
| 叶片数目 | 叶片宽度(mm) | 叶片安装角(°) | |
| 1 | 5 | 360 | 67 |
| 2 | 8 | 275 | 72 |
| 3 | 8 | 360 | 67 |
| 4 | 7 | 275 | 67 |
| 5 | 5 | 275 | 72 |
| 6 | 5 | 440 | 72 |
| 7 | 7 | 360 | 72 |
| 8 | 7 | 440 | 67 |
| 9 | 5 | 275 | 76 |
| 10 | 7 | 275 | 72 |
| 11 | 7 | 275 | 72 |
| 12 | 7 | 440 | 76 |
| 13 | 7 | 360 | 72 |
| 14 | 8 | 440 | 72 |
| 15 | 7 | 275 | 76 |
| 16 | 8 | 360 | 76 |
| 17 | 7 | 360 | 72 |
步骤三，将三维模型导入Design Modoler，将计算域划分为进风域、旋转域与导流域三部分，然后将模型导入ICEM-CFD进行网格划分处理，并做网格无关性分析。
步骤四，将网格文件导入FLUENT，引入RNG k-ε湍流模型，设置：风机入口为压力入口、入口相对压力为0、风机出口为压力出口、出口相对压力为0、风机壁面为标准无滑移壁面、叶轮设置为移动壁面、转速为960rpm、后导流器为标准的无滑移壁面。
步骤五，在Results中统计计算射流风机出口推力与效率，基于响应面法，以推力最大、效率最高为原则，进行最优参数预测，预测结果为后导流器叶片数目为8、叶片宽度为355mm、叶片安装角为70°时效果最优。
步骤六，根据导叶参数的最优组合，建立后导流器三维模型，通过数值模拟方法对后导流器三维模型进行验证，结果显示，优化设计的射流风机推力为664N、效率为0.61，相比优化设计前射流风机推力提升10％、效率提高12％。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种射流风机后导流器的优化设计方法，其特征在于：
按照孤立翼型理论选择后导流器的导叶型式，并计算导叶参数的高效区间范围；
根据导叶参数的高效区间范围，建立多组带有后导流器的射流风机三维模型；
将带有后导流器的射流风机三维模型进行边界命名与计算域划分处理，然后导入前处理软件进行网格划分，并做网格无关性分析；
将网格文件导入FLUENT软件中，并引入RNG k-ε湍流模型进行模型封闭，设置各边界条件，对射流风机内流场特性进行三维稳态数值模拟；
将三维稳态数值模拟结果导入Results软件中，基于响应面法以射流风机出口推力最大、效率最高为原则进行最优参数预测，确定导叶参数的最优组合。
2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述导叶参数包括后导流器叶片数目、后导流器叶片宽度及后导流器叶片安装角。
3.根据权利要求2所述的优化设计方法，其特征在于，所述导叶参数高效区间范围确定，具体为：
后导流器叶片数目zsi：在叶轮数的1.5-3倍内，选取导流器叶片数目与叶轮数互质的所有整数；
后导流器叶片宽度
其中r为导叶半径，翼型升力系数Cy在最小阻升比μ范围内选择，空气动力负荷系数
式中c2u为叶轮出口气流旋绕速度，c3u为后导流器出口旋绕速度，且c3u＝n2c2u，n2为后导流器计算系数，cms为气流流经后导流器时的绝对平均速度，且
ca为气流流经叶轮时的轴向速度，且
其中Qv为风机体积流量，D为叶轮直径，d为轮毂比；
后导流器叶片安装角θs＝δms+is，其中is为气流冲角，δms为后导流器叶栅额线间的夹角，且
4.根据权利要求3所述的优化设计方法，其特征在于，所述后导流器计算系数n2的高效区间为0.05-0.25。
5.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，还包括：根据导叶参数的最优组合，建立后导流器三维模型，并通过数值模拟方法对后导流器三维模型进行验证。
6.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述计算域划分为进风域、旋转域和导流域。
7.根据权利要求3所述的优化设计方法，其特征在于，所述推力的计算公式为：
其中Qm为射流风机的质量流量，A为射流风机的机壳截面积，cm为气流平均速度。
8.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，所述带有后导流器的射流风机三维模型是在导叶参数的高效区间范围，基于响应面法进行导叶参数组合，在SOLIDWORKS软件中建立的。
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| CN115342068A (zh) * | 2022-08-04 | 2022-11-15 | 中国农业大学 | 一种提升农用通风机性能的方法 |
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Legal Events
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