基于平面叶栅设计方法的轴流式通风机叶片设计

Z S T U
Zhejiang Sci-Tech University
硕士学位论文
Master’s Thesis
中文论文题目:基于平面叶栅设计方法的轴流式通风机叶片设计英文论文题目:Blade Design of Axial-flow Fan Based on
Planar Cascade Design Method
学科专业：机械工程
作者姓名：王天垚
指导教师：窦华书教授
完成日期：2018年3月7日
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基于平面叶栅设计方法的轴流式通风机叶片设计
摘要
轴流式通风机在化工、船舶、建筑等领域中有着广泛的实际应用，但与此同时它也是能源的巨大消耗者，其内部气体流动复杂，且工作效率普遍有待提高，所以对轴流风机设计方法进行研究，提高其工作性能，对节约资源和改进能源配置有着十分重要的意义。

本文以低压轴流式通风机为研究对象，在原始风机几何模型和数值模拟计算结果数据的基础上，运用平面叶栅设计方法对轴流风机的动叶叶片进行设计，使风机的气动性能得到提升。

本文用平面叶栅设计方法确定风机动叶叶片不同高度的双圆弧中弧线，具体方法为在获得不同叶高处的进口气流角、出口几何角和弦长后，代入数据到确定中弧线的几何约束草图中，就能够获得唯一的一条双圆弧中弧线。

然后给中弧线一定厚度就能确定不同叶高截面形状，运用三维建模软件就能得到一个新的轴流风机模型。

接着运用CFD技术对轴流风机进行三维流场数值模拟计算，包括数值建模、网格划分及无关性验证、边界条件设置、数值计算、计算结果后处理等。

本文主要内容及成果分为以下四个方面：
（1）研究了设计气流落后角的选取对轴流式通风机气动性能的影响，结果表明：合适的设计气流落后角能明显改善气流流动情况，提高风机的全压效率和全压。

（2）研究了叶片双圆弧中弧线几何约束草图中两段圆弧位置的互换对轴流式通风机连续设计过程中气动性能的影响。

在研究过程中，发现本文所用平面叶栅设计方法能够在风机设计过程中连续使用，每次设计所用数据均为上一风机进口气流角、出口几何角和弦长数据，但在使用中弧线几何约束草图时，交换两段圆弧位置能产生两种不同的约束草图，记为方法1和方法2。

在对两种方法进行不同的搭配组合设计及数值模拟计算后，结果表明：方法2具有更好的设计效果，设计后风机的全压效率和全压在全流量下得到了提升。

（3）研究了使用方法2对轴流风机进行连续设计时风机气动性能的变化，结果表明：在一定设计次数范围内，风机全压随着设计次数的增加而增加，全压效率随着设计次数的增加基本不变。

（4）研究了不同叶高出口几何角分布对轴流风机气动性能的影响。

本文选取从叶根到叶顶6个不同高度截面的出口几何角为优化参数，结合正交试验方法对轴流风机叶轮进行设计。

结果表明：不同叶高处选择合适的出口几何角能提高风机气动性能。

关键词：轴流式通风机；叶片设计；平面叶栅设计方法；正交试验；数值模拟
Blade Design of Axial-flow Fan Based on Planar Cascade Design Method
Abstract
Axial-flow fan is widely used in chemical industry,ships,buildings and other fields,but at the same time it is also the large energy consumer.The internal gas flow is complicated and the efficiency generally needs to be improved.Therefore,it is necessary to study design methods which is of great significance to improve fan’s performance and energy allocation.
Based on the original fan geometric model and numerical simulation results,this dissertation uses the planar cascade design method to optimize the rotor blade of axial fan,so that the aerodynamic performance of the fan can be promoted.In this dissertation,if the data of the chord length,the blade outlet geometry angle and the inlet flow angle at different blade’s height are known,the double-arc camber lines of blade can be determined by the geometry constraint sketch.And a new axial-flow fan model can be obtained by using the3-D geometric software to determine the section shape of different height.Then,the three-dimensional flow field numerical simulation of axial-flow fan is carried out by using CFD technology,including numerical modeling,mesh generation and independence verification,boundary condition setting, numerical calculation,post-processing of calculation results and so on.
The main contents and results of this dissertation are divided into the following four aspects:
(1)The influence of design deviation angle on the aerodynamic performance of axial-flow fan is studied.The results show that the proper design deviation angle can improve the efficiency and total pressure of the fan,and obviously improve the airflow.
(2)The influence of the exchange of two arc positions at the geometry constraint sketch on the aerodynamic performance of axial-flow fan during continuous design is studied.In the process of the study,it is found that the fan can continue to be design by using the data of the last fan.And two geometry constraint sketches can be obtained by changing the position of two arc, denoted by method1and method2.Six optimized fan models are built by collocation and combination of two different methods in the process of designing fans,and the results show that the method2has a better optimization effect.What’s more,the efficiency and total pressure of
(3)The change of aerodynamic performance of axial-flow fans with continuous design of fans is studied.The results show that within a certain range of times,the total pressure of the fan increases with the increasing number of design,but the total pressure efficiency is basically unchanged with the increasing number of design.
(4)The influence of the different distribution of the outlet geometry angle on the aerodynamic performance of the axial flow fan is studied.In this dissertation,the outlet geometry angles of6different heights from hub to tip are chosen as design parameters to design the blade of axial flow fan impeller by orthogonal test method.The results show that the aerodynamic performance of the fan can be improved by selecting the appropriate outlet geometry angle at different height of the blade.
Keywords:Axial-flow fan;Blade design;Planar cascade design method;Orthogonal test method;Numerical simulation
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
目录....................................................................................................................................I V 第一章绪论 (1)
1.1研究背景和意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.2.1流体机械中气流落后角的研究现状 (2)
1.2.2流体机械叶片优化及设计的研究现状 (3)
1.2.3正交试验方法在流体机械设计中的应用及研究现状 (4)
1.3本文主要研究内容 (5)
第二章轴流风机的设计及数值计算方法 (7)
2.1轴流式通风机简介 (7)
2.2轴流风机的设计方法 (8)
2.3轴流风机的数值模拟 (9)
2.3.1计算模型及计算域的组成 (10)
2.3.2网格的划分及无关性验证 (10)
2.3.3计算方法和边界条件 (11)
2.4主要参数计算 (12)
2.4.1全压和全压系数的计算 (12)
2.4.2全压效率的计算 (12)
2.4.3流量系数的计算 (13)
2.5本章小结 (13)
第三章不同设计气流落后角对轴流式通风机性能的影响 (14)
3.1几何模型的建立 (14)
3.2数值模拟结果分析与讨论 (15)
3.2.1轴流式通风机气动性能对比分析 (15)
3.2.2叶片表面静压云图分析 (17)
3.2.3叶轮出口压力分析 (18)
3.2.5叶轮出口落后角分析 (20)
3.3本章小结 (21)
第四章两种双圆弧中弧线约束草图在轴流风机设计中的应用与对比 (22)
4.1几何模型的建立 (22)
4.2数值模拟结果分析与讨论 (23)
4.2.1轴流风机性能对比及分析 (23)
4.2.2不同叶高叶片表面静压分布的分析 (25)
4.2.3动叶出口速度和环量分析 (26)
4.2.4动叶出口湍动能分析 (27)
4.2.5沿流线方向压力分布的变化 (28)
4.2.6动叶出口增压分析 (29)
4.3本章小结 (29)
第五章连续设计方法在低压轴流式通风机设计中的应用 (30)
5.1几何模型的建立 (30)
5.2数值模拟结果分析与讨论 (31)
5.2.1轴流风机性能对比及分析 (31)
5.2.2不同叶高叶片表面静压分布的分析 (32)
5.2.3动叶出口速度分析 (33)
5.2.4动叶出口增压分析 (34)
5.2.5动叶出口湍动能分析 (35)
5.3本章小结 (35)
第六章基于正交试验方法和CFD对轴流风机叶轮叶片的设计 (37)
6.1正交试验方法 (37)
6.2正交试验结果分析 (39)
6.3数值模拟结果分析与讨论 (42)
6.3.1风机气动性能分析 (42)
6.3.2叶片表面流场流线分析 (43)
6.3.3叶片表面载荷及压力增量分析 (45)
6.3.4叶轮出口流动参数分析 (46)
6.4本章小结 (48)
第七章结论及展望 (49)
7.1结论 (49)
7.2展望 (50)
参考文献 (52)
攻读学位期间的研究成果 (56)
致谢 (58)
第一章绪论
1.1研究背景和意义
长期以来，我国的能源安全就存在诸多问题，具体表现在能源需求快速增加，能源使用效率低下，能源储备量不足，以煤炭等传统化石能源消费结构导致环境污染严重[1-2]。

虽然我国能源生产和消费上升趋势均比较明显，但二者之间的差额却越来越大，能源消费缺口日益严重，能源进口量增加幅度日益变大。

2013年我国能源消费缺口达35000万吨标准煤，是2000年的三倍，能源进口总量为66598万吨标准煤[3]。

因此，把我国建设成为一个资源节约型和环境友好型的国家十分迫切。

近年来，流体机械耗电量约占全国耗电量的50%，在流体机械中能源消耗量较大的是风机、水泵和压缩机。

其中，风机的耗电量约占全国发电量的10%左右，且目前我国电力依旧供不应求，特别是煤电占的比重达到近80%，产生了大量环境污染物和温室气体[4]。

目前我国流体机械产品性能与国际先进水平相比还有较大差距，流体机械的能源利用率远低于发达国家。

所以采取各种措施去加快流体机械的节能减排至关重要，提高其性能刻不容缓，能对我国的节能减排工作具有重大意义。

本文研究对象为流体机械中的轴流式通风机，它几乎占据了各种类型通风机的半壁江山，除了在矿山、冶金等风机应用传统行业外，经济建设的一些新领域，如地铁、隧道、高层的民用建筑等也表现出了对轴流风机的强烈需求。

目前，轴流风机的设计方法主要有两种，一种是利用孤立翼型进行空气动力试验得到的数据进行设计，称为孤立翼型法；另一种是利用平面叶栅的理论和叶栅的吹风试验所得到的数据进行设计，称为叶栅设计方法[5]。

气体经过叶栅时，翼型之间相互影响会产生干涉现象，而且扩压式叶栅自身具有扩压特性，这使得叶栅中的翼型与孤立的相同翼型的空气动力特性是不一样的，然而孤立翼型法却忽略了这种差别。

所以孤立翼型法只适用于翼型之间相互影响较小情况下，平面叶栅设计方法则适用范围较广[6]。

随着计算机科学、数值数学和图形显示技术的快速发展，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）以电子计算机作为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值试验、计算机模拟和分析研究，已经辅助解决了各类实际问题。

使用CFD数值模拟拥有成本低、周期快、计算结果完备及可视化、可模拟各种不同的工况、结果可靠性较好的优点，可以将单调复杂的数值求解结果形象直观准确的表示出来[7-8]。

而且通过数值模拟、数学优化算法等技术可较简便快速地设计出符合工况要求的风机[9-10]，所以运用CFD技术结合平
面叶栅设计方法研究低压轴流式通风机去提高风机的气动性能，并通过数值模拟计算结果分析气体在流道中的流动情况具有重要的意义[11]。

本文以浙江某风机公司低压轴流式通风机为研究对象，通过改变平面叶栅设计方法中的设计变量，使用三维建模软件建立风机模型，并对模型进行全三维数值模拟计算，分析其气动性能和气体流动情况。

文中的轴流风机设计方法和计算结果分析为轴流式通风机性能的提高和内部流动分析提供了可靠、有价值的参考。

1.2国内外研究现状
1.2.1流体机械中气流落后角的研究现状
对于气流落后角，国内外学者利用试验和数值模拟方法对其进行了许多研究。

Templalexis等[12]提出了一种新型流线曲率方法(SLC)：该方法可准确地预估压气机的能量损失和落后角的大小，预测压气机内结构变化对其性能的影响，并能对压气机的设计提供指导。

Pachidis等[13]也进行了相类似的研究。

Okiishi等[14]先对二维平面静止叶栅的损失和落后角进行了预测研究，后拓展至轴流泵中的三维叶栅，并对其进行了相应的试验验证。

Boyer[15]考虑到压气机内的三维流动、子午速度比和攻角的偏离量对落后角造成的影响，提出了修正后的落后角模型。

Koenig等[16]分别在亚音速和超音速的进气条件下对轴流压气机的损失和落后角进行了预测研究，并在此基础上实现了不同进气条件下损失和落后角曲线的连续，使全流速下损失和落后角的预测成为了可能。

Park和Chung[17]提出了一种能准确预测轴流涡轮机中落后角与二次流损失的模型。

Cetin等[18]对亚音速压气机的落后角和损失分别进行了预估，结果表明落后角的预估更为精确，且在非设计工况下吻合情况更好。

并考虑到压气机内气体的三维亚音速流动，对Carter的落后角公式进行了修正，二级压气机上的试验验证了其准确性。

Roberts，Serovy和Sandercock[19]对于中间级的转子和静子，提出了三维流动对叶片展向落后角变化的模型。

发现静子展向落后角的变化受壁面附面层厚度、弯度、稠度和叶片展弦比的影响，而转子的变化取决于壁面附面层的厚度和叶尖的相对间隙。

如果知道或能够求解出这些参数，能对压气机中间级落后角的展向变化提供很好的近似。

王掩刚等[20]建立了一种可用于全转速范围内多级轴流压气机的损失和落后角计算模型，采用流线曲率法实现对多级轴流压气机的特性预估。

他们还对已有试验数据的某型两级轴流压气机进行数值模拟，通过计算特性和试验特性对比，验证了该损失和落后角模型在压气机特性预估的有效性。

胡江峰等[21]采用流线曲率法数学模型，结合亚声速轴流压气机的内部流场特征，拓展了一种非设计点特性计算方法，该方法考虑了非设计点工况
下影响落后角的诸多因素。

对比计算结果与试验值可知在设计点时，气流落后角与设计值变化趋势一致，且在非设计点时动叶落后角的计算值与试验值吻合较好，能为压气机的设计和优化提供参考。

1.2.2流体机械叶片优化及设计的研究现状
轴流风机的传统设计是采用准三维的设计方法和工程试验相结合的方法，对设计者的设计经验有很高的要求，而且还要进行大量的试验验证，再根据试验结果对结构进行改进设计，最终找出可行方案。

因此在传统设计的基础上，对轴流风机进行设计及优化，进一步提高其性能成为目前亟须解决的问题。

Lee等[22]通过反设计代码方法设计用于冷却冷凝器的轴流风扇，利用实验设计和理论分析得到设计优化的主要变量。

该文章对CFD计算结果进行了分析，并把压力和效率的提升作为性能优化的主要参数，利用响应面法得到了最优性能风机。

按最优性能风机的设计参数对风机进行了制造，使用基于美国空气运动和控制协会标准的风扇性能测试器验证其性能。

Kim等[23-24]设计出了一种结合响应面法的混合多目标进化算法，利用其进行轴流式通风机的设计优化。

在风机设计优化过程中，该算法使用了两次以理解耦合不同变量的影响。

第一次使用时的三个变量分别为叶根处、叶中和叶顶的安装角，第二次使用的五个变量分别为轮毂比、轮毂盖的安装距离、轮毂盖的比率、叶中安装角和叶顶安装角，选择全压和效率两个参数作为优化目标，最终得到了较好的优化效果。

Lee等[25]提出一种针对低速轴流风机的多项式响应面法近似模型的数值优化程序。

通过叶片截面的形状去提升叶片效率，并建立了一个目标函数，具体变量为叶片斜度、最大厚度及最大厚度位置。

并且在设计工况下利用实验方法测得目标函数值，利用搜索算法从构建的响应面模型中找出最优设计目标函数。

Ahn和Kim[26]选择了三个设计变量来优化跨音速压缩机转子叶片的型线，并使用线性规划方法对响应面进行优化，使压缩机的绝热效率得到了提升。

Lee和Kim[27]结合三维薄层N-S求解器和数值优化技术在轴流压缩机中找到最佳定子叶片形状。

计算过程中控制方程使用显式有限差分方法离散化，通过龙格库塔方案求解，选择Baldwin-Lomax 湍流模型，数值优化采用最陡下降和共轭方向的方法，最终使压缩机的效率得到了提升。

Lanzafame和Messina[28]基于叶片元素动量理论改进了流体动力学风力涡轮机设计的数学模型，并且把数学模型与实验数据进行了对比，对比结果显示在全工况范围内，计算结果与实验数据具有一致性。

Sørensen[29]为使用数值设计优化方法来降低轴流风机转子的尾缘噪声，选取轮毂半径、叶片数目、转子转速、弦长、安装角和叶片弯曲角作为设计变量。

研究发现风机效率下降一些能使尾缘处产生明显的降噪效果且存在一个轮毂半径，能使尾缘处噪声最小。

Jang和Kim[30]描述了单级跨音速轴流压缩机中定子叶片的形状优化。

叶片优化采用响应面法和三维N-S分析法进行，并且将薄层近似引入到N-S方程中。

Zhou和Zhou[31]提出一种用于优化风扇运行性能的计算模型，且能用于分析风扇内气流的能量传递。

Benini[32]开发了一种适用于NASA转子37的跨音速压缩机多目标设计优化方法。

多目标进化算法处理问题时充分利用了帕累托最优化概念和一种新型遗传多样性评估方法。

Hicks和Henne[33]结合全潜力、无粘性气动代码与共轭梯度优化算法去评估通过数值优化进行机翼设计的可行性。

Wu等[34]建议控制速度分布以优化离行式叶轮的叶片截面形状。

该方法基于离心式叶轮的内部流动计算和相对速度分布有关。

1.2.3正交试验方法在流体机械设计中的应用及研究现状
很多学者对正交试验方法进行了分析，并结合叶轮机械设计过程中的变量进行了研究。

刘瑞江等[35]介绍了正交试验设计和分析的重要性，对正交试验的原理和特点进行了说明，对正交试验设计的各种方法和正交试验数据分析方法进行了详细分析。

并指出使用该方法时需要注意的问题和发展的方向。

何立博等[36]结合正交优化表，利用计算流体力学方法对吸油烟机中离心风机叶轮的关键参数进行优化。

该研究的优化目标为全压，通过数值模拟计算和对结果的极差法分析得出了相对最优设计。

并加工出优化前后的实物叶轮，测试结果表明优化后风机性能达到优化目标，同时验证了仿真结果的可靠性。

黄典贵和张媛媛[37]对NACA63系列翼型运用了一定的成型方法，设计出完全对称的S型叶片。

以此为基础结合正交试验方法，对S型叶片的叶型安装角沿径向的分布规律进行了正交试验设计，取得了较好的优化结果。

燕浩等[38]针对28CJ-70型立式轴流泵内部空化的问题，对四个影响轴流泵空化特性的主要因素建立正交优化表，并按其试验方案进行数值模拟，得出了较好的优化结果。

庞海英等[39]在推导叶轮摩擦损失的数学模型后，对几个结构参数采用正交试验方法，分析了各个因素影响叶轮摩擦损失的重要性，并找出了其中的关键结构参数：叶轮出口宽径比、叶片出口角、叶片数等。

王洪亮等[40]利用正交试验方案设计18个带有不同叶轮的两级深井泵，通过CFD技术对其全流场进行数值模拟。

通过极差分析获得了影响泵效率和扬程性能的主要因素和次要要素，结合优选结果及样机试验验证提出进一步优化设计方案。

陈建江等[41]通过让设计者准确考虑和控制设计变量和设计参数变化的影响及能限制或减小偏差对目标函数或约束条件的影响，提出了一种准确、实用的稳健优化方法。

该方法较一般优化方法，其优化后滑履的性能得到较大改善。

邢树兵等[42]为了研究叶轮、
导叶、喇叭管对轴流泵性能的影响，对轴流泵进行正交试验法优化。

通过对各个方案数据进行极差分析，得到了三个因素影响性能的主次顺序，并得到了较好的优化结果。

高建强等[43]采用正交试验方法，分析了空冷机组耗电的主要因素，得到环境温度、背压、负荷等因素对空冷风机电耗的影响规律。

王伟等[44]以悬臂式多级离心泵的叶片出口宽度、叶轮出口直径、叶片数和叶片出口角为因素，结合正交试验和数值计算对叶轮进行优化。

利用极差分析得到优化模型，使泵的水利性能得到了提升。

张波和吕玉坤[45]在离心风机蜗壳型线优化的基础上，对蜗壳宽度、蜗舌间隙和叶轮轴向相对位置三因素进行正交试验方法。

利用数值模拟软件对试验方案的风机内部流场进行数值模拟和对比分析。

计算结果表明优化后的风机模型具有较高的全压和效率。

黄健勇等[46]利用J-Groove流动控制手段和正交试验设计方法对泵装置进水流道进行结构改进，根据数值结果再设计分析确定了最优方案，改善了小流量工况下大型斜式轴流泵装置的水利性能。

1.3本文主要研究内容
本文以低压轴流式通风机为研究对象，在原始风机几何模型和数值模拟计算结果数据的基础上，运用平面叶栅设计方法[47]对轴流风机的动叶叶片进行设计，使风机的气动性能得到提升。

本文用平面叶栅设计方法确定风机动叶叶片不同高度的双圆弧中弧线，具体方法为在获得不同叶高处的进口气流角、出口几何角和弦长后，代入数据到确定中弧线的几何约束草图中，就能够获得唯一的一条双圆弧中弧线。

然后给中弧线一定厚度就能确定不同叶高截面形状，运用三维建模软件就能得到一个新的轴流风机模型。

接着运用CFD技术对轴流风机进行三维流场数值模拟计算，包括数值建模、网格划分及无关性验证、边界条件设置、计算结果后处理等。

本文主要内容及成果分为以下四个方面：
（1）研究了设计气流落后角的选取对轴流式通风机气动性能的影响，按上述平面叶栅设计方法分别建立设计气流落后角为12°、14°和16°的三个风机模型，对此三模型在全流量工况下进行数值模拟计算，分析其随着设计气流落后角的增大风机气动性能及其流道内气体流动状况的变化。

（2）研究了叶片双圆弧中弧线几何约束草图中两段圆弧位置的互换对轴流式通风机连续设计过程中气动性能的影响。

在研究过程中，发现本文所用平面叶栅设计方法能够在风机设计过程中连续使用，每次设计所用数据均为上一风机进口气流角、出口几何角和弦长数据，但在使用中弧线几何约束草图时，交换两段圆弧位置能产生两种不同的约束草图，。