（流体机械及工程专业论文）轴流风机实验台设计及风机内部流动的数值研究.pdf

华北电力大学硕士论文 摘要 本文首先综述了一台带前后导叶的轴流风机及风机实验台的设计方法及过 程，然后采用n u m e c a 的f i n e t u r b o 软件对所设计的风机叶轮流场进行了数值模 拟，并通过改变前导叶进气角、流量和转速等，获得该风机性能的预测。计算结果 与设计数据良好一致，表明其设计达到预期要求。在此基础上，对风机内部的三维 流场进行了分析，设计工况下风机内部流动稳定，调节进口气流角可以有效的提高风 机的经济性。另外，对数值结果的分析为风洞实验时测试点的布置提供了良好的依据。 此外，还介绍了作者所参与的平面叶栅实验台搭建的过程，并对一套涡轮叶栅进行 了初步的吹风实验，获得了叶片表面中叶展处的静压分布，与数值模拟结果的良好一致 表明该实验台和测试系统满足预期的设计要求。 关键词：轴流风机，设计，性能预测，c f d t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e s i g nm e t h o da n dp r o c e s so ft h ea x i a lf a nw h i c h h a sb o t ha ni n l e tv a n ea n da ne x i tg u i d ev a n e ，a n daf a nt e s t - r i ga sw e l l ，t h e nu s i n g t h ef i n e t u r b os o f t w a r ef r o mn u m e c ac o m p a n y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h e f a ni m p e l l e rh a sb e e nm a d ef i r s t l y t h r o u g hc h a n g i n gt h er o t a t es p e e d ，f l u x ，a n dt h e i n l e ta n g l e ，p r e d i c t i o n so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea x i a lf a n i nt h em e a n w h i l e ，b a s e d o nt h ec o m p u t a t i o nr e s u l t sa r es i m i l a rt ot h ed e s i g nd a t a ，t h e a n a l y s i so f t h e t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wo fi n n e ra x i a lf a nh a sb e e nm a d e t h ea x i a lf a nw i t ht h es t a b l e i n n e r - f l o wf u l f i l l e dt h e d e s i g nr e q u e s t a c c o r d i n gt o t h ef l o w a n a l y s i s ，a n a d j u s t a b l ei n l e ta n g l ec o u l dd r a m a t i c a l l yi m p r o v et h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ft h e a x i a lf a n i na d d i t i o n ，t h ea n a l y s i so ft h ec o m p u t a t i o nr e s u l t sp r o v i d eag o o d r e f e r e n c et ot h ed i s p o s a lo fw i n dt u n n e le x p e r i m e n tt e s t i n gp o i n t f u r t h e r m o r e ，i n t r o d u c et h ep r o c e s so ft h ec o n s t r u c t i o no ft h ep l a n ec a s c a d e t e s t r i g ；g e tt h es t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nt h eb l a d em i d d l es p a no fat u r b i n e c a s c a d et h r o u g ht h ep r i m a r yw i n dt u n n e l t e s t s ，t h eg o o da c c o r d a n c e w i t ht h e n u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t e st h et e s t - b e da n dt h et e s ts y s t e mf u l f i l l e dt h er e q u e s to f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：a x i a lf a n ，d e s i g n ，p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ，c f d s o n gl e i ( f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f k a n gs h u n 华北电力大学硕士论文 摘要 本文首先综述了一台带前后导叶的轴流风机及风机实验台的设计方法及过 程，然后采用n u m e c a 的f i n e t u r b o 软件对所设计的风机叶轮流场进行了数值模 拟，并通过改变前导叶进气角、流量和转速等，获得该风机性能的预测。计算结果 与设计数据良好一致，表明其设计达到预期要求。在此基础上，对风机内部的三维 流场进行了分析，设计工况下风机内部流动稳定，调节进口气流角可以有效的提高风 机的经济性。另外，对数值结果的分析为风洞实验时测试点的布置提供了良好的依据。 此外，还介绍了作者所参与的平面叶栅实验台搭建的过程，并对一套涡轮叶栅进行 了初步的吹风实验，获得了叶片表面中叶展处的静压分布，与数值模拟结果的良好一致 表明该实验台和测试系统满足预期的设计要求。 关键词：轴流风机，设计，性能预测，c f d t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e s i g nm e t h o da n dp r o c e s so ft h ea x i a lf a nw h i c h h a sb o t ha ni n l e tv a n ea n da ne x i tg u i d ev a n e ，a n daf a nt e s t - r i ga sw e l l ，t h e nu s i n g t h ef i n e t u r b os o f t w a r ef r o mn u m e c ac o m p a n y ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h e f a ni m p e l l e rh a sb e e nm a d ef i r s t l y t h r o u g hc h a n g i n gt h er o t a t es p e e d ，f l u x ，a n dt h e i n l e ta n g l e ，p r e d i c t i o n so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea x i a lf a n i nt h em e a n w h i l e ，b a s e d o nt h ec o m p u t a t i o nr e s u l t sa r es i m i l a rt ot h ed e s i g nd a t a ，t h ea n a l y s i so ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wo fi n n e ra x i a lf a nh a sb e e nm a d e t h ea x i a lf a nw i t ht h es t a b l e i n n e r f l o wf u l f i l l e dt h e d e s i g nr e q u e s t a c c o r d i n g t ot h ef l o w a n a l y s i s ，a n a d j u s t a b l ei n l e ta n g l ec o u l dd r a m a t i c a l l yi m p r o v et h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yo ft h e a x i a lf a n i na d d i t i o n ，t h ea n a l y s i so ft h ec o m p u t a t i o nr e s u l t sp r o v i d eag o o d r e f e r e n c et ot h ed i s p o s a lo fw i n dt u n n e le x p e r i m e n tt e s t i n gp o i n t f u r t h e r m o r e ，i n t r o d u c et h ep r o c e s so ft h ec o n s t r u c t i o no ft h ep l a n ec a s c a d e t e s t r i g ；g e tt h es t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nt h eb l a d em i d d l es p a no fat u r b i n e c a s c a d et h r o u g ht h ep r i m a r yw i n dt u n n e lt e s t s , t h eg o o da c c o r d a n c ew i t ht h e n u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t e st h et e s t b e da n dt h et e s ts y s t e mf u l f i l l e dt h er e q u e s to f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：a x i a lf a n ，d e s i g n ，p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ，c f d s o n gl e i ( f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f k a n gs h u n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文轴流风机实验台设计及风机内部流动 的数值研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：室盈日期：蟹墨：! ：哆 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 华北电力大学硕士论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 在当今社会的发展中，能源问题己经成为制约世界各国经济和社会发展的长期 的、重大的瓶颈，国际竞争逐年加剧，能源问题日益突出。因此，能源的有效利用 及可持续发展是备受世界各国重视的关键问题。 叶轮机械是以连续流动的流体为工质，以叶片为主要工作零件，通过工质与工 作零件的相互作用实现机械功与流体能量有效转换的机械的通称，主要包括工作机 械如泵、压缩机和风机等，以及动力机械如蒸汽轮机、水轮机和燃气轮机等，广泛 地应用于航空、航天、能源、动力、交通及化工等部门。随着科学技术的进步和经 济的发展，许多领域对安全、经济、高效的流体机械的需求越来越迫切。叶轮机械 内部流动是粘性、非定常的三维运动，经常发生的流动现象有分离流动、旋转失速、 叶项泄漏流动、叶片排间的相互干扰等。内部流动不可避免地出现二次流动，这些 二次流动以各种涡系形式存在，目前已经确定的涡系结构有：通道涡、层涡、泄漏 涡、角涡和刮壁涡等。上述这些流动现象，无论是对叶轮机械的气动性能还是安全 性，都有很大的影响。认识叶轮机械内部真实流动的本质，搞清这些流动现象发生、 发展的规律，对于缩短叶轮机械设计周期、降低设计风险、改善叶轮机械气动性能 及探索叶轮机械气动设计的新方法都具有重要的意义。 风机是以输送气体( 不是提高气体压力) 为目的的叶轮机械，广泛应用于建筑、 矿山、冶金、交通、石油化工和农业等行业。尽管每台风机的功率较小，但由于风 机在国民经济中的应用范围极广，每年消耗的能源占世界总发电量的1 0 以上i l j 。 在火力发电厂中，轴流风机以其大流量、低压头的特点在现代大容量机组中已经 逐渐代替离心风机成为锅炉的送、引风机。对轴流风机而言，特别是在非设计工 况下，扩大风机工作区域即缩小或消除非稳定特性区对风机的实际工作更为重要。 因此，提高轴流风机研究和设计水平，对国民经济发展、节约能源和环境保护 有着重要的意义。 1 2 叶轮机械研究方法综述 从研究方法上讨论，叶轮机械内流研究主要集中在试验研究、数值模拟和理论 分析三个方面。三种方法取长补短，相互促进，彼此影响，从而使叶轮机械的研究 得到飞速的发展【2 ，3 1 。 华北电力大学硕士论文 1 2 1 试验研究 提高叶轮机械性能的关键是要深刻认识其内部流动现象、流动结构和能耗机 理，试验研究是探索叶轮机械内部流动规律的主要方法。叶轮机械的气动性能试验 研究，大体分为两种：一种是静态试验，主要为平面叶栅和环形叶栅试验；另一种 是动态试验，包括单级、多级和整机试验p j 。 平面叶栅作为叶轮机械三维流动特性分析的最简化模型，在整个叶轮机械的研 究中，特别是在研究叶栅二次流旋涡结构及其相关流动问题方面，具有重要的意义。 目前，平面叶栅试验研究的重点为叶栅内部及下游流场的定性和定量研究，主要包 括：叶栅前缘涡的流动结构特性及损失机理，随着冲角和叶片形状的变化，前缘 涡( 包括马蹄涡) 结构、强度、尺度及损失的变化。叶栅内部及其下游三维时均 流场的详细测量及损失机理分析【4 1 。不同流动参数( 如进口附面层、攻角、湍流 度、雷诺数、马赫数等) 和叶栅几何参数对叶栅二次流发展的影响【5 】。叶栅内部 及下游流动的湍流特性分析。这些研究工作加深了人们对叶栅中各种旋涡及其分离 流的认识，同时也对叶栅内部损失产生和发展的认识以及对三维粘性流动计算方法 的发展起到了非常积极的推动作用。环形叶栅与平面叶栅的主要区别是环形叶栅通 道内存在径向压力梯度和径向二次流动。此外，环形叶栅还可考虑真实叶栅进口附 面层的扭曲和旋转等，但是由于其试验必须沿周向和径向都做详细的测量，需在栅 后考虑特殊的坐标架，使其试验布置比较复杂，在实际中应用范围没有平面叶栅广。 由于动态试验研究及设备费用昂贵，且非定常气流的测试难度较大。因而这方 面的工作是2 0 世纪8 0 年代之后，随着高频数据采集技术、大批量数据存储技术的发 展逐步开展起来。叶轮机械的发展与测量技术的进步息息相关，先进的叶轮机械需 要更高的测试手段，而测试技术的进步又推动了叶轮机械的发展。通风机和透平压 缩机在气体动力学方面的发展，很大程度上取决于对其内部流动参数测量的水平和 对实际流动现象的观察了解。 现在由于光学技术和计算机的发展促进了叶轮机械内部流动测试技术的进步。 尤其是计算机为大量测试数据提供了采集、储存、处理及显示的自动系统。激光测 速仪主要包括激光多普勒测速仪( l d v ) 和双焦距激光测速仪( l 2 f v ) 。l d v 技 术于1 9 6 4 年由y e h 和c u m m i n s 提出，w i s l e r 和m o s s y 首先于1 9 7 3 年将l d v 应用于叶 轮机械内流研究，西安交通大学首次在国内用l d v 技术对离心风机叶轮内流场进行 了测量；l 2 f v 技术1 妇t h o n p s o n 于1 9 6 8 年给出其原理，r s c h o d l 在1 9 7 4 年发表了用双 焦点激光风速仪( l 2 f v ) 测量透平机械内部流动的结果。之后，激光测速仪已广泛 用于风机内部流动的测量【引。文献【7 】采用三维l d v 对前掠轴流风机的三种运行工况 出口流场进行了详细测量，并分析了与泄漏流、泄漏涡、轮毂涡和尾流等有关的不 同现象。 2 华北电力大学硕士论文 近年来，可视化测量技术p i v ( 粒子图像测速技术，p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 成为一种强有力的测量技术，其原理是在流体中放入显影物质，用全息激光技术及 高速摄影机将流动过程拍摄出来，在叶轮机械内流研究中越来越受到重视。目前二 维p i v 技术已基本成熟，三维p i v 技术的研究和应用正在迅速发展。p i v 技术突破了 单点测量的限制，既能可视化又能定量测量。用p i v 技术对叶轮机械内部流动进行 研究始于2 0 世纪8 0 年代和0 年代初，但由于轴流叶轮机械的复杂性，直到最近几年 国外才开始将外流中已广泛应用的二维p i v 技术，成功应用于轴流叶轮机械。竺晓 程等人 8 将粒子图像测速技术应用到低速轴流通风机实验台上，在设计工况下对 轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了试验测量，并同粒子多普勒测速仪 ( p d a ) 时均测量结果进行比较，认为p i v 可以得到与p d a 相近的测量精度。孙卫亮 在他的硕士论文中应用二维p i v 测量技术完成了直、弯扩压叶栅瞬态流场测量，得 到了不同流面内速度场和涡量场的分布【9 1 。刘宝杰等人【1 0 l 在低速大尺寸压气机实验 台上借助s p i v 测量技术对压气机转子内尖区三维流场进行了详细测量，并基于三维 瞬态场测量结果，论述了压气机转子叶尖泄露涡产生、发展、失稳、破碎的演化过 程。研究者采用不同的p i v 技术对叶轮机械中的流动进行了广泛的研究，但从工作 介质的角度来看，对以水为工作介质的叶轮机械测试较多，而对空气为介质的测量 相对较少。主要原因是由于：气流速度高、要求激光脉冲间隔时间短，对测试系 统硬件配置要求较高。示踪粒子的跟随特性、光散射性不易掌握，示踪粒子播散 的均匀性也较难控制。有时很难消除固体边界强烈的反射光，导致近壁区域无法 得到有效的速度场。这些是p i v 技术需要解决的关键问题。 热线风速仪能够测量流场速度，常规探针有同时测量速度和压力的优点，能抗 振动和耐污染，除了用于静止通道和稳定流动的测量外，也用在旋转元件中测量不 稳定流动。文献 1 1 介绍了五孔球形探针的测量方法和误差的探讨，文献 1 2 介绍 了五孔探针试验数据处理的一种线性差值方法。文献 1 3 介绍了五孔探针非对向测 量法在风洞自动测试系统中的应用，并给出了各种校准曲线和计算公式。流动显示 是研究基本流动现象、了解流体运动特性并深入探索其物理机制的一种最直观、最 有效的手段，在流场结构的研究中一直受到人们的重视，并发挥着重要作用 1 4 , 1 5 j 。 试验研究的主要特点在于它能在与所研究的问题完全相同或大体相同的条件 下进行观测。因此通过试验得出的结果一般来说是可靠的。但试验方法往往要受到 模型尺寸的限制，此外还有边界影响，相似准则不能完全满足等问题。这些，都需 要综合各种条件加以考虑。试验研究既为数学模拟提供了切实可行的物理模型，又 是验证理论分析的重要手段，而且试验方法已成为直接解决工程的实际问题必不可 少的手段。随着先进测试手段与相应的数据处理软件的不断发展，人们对叶轮机械 内部复杂流场的试验研究将更加细致、方便。 3 华北电力大学硕士论文 1 2 2 数值模拟 要想深入、透彻地了解叶轮机械内部流场中复杂、细微的流动结构，除了采用 先进的测量技术及流场显示技术进行试验研究外，还要依靠不断完善的数值方法来 实现对叶轮机械内部流场的数值模拟。通过对叶轮机械内部流场的数值分析，我们 可以得到大量有关流场结构、损失机理等方面的重要信息，加深对流动尤其是对非 定常流动本质的认识。先进的高性能叶轮机械设计对流场数值模拟的依赖性正在日 益增大，这一点对于在设计阶段如何考虑通过试验难以确定的流场非定常特性、变 工况特性等因素的影响显得尤为突出。 计算流体力学( c f d ) 是在经典流体力学、数值计算方法和计算机技术的基础 上建立起来的新兴学科，己成为流体力学的三大分支学科之一。特别是近2 0 年来， 计算机速度提高了1 0 5 倍，计算机内存提高了1 0 3 倍，计算效率也随计算方法的改进 提高约1 0 3 倍【1 6 】，并且c f d 本身的主要环节，包括控制方程、网格生成、数值方法和 数据处理等都取得了实质性进展。很多情况下，c f d 己能够相当准确地模拟真实流 场，甚至成为分析流体流动的主要手段。 对叶轮机械内部复杂流动的精确模拟必须求解完全n a v i e r s t o k e s ( n s ) 方程组， 但是由于直接求解n s 方程组时，计算结点数和时间步长数的乘积是雷诺数的2 7 5 次 方，计算机的容量是雷诺数的2 5 5 次方【r 7 1 ，因此对高雷诺数流场直接求解n s 方程组 到目前仍然不能为计算机条件所接受。所以在叶轮机械c f d 发展过程中，为了减少 计算量并尽可能全面地考虑流动的物理机制，人们对n s 方程组进行了不同层次的物 理近似。欧拉首先导出了叶片式流体机械的欧拉方程，儒可夫斯基创立了机翼升力 理论，恰普雷金提高为叶栅理论。随着近代计算流体力学及计算机的发展，叶轮机 械内部流动的计算也得到了很大的进展。人们最初采用简单的零维计算方法，即仅 在进、出口断面用速度三角形来进行计算。2 0 世纪5 0 年代，对于有限叶片的流体通 道的二维或三维的无粘流动分析，吴仲华教授做出了历史性的奠基工作，提出了两 类流面的准三维流动方法，计算内流势流流场。2 0 世纪7 0 年代以来，叶轮机械c f d 在整个世界范围内蓬勃发展，从二维流线曲率法到三维无粘、有粘流场的计算，完 成了维数上的进化1 1 8 j 。从2 0 世纪8 0 年代开始，叶轮机械c f d 从定常到非定常过渡的 研究得到了广泛开展。按照计入非定常干扰的层次和程度可以分为三类，即混和平 均面法、通道平均理论( 连续界面法) 和时问精确模拟法。 控制方程的求解，实际上就是从给定的微分方程出发，建立物理上合理、数学 上适定、能够在计算机上计算的离散化数学模型【1 7 l 。其基本思想是把原来在时间和 空间上连续的物理量场用有限个离散点上的值来代替，然后按一定的方式建立一系 列代数方程组并求解，从而获得物理量场的近似解。在流场计算中常用的数值方法， 从离散方法上可以分为有限差分法、有限体积法、有限元法、有限分析法、边界元 4 华北电力大学硕士论文 法和谱方法等；从参数解耦方式上可以分为压力修正法、松弛迭代法和时间推进法 等。已经采用的数值计算方法大致可以分为以下三类：直接模拟，该方法最初由 o r s z a g , 及合作者于2 0 世纪7 0 年代初提出，目前因计算机速度和容量的限制，仅能用 于计算雷诺数很低和几何边界条件很简单的流动。大涡模拟，该法由气象学家 s m a g o r i n s k y 最早提出。以r e n o l d s 时均方法为基础的湍流模式理论。这是目前流 体机械内部流场计算中所采用的基本方法，其湍流模式主要有代数模型、一方程模 型、二方程模型、代数应力模型和雷诺应力模型。其中二方程模型考虑了两个独立 湍流量的对流、扩散及其随时间的变化，能较真实地描述许多流动的主要物理过程， 既有较好的通用性和精度，又不需太大的计算量，因而是近2 0 年来研究得最深入、 应用得最广泛的模式之一。 文献【1 9 1 对已有的c f d 技术进行了综述和评价，对湍流模型和物理近似的准确性、 效率、应用范围和效果进行了评价。文献 2 0 1 针对c f d 还不能满足工程设计和模拟需要 的问题，指出程序编码、真实流体的复杂流动和数值误差与分辨率是今后c f d 主要研究 的领域。文献 2 1 1 采用数值方法评价了在很大的雷诺数和入口湍流度范围内n s 方程预见 转捩流动的能力，尽管数值结果和试验有很好的一致性，然而数值解中人为扩散项对分 离流中的转捩预见效果有深远的影响。文献f 2 2 】提出了一种速度势与叶型表面切向流速 均采用边界元法计算了平面叶栅的不可压流场，指出针对一些复杂的非定常流场，分析 其气动稳定性和研究抑制失稳方法还是十分困难的，仅靠数值模拟尚难解决。文献1 2 3 】 利用张力样条函数，构造了张力h e m i t e 有限元，并证明了其对于复杂区域流动及连续性 要求较高的流动计算是一个有力的工具。文献【2 4 】采用控制容积积分法及压力修正算法， 结 台k - e 湍流模型求解二维稳态雷诺时均n s 方程组，对一透平动叶栅在不同的负攻角条 件下的分离流动进行了数值模拟。文献【2 5 】提出了一种在时间方向具有二阶精度的隐式 方法，并对三维弯叶片定常粘性流场进行了数值模拟。 数值方法的优点在于能够解决理论研究无法解决的复杂流动问题，和试验相 比，所需的费用和时间都比较少，而且有较高的精度。当然数值方法也有其局限性， 它要求对问题的物理特性有足够的了解，从而能够提炼出较精确的数学方程。 1 2 3 理论研究 关于叶轮机械内部流动的理论分析，人们最初是基于外部流动中机翼附面层理 论来研究的。二维分离是较熟悉的流动现象，如图卜l 所示。由于物面附近存在附面 层，在逆压梯度作用下，流体流到某点以后依靠其动能已不足以提高所需要的压强，这 时在靠近物面附近的流体就会形成反向流动。而远离物面的主流，由于有足够的动能仍 可按原方向流动，这就形成了流动中的二维分离现象。对于二维分离现象，其判断准则 是： 5 华北电力大学硕士论文 ( 詈) ，。2 。或2 弘( 詈) ，曲。 ( 1 1 ) 式中，h 平行于壁面方向的速度分量；钿壁面摩擦应力；弘一动力粘性系数 图i - i二维分离流动示意图 二维分离现象在物理上意味着二维分离点就是物面摩擦应力为零的点( 严格来说， 还应有a f a x 0 的条件) 。 三维分离形成的机理与二维分离的一样，也是由于流场中存在逆压梯度并作用于有 粘性阻滞的附面层上的缘故，但判断三维分离的准则要比二维分离的判则复杂得多。因 为在三维附面层中，若在某个方向上存在逆压梯度，即使该方向上的摩擦应力变为零， 但流体还可以沿其他方向流去。这时附面层内的流动仍可保持是附着的。三维分离现象 实际是在三维流动中附面层内很“靠近”物面的流体微团在流到物面的某些地方很快地 “离开 物面1 2 6 】。三维分离分为自由涡层型和气泡型两种( 图1 2 ) 。自由涡层型分离面 在主流中将方向不同的流动分隔开来。由三维分离线发出的分离面实际是个自由剪切 层。在往下游流动的过程中，该自由剪切层将不断卷起形成集中涡。在集中涡面的诱导 下，其下方的摩擦应力线往往呈现出具有拐点的特性。气泡型分离的特点是分离面将具 有高能的主流区和具有低能的滞流区隔离开来，在分离线上往往出现奇点分离。 餐体襄膏 ( 曩盘由溺瑶塑分离 上 蟪 物钵爱茸 ( b 气湛犁分赢 图i - 2 三维分离流动示意图 可以利用极限流线来描述三维分离。在流场中流线定义为每点的切线方向都 和该点处流体微团的速度方向一致的曲线，极限流线是指距离物面趋于零处的流 6 华北电力大学硕士论文 线。如果极限流线在物面上某个位置离开物面，这就反映该处存在流动分离。也可 以利用物面摩擦应力线来分析三维分离现象，摩擦应力线是直接反映邻近物面流体 运动的物理量。在三维物体的定常绕流中，物面上每一点都应有唯一确定的摩擦应 力矢量。所以在整个物面上构成了摩擦应力的连续矢量场，其摩擦应力线方程为 - j c ( 抛a z ) 枷 = ( 却a z ) ：- o ，(1-2) 式中h 一工方向速度分量 v - - y 方向速度分量 三维分离正是邻近物面的流体微团要很快离开物面的物理现象，所以三维分离 必然对摩擦应力线的特性变化有所反映。极限流线和摩擦应力线虽然分别表示流场 速度场和切应力场，但在无限靠近物面处，流场的速度方向和切应力方向是一致的。 物面摩擦应力场是一个单值连续的矢量场，其摩擦应力线不能随意在物面上起始或 终止，它只能起始或终止于那些奇点( f 。一 g y w 一0 ) 上。摩擦应力矢量分布特性的 不同将使摩擦应力线趋于奇点的方式也不同，形成不同类型的奇点。如果物面上某 点p ( x ，y ) 处一f 。；0 ，摩擦应力线方程可化为 鲁= c 争c 争。y 鲁= 每n + 謦炒 ( 1 3 ) 式中下标0 表示奇点( 原点) 处的导数值。根据常微分方程理论，在伍y ) 平面上 该方程确定的不同积分曲线如图1 3 所示，图1 3 中p 和g 分别为摩擦应力矢量场 中临界点处的散度d 和雅可比矩阵，为特征方程根的判别式( = p 2 一幻) 。图 中共有七类奇点：鞍点、结点、螺旋点、退化结点和临界结点、中心点、高阶奇点 和口= 0 ，p = o 点。其中前三类奇点属于稳定奇点，后四类属于不稳定奇点。掌握了 这七类奇点的特性，就能掌握构成物面流谱的基本骨架，这就是物面流谱拓扑分析 的基本理论【2 7 , 2 8 l 。文献 2 6 ，2 8 】总结提出了叶轮机械内部物面流谱拓扑法则，假定无 限远来流和下游为均匀流动，将结点记为，鞍点记为s ，用7 和s 分别表示半结 点和半鞍点。在有叶顶间隙的平面环型叶栅的一个节距范围内，其流谱遵守以下拓 扑法则： ( 1 ) 对于叶片表面和轮毅的摩擦应力线： 一屯一0 7 ( 1 4 ) 华北电力大学硕士论文 图1 - 3 各类奇点的区域和边界 对于机壳表面摩擦应力线： c 一& = 0 一q ( 3 ) 对于整个壁面表面( 包括叶片表面、机壳和轮毅) 的摩擦应力线： x n - - s = 0 式中，= + c ，s = x s b h + ( 4 ) 对于横截面( s 3 ) 流场的流线： ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) ( x n + 0 5 x n ) 一( s + 0 5 s ) 一0 ( 1 - 7 ) 8 争 霄j n l 、 务鲰吣 华北电力大学硕士论文 图卜4 压气机叶栅的旋涡结构 大多数情况下，摩擦应力线分析除可以得到近物面表面的流动特性外，还可获得三 维流场的一定的信息。图1 - 4 是文献 2 6 1 结合流场测量和拓扑分析得到压气机叶栅的旋 涡结构，图中显示的拓扑结构包括前缘鞍点( s 1 ) 、尾缘鞍点( 脚) 、端壁分离鞍点( ) 、 叶片尾缘分离线( & ) 、集中螺旋节点( a r c ) 、叶片角区螺旋节点( n c b ) 和端壁角区螺 旋节点( n c w ) 。其中一些新的流动现象是通过拓扑分析得到的，但单纯的表面流型的 研究不能提供流场的详尽解释，研究三维分离流动结构不仅要研究表面摩擦应力线，还 必须研究流场的内部结构。 上述三种方法各有利弊，这三种方法不断相互弥补不足，相互作用，共同发展是流 体力学及流体机械发展的关键所在。随着科学技术的进步和气动力学的需要，三种方法 都在不断完善、更新和发展。 1 3 轴流风机内部流动及风机设计研究 我国目前使用的轴流风机非稳定特性区较宽，改善轴流风机性能重点在于缩小非稳 定特性区。通风机性能与其内部流场密切相关，良好的通风机工作性能应取决于稳定有 序的内部流场，非稳定特性的形成是通风机内部流场畸变的结果。分离和旋涡运动是叶 轮机械内部流动中最普遍的现象，特别是在非设计工况时，不可避免地会产生大范围的、 更复杂的分离和涡系，使流动变得十分复杂，这种复杂性主要表现在分离结构形态的复 杂性和分离演化过程的复杂性。它们的基本特性是：非线性、不稳定性和不可逆的耗散 过程。另一方面，这种大范围的分离和更复杂的涡系极易造成叶轮机械的失速和失速诱 发的颤振现象，引起流动损失、机器工作范围的总体性能差以及噪声等方面的问题，由 9 华北电力大学硕士论文 这些因素引起的可靠性和强度方面的问题和事故已屡见不鲜。叶轮机械内部流动分离多 发生在非设计工况，并向小流量方向移动。这种分离首先出现在局部区域，随着工作点 的偏离，分离区增大并强烈影响叶道的主流，使得流动愈加不稳定，进而引起整个叶道 失速，形成堵塞。这是一个复杂的自激和分离过程，它以压力和速度脉冲形式出现，对 叶轮机械有着致命的危害。以非定常n s 方程组为基础进行数值模拟，对于理解旋转失速 发作机理已成为有效手段。然而，针对如此复杂的非定常流场来分析其气动稳定性和研 究抑制失稳方法还是十分困难的，仅仅依靠数值模拟尚难解决。因此，美国麻省理工学 院教授e m g r e i t z e r i 冽等人提出用非线性集总参数模型来描述大幅度震荡，在此类模型 中略去了数值模拟所提出的非定常复杂流动的细节，该模型也适用于区别失速和喘振转 换的界限。e m g r e i t z e r ，f k m o o r e ，f e m c c a u g h a n 【删等连续发表了多篇有关失速和喘 振的文章，他们的研究成果被广泛采用。文献 3 1 1 对流动分离控制的理论和措施进行了 历史性总结，评述了稳定和非稳定流动分离控制的现状并进行了展望，涉及的控制分离 方法主要有叶片形状控制、生物叶片、翼型前缘加条板、翼型尾缘加襟翼或两种方式组 合、在翼型前缘和后缘及中部加滚轮等多种方式。文献 3 2 1 对叶栅特性在展弦方向分布 对旋转失速的影响进行了研究。文献【3 3 】对轴流风机稳定小流量工况性能的研究进展进 行了综述。文献【3 4 】对影响叶轮机械性能及内部流动的几个重要问题如叶顶间隙和来流 条件进行了讨论。曹人靖等人【3 5 l 对轴流通风机叶尖区近失速点的非定常压力进行了试验 研究。田彬等人【刈运用c f d 技术对轴流通风机内部三维粘性流场进行数值模拟，获得了 风机内部许多流动细节、规律及性能参数，数值模拟结果对分析影响轴流通风机性能的 原因，改进设计、提高效率、增加负荷、降低噪声及变宽工况等，提供了重要依据和方 向。 叶轮机械内部流动的数值计算方法一般都是基于转子与静子结构相互无关的定常 流动假设，这种假设实际上是认为转子叶排与静子叶排相距足够远，相互之间互不干扰。 事实上，叶轮机械中的非定常性是其固有的，转子叶排与静子叶排相距很近，转子叶排 的高速旋转、上游叶片尾迹脱落、通道涡向下游的传播以及下游叶片反压的变化等都造 成了上下游叶排之间的相互干扰，这些非定常效应极大地影响叶轮机的气动性能。国外 从2 0 世纪8 0 年代就开始了叶轮机械动静叶排相干非定常流动方面的研究，从二维问题开 始，到三维无粘流动，继而发展到三维粘性非定常流，从单级进展到研究多级叶排间的 相干流动。不过早期的工作多集中在对涡轮流动的分析上，近来对风扇压气机的研究也 逐渐增多。就国内现状来看，研究内容主要集中在基于流场脉动量和尾迹模型的数值分 析。文献 3 7 1 研究了由于动静叶排相互作用而产生的非稳流动，认为转子尾流是主要原 因。叶轮机械经常要在非设计工况下运行，这时其内部有可能出现分离流动，分离不仅 降低运行的效率，还有可能形成很大的旋涡，使得流动变得非常不均匀，容易引起叶片 的失速颤振，威胁运行安全，甚至导致严重的事故。文献 3 8 1 进行了变工况下轴流式弯 掠动叶风机的气动一声学性能的试验研究。文献 3 9 1 对一轴流风扇进行了失速时激光平 华北电力大学硕士论文 均流场测量和热线动态测量，并进行了失速理论分析。文献h o 对离心风机的旋转失速 和入口旋涡进行了研究，结果表明离心风机失速与轴流风机不同，离心风机失速的发生 是渐进的和间歇性的，不像轴流风机，离心风机特性的不连续不一定产生失速，风机入 口流场正预旋可以推迟失速的发生。 在轴流风机和压缩机中，叶片顶部与机壳内壁之间存在着径向间隙，形成了十分复 杂的泄漏流动，它又影响到主流道中的流场，使流动偏离设计工况，造成风机性能的下 降。要克服和减小这部分损失，就要对泄漏现象进行测量与研究。郭强等人1 4 l j 将粒子图 像测速技术p i v 应用到低速轴流通风机实验台上，在设计工况下对轴流通风机转子叶顶 区域的瞬态速度场进行了实验测量。测量得到了三个不同周向位置下的涡量图和速度矢 量图，并观测到了叶顶泄漏涡的涡旋结构。重点研究了叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁 相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹，并将试验结果与原有模型进行了比较。李杨等人1 4 2 1 对三种带有周向弯曲叶片的低压轴流风机的叶顶泄露流动进行了研究，结果表明叶顶周 向前弯加剧了泄漏流和主流的掺混，而叶顶间隙高度的增加使得旋涡起始点更靠近叶片 后缘。 关于轴流风机的设计方法，在传统的孤立翼型法和平面叶栅法的基础上，许多人根 据实际工程应用提出了一些改进的方法。张风菊等人1 4 3 】在孤立翼型设计法的基础上，提 出了抽象轴向速度的设计方法，改进风机设计。在风机风量保持不变的前提下，能够在 一定范围内缩小风机直径，提高出口风速。高永卫等人l 4 4 j 鉴于空冷器用轴流通风机的整 流条件很差，结合空冷风机工作的实际情况，采用了动叶载荷沿叶高按五次方规律分布 的设计方法。李景银【4 5 j 提出了一套完整的计算单叶轮轴流通风机设计点附近性能曲线的 方法，此方法只根据轴流通风机设计点的参数，就可以计算出由不同设计方法、不同轮 毂比以及不同叶型叶片设计的轴流通风机性能曲线，将其应用到需要满足多个工况要求 的轴流通风机设计参数的确定中，与实际测试结果对比，效果良好。为了提高轴流通风 机的效率和降低噪音，李伟国【删用复合形法对轴流通风机的气动设计进行优化。采用主 要目标法处理多目标优化问题，实例计算表明，用复合形法的优化设计比传统设计有较 大优越性。根据通风机等流体机械的设计计算各类气动情况来看，主要可分为两大类： 正问题计算和反问题设计。正问题计算就是给定叶轮结构参数和叶片形状，根据一定的 来流及出口条件，求解流道内的流场；而反问题设计则是以保证风机的气动性能为出发 点来设计叶轮的结构参数与叶型型面。曾庭卫等人【4 7 】从轴流通风机的反命题设计问题入 手，提出了一种新型的叶片型面方程，由此建立了叶型结构与气动参数的相互关系；然 后推导出基于实际工况下的轴流通风机气动计算公式，并应用于正命题计算。应用该方 法，对大型变压器冷却风机进行了设计，设计计算结果符合设计要求，证实了正命题计 算与反命题设计之间具有一致性。 华北电力大学硕士论文 1 4 轴流风机基础理论 1 4 1 轴流风机工作特性 轴