内燃机车通风风机内部流动分析及改型

VIP免费
3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 16.49MB 57 页 15积分
侵权投诉
目录
目录 ...................................................................................................................................1
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 引言 ..................................................................................................................1
§1.2 国内外研究现状 ..............................................................................................2
§1.3 本文的主要研究工作 ......................................................................................3
第二章 Fluent 程序简介及其使用 ................................................................................ 5
§2.1 Fluent 程序简介及评论 .................................................................................. 5
§2.2 湍流模型 ..........................................................................................................9
§2.3 离散格式 ..........................................................................................................9
§2.4 计算网格 ........................................................................................................10
§2.5 边界条件 ........................................................................................................11
第三章 原型机机车装机实验 .......................................................................................12
§3.1 机车装机实验测量布置 ................................................................................12
§3.2 实验测量结果分析 ........................................................................................13
第四章 原型机流场分析 ...............................................................................................17
§4.1 进气管道 ........................................................................................................17
§4.2 轮毂 ................................................................................................................19
§4.3 平头螺帽 ........................................................................................................20
§4.4 叶片通道 ........................................................................................................21
§4.4.1 第一截面 ..........................................................................................22
§4.4.2 第二截面 ..........................................................................................23
§4.4.3 第三截面 ..........................................................................................24
§4.4.4 第四截面 ..........................................................................................25
§4.4.5 第五截面 ..........................................................................................26
§4.5 冲角和径向速度 ............................................................................................27
§4.6 特性曲线 ........................................................................................................28
§4.7 总结 ................................................................................................................30
第五章 风机改型 ...........................................................................................................31
§5.1 改型比较 ........................................................................................................31
§5.2 改I ................................................................................................................. 32
§5.2.1 进气管道 .........................................................................................32
§5.2.2 轮毂 .................................................................................................33
§5.2.3 冲角和径向速度 .............................................................................33
§5.2.4 改 I 总结 .........................................................................................34
§5.3 改II ................................................................................................................34
§5.3.1 进气管道 .........................................................................................34
§5.3.2 轮毂 .................................................................................................36
§5.3.3 叶片通道 .........................................................................................36
§5.3.4 冲角和径向速度 .............................................................................40
§5.3.5 特性曲线 .........................................................................................41
§5.3.6 改 II 总结 .......................................................................................41
第六章 调整安装角 .......................................................................................................42
§6.1 概述 ................................................................................................................42
§6.2 减小 5度........................................................................................................42
§6.3 减小 10 度......................................................................................................42
§6.4 比较 ................................................................................................................43
§6.5 进气部分 ........................................................................................................43
§6.6 叶片通道 ........................................................................................................44
§6.6.1 第一截面 .........................................................................................44
§6.6.2 第二截面 ..........................................................................................45
§6.6.3 第三截面 ..........................................................................................46
§6.6.4 第四截面 ..........................................................................................47
§6.6.5 第五截面 ..........................................................................................48
§6.7 特性曲线 ........................................................................................................49
§6.8 总结 ................................................................................................................50
第七章 总结及展望 .......................................................................................................51
参考文献 .........................................................................................................................52
附录 .................................................................................................................................55
致谢 .................................................................................................................................56
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
风机是将机械能转化为被输送气体压力能和动能的流体机械，按气体流动的
方向，风机可分为离心式、轴流式、斜流式和横流式等类型。一般来讲，离心式
风机适用于小流量、高压力的场所[1]，而多翼离心风机是一种结构特殊的离心式风
机，虽然它与一般的离心式风机相比效率较低，但由于其压力系数高、流量系数
大，而且具有独特的优势：结构紧凑、运转噪音低，故非常适应内燃机车对通风
机总体布置和性能方面的要求，因此国内外的机车广泛采用离心式通风机用于设
备的冷却通风。
多翼离心风机的压升虽然较大，但其效率较低，通常在 60%到65%之间[2]，本
文研究的风机为 DF8CJ 机车电机冷却用风机，在实际使用中，风机功率过高，消
耗电力较大，对机车整体的效率造成较大的影响，因此需要对其进行改型，以降
低能量消耗，提高机车效率。
叶轮机械中，能量的损失是由分离导致的，分离则必然会产生旋涡，因此，
旋涡是消耗能量的原因，要降低能量消耗、提高效率，则必须要研究叶轮机械的
内部流场，找出因分离而产生旋涡，分析其产生的原因，进而进行改型，提出具
体的改进方案，减小或消除旋涡。
过去，研究风机的内部流场主要采用试验手段。一直以来，试验研究都是用
分析流动现象、研究流动机理、探讨并获得流动新概念的主要研究手段。借助于
现代测试技术的发展，人们对风机的内部流动机理已经有了较为深刻的认识。但
是，随着研究的不断深化和问题本身的复杂化，试验研究方法受到了很大的限制。
而且，试验研究的成本相当高，需要制作复杂而且庞大的试验装置，为了获得稳
定而且可靠的结果，不得不进行大量试验，依靠各种先进手段测试试验参数，为
此需要花费大量的人力、物力以及财力，并且研制周期长，甚至有些复杂的物理
现象仅仅通过试验装置根本无法模拟[3]。
近年来随着计算机技术的飞速发展，计算流体动力学(Computational Fluid
Dynamics，CFD)的应用日渐广泛，对 CFD 方法的研究不断深入，其准确性、可靠
性以及计算效率都有了很大的提高。到目前为止，出现了很多高效率、高精度的
算法，且一些专用于求解流动与传热问题的大型商用软件也相继问世，如：
内燃机车通风风机内部流动分析及改型
2
PHOENICS、Fluent、STAR-CD、CFX、NUMECA、FIDAP 等等。由于图形系统
的出现和不断的完善，数值模拟的仿真性不断提高，采用准确而可靠的模型进行
数值模拟，不仅可以获得大量的内部流场信息，看到流场的各种细节，形象地再
现流动情景，为流体机械的设计和改进提供依据。而且，还便于优化设计，通过
改变几何参数或气动参数，可以方便的多次进行虚拟实验，从而获得流体机械的
较好性能，进而可以缩短产品开发周期、降低开发成本[3-7]。然而，数值模拟方法
仍然有较大的局限性，计算精度受到网格、湍流模型、非线性现象等因素的影响。
因此，数值模拟不可能完全取代传统的试验方法。我们需要将试验和模拟结合起
来，用模拟来辅助设计，用试验对模拟进行校正、改进。
本文所使用的 Fluent 软件是目前国际较为流行的商用 CFD 软件包。它具有丰
富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设
计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上
的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、
管道流动等等。
§1.2 国内外研究现状
1862 年，英国的圭贝尔发明离心通风机，当时其效率仅为 40％左右，主要用
于矿山通风。经过不断的发展和研究，离心通风机的结构设计日趋成熟，效率也
提高到了一个很高的水平。现在，通风机被广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、
车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气
调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫
船的充气和推进等。随着科学技术的不断发展，人们对风机使用的要求也愈来愈
高，就目前国外风机技术发展趋势而言，将朝着风机容量不断增大、高效化、高
速小型化和低噪音方向发展。
早期研究人们总是假设叶轮出口处流动是定常的、对称的。文献[8][9]的试验
表明，叶轮出口的速度是不均匀的，风机内部的流动是非定常的、非对称的。
1957 年，文献[10]中对低转速的离心叶轮机械内部流场进行了试验研究，给出
了定量的试验结果，1960 年，文献[11]根据上述的试验结果提出了“射流-尾迹”
模型理论。后来，文献[12]在试验中证明了这个理论，并证明了二次流模型的主要
观点[13]。
1980 年，在文献[14]中，进行了叶轮机械内部 5个截面上三维速度分布的测量，
并分析了叶轮中二次流形成的原因。这个试验后来成为多个叶轮机械仿真程序的
第一章 绪论
3
验证算例。
在文献[15]、[16]中，分别进行了混流闭式叶轮、半开式低速叶轮内部流动的
测量，同样也观察到了明显的二次流。
1988 年，文献[17][18]使用当时已广泛应用的激光测量系统对一高亚音速风机
进行了试验测量，并在此基础上，对该叶轮进行了三维粘性流场分析，并和试验
结果进行分析，该文献在叶轮内部流动模拟上有很大的参考价值[19-24]。
1993 年，文献[25]对NASA 的一低速离心风机进行了研究，并利用 Dawes
（1988）求解平均雷诺应力 N-S 方程的程序对该叶轮进行了数值模拟，将模拟结
果与试验结果进行了对比。
在国内，某些单位也在进行类似的工作，并取得了可喜的成绩，如 2002 年，
文献[26]使用商业 CFD 软件就带分流叶片的离心压缩机进行了数值模拟，分析了
叶轮左右两个通道内的流动情况，并通过对比 2个通道内速度、冲角等分布分析
了叶片对整体性能的影响。
随着科学技术的不断发展，人们对风机使用的要求也越来越高，就目前国外
风机技术发展趋势而言，将沿着风机容量不断增大、高效化、高速小型化和低噪
音的方向发展。
大型风机容量继续增大。各种工业装置规模的日益大型化，客观上需要各类
风机的容量也随之不断增加，大机号的风机在未来几年在市场中将会受到欢迎。
高效化。为提高效率，三元流动叶轮已在通风机中得到越来越广泛的应用。
其他的如斜流风机等特殊用途的风机发展将会更有市场。
高速小型化。各类风机采用三元流动叶轮后，在提高效率的同时，压力也可
提高。所以在同等条件下，叶轮外径可减少 10％～30％，这样就取得缩小体积和
减轻重量的双重效果。提高转速也是风机小型化的重要途径之一。
低噪声化。风机的噪声是工业生产中噪声污染源最主要来源之一。风机大型
化和高速化更使得噪声问题十分突出。对低频噪声，风机主要通过改进风机结构
设计，降低本体噪声，若达不到要求，可采取加装消声器等措施。
综上所述，这些技术既是国外风机未来发展趋势，也是国内风机行业在技术
方面的努力方向。
§1.3 本文的主要研究工作
本文以 DF8CJ 机车电机散热风机为对象，利用机车实验和商业 CFD 软件
Fluent 分析了风机的流场和内部的流动特性，主要工作如下：
内燃机车通风风机内部流动分析及改型
4
1. 比较了多个湍流模型和离散格式的模拟结果，确定了适用于本风机的湍流
模型和求解方法。
2. 计算的前处理。根据设计图纸建立风机的实体模型，选定计算域并划分了
网格。
3. 计算及后处理。根据风机的运行参数设定了合理的边界条件，采用合适的
物理模型进行计算。将计算结果进行图形化处理，以更加直观的方式反映了风机
内部的流动特性。
4. 对计算结果进行详细地分析和讨论，得出相应的结论，并与试验测试结果
进行了比较。
5. 制定了数个改型方案，并比较了不同改型方案对风机内部流场和效率的影
响，选择出最佳的方案。
6. 在选择出改型方案的基础上，进一步调整了叶片的安装角，使风机的效率
进一步提高。
摘要：

目录目录...................................................................................................................................1第一章绪论.....................................................................................................................1§1.1引言......................................

展开>> 收起<<
内燃机车通风风机内部流动分析及改型.pdf

共57页,预览6页

还剩页未读， 继续阅读

相关推荐

更多
立即下载
作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：57 页 大小：16.49MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

开通VIP享超值会员特权

  • 多端同步记录
  • 高速下载文档
  • 免费文档工具
  • 分享文档赚钱
  • 每日登录抽奖
  • 优质衍生服务

作者详情

相关内容

更多

推荐作者

热门标签

/ 57
评分 收藏
分享
立即下载 VIP免费下载
客服
关注