离心式流体机械中的流体力学问题

1、1 流体机械的分类1.1 按作用原理主要分为两大类一类是利用流体的能量对流体机械做功，从而提供动力，故也称为流体动力机械，如汽轮机（利用蒸汽能量）、涡轮机（利用燃气）、水轮机（利用水能）等。另一类为通过流体机械把原动机的能量传递给流体，使流体的能量提高，故也称为流体输送机械，水泵（水的能量提高，用于供水或排水等）、风机、压缩机（使空气或其它气体获得能量，用于通风换气、输送、燃烧或热交换等）。此外还有其它一些流体机械：输送和动力功能兼有的流体机械，如液力耦合器；分离机械，如旋风分离器；还有流体机械中常见的附件，如阀门、密封等。人的心脏就是一个泵，人的肺就是一个风机。1.2 按工作原理分为三大类叶

2、片式（叶轮式）流体机械，包括离心式流体机械，斜流式（混流式）流体机械，轴流式流体机械，横流式流体机械等。容积式流体机械，包括往复式流体机械和回转式流体机械。其它形式流体机械，包括漩涡式流体机械，射流式流体机械、电磁式流体机械等等。离心压缩机轴流通风机离心泵往复式流体机械回转式流体机械1.3 常见流体机械的分类水泵是一种量大面广的流体器械，根据应用场合、输送介质和使用要求的不同可以分成多种形式。按工作原理可以分为叶片式和容积式，叶片式按结构形式可分为离心泵、混流泵和轴流泵，容积式如螺杆泵、隔膜泵，按泵轴的放置工作位置可分为卧式和立式；按出口腔体型式可分为蜗壳式和导叶式；按吸入方式可分为单吸和双吸

3、；按叶轮个数可分为单级和多级。离心泵的分类很多，它是依据不同的结构特点而划分的。 一、按工作叶轮数目来分类1、单级泵：即在泵轴上只有一个叶轮。2、多级泵：即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮，这时泵的总扬程为n个叶轮产生的扬程之和。二、按工作压力来分类1、低压泵：压力低于100米水柱；2、中压泵：压力在100650米水柱之间；3、高压泵：压力高于650米水柱。三、按叶轮进水方式来分类1、单侧进水式泵：又叫单吸泵，即叶轮上只有一个进水口；2、双侧进水式泵：又叫双吸泵，即叶轮两侧都有一个进水口。它的流量比单吸式泵大一倍，可以近似看作是二个单吸泵叶轮背靠背地放在了一起。四、按泵壳结合缝形式来分类1、水平

4、中开式泵：即在通过轴心线的水平面上开有结合缝。2、垂直结合面泵：即结合面与轴心线相垂直。五、按泵轴位置来分类1、卧式泵：泵轴位于水平位置。2、立式泵：泵轴位于垂直位置。六、按叶轮出来的水引向压出室的方式分类1、蜗壳泵：水从叶轮出来后，直接进入具有螺旋线形状的泵壳。2、导叶泵：水从叶轮出来后，进入它外面设置的导叶，之后进入下一级或流入出口管。七、根据用途分类油泵、水泵、凝结水泵、排灰泵、循环水泵等。其实对某个水泵的名称，一般将各种分类方式结合起来，因此就大概可以知道泵的结构特点和用途。风机也是一种量大面广的流体机械，用于输送气体，通过风机把原动机的机械能转换成气体能量。按工作原理主要分为两大类：

5、容积式，包括活塞式和回转式，前者如活塞式压缩机（常见的用于充气的小空压机），后者包括罗茨风机、螺杆压缩机和滑片式压缩机叶片式，又称透平式，包括离心式、斜流式（混流式）、轴流式和横流式按压力高低分为三类：通风机：排气压力低于11.27*104N/m2鼓风机：排气压力在（11.2734.3）*104N/m2压缩机：排气压力高于34.3*104N/m2离心式通风机按使用场合分：锅炉送、引风机除尘通风机矿井风机隧道风机消防风机纺织风机高炉鼓风机制冷压缩机、空分压缩机等等2 流体机械的主要性能参数及性能曲线.性能参数流体机械的工作状态通常用工作参数来表示，工作参数反应了流体机械的主要性能指标。主要工作参

6、数：风机压力或水泵扬程，流量，功率，效率和转速等一、 风机压力、水泵扬程风机压力(水泵扬程)是保证流体能够得到输送的关键参数1、 风机压力风机压力为在单位时间内风机出口断面和进口断面的单位体积气体的能量差，用压力表示，单位为Pa，也用mmH2o水柱 位置压力 静压 动压 由于气体比重很小，故位置压力通常忽略不计。风机全压：通常用于表示风机性能的工作参数全压 进出口静压差 出口动能由于风机在工作过程中，流体从进口到出口要产生各种流动损失，记为，故风机的实际全压为 Pt理论全压则风机的气动效率为2、 水泵扬程水泵扬程为在单位时间内离心泵出口断面和进口断面的单位重量液体的能量差，用水头表示，单位为单

7、位水柱，也有单位汞柱 位置势能 压力水头 速度水头 出口水力损失 进口水力损失由于泵在工作过程中，流体从进口到出口要产生各种流动损失，记为，故泵的实际扬程为 Ht理论扬程则泵的水力效率为二、 流量流量是体现输送多少流体的体现1、 风机流量单位时间内通过风机出口的气体量，有体积流量和质量流量，通常采用体积流量，用Q表示，单位m3/s，国际上也有用l/s.在风机运行过程中，由于叶轮（转动部件）和静止部件（如蜗壳）之间存在间隙，因此一部分气体通过该间隙在风机内循环流动，而不是通过出口输送出去，故在叶轮中的实际流量为q气体泄漏量则风机的容积效率为2、 水泵流量同风机，但泵有时会采用质量流量三、 功率有

8、效功率：单位时间内输出的流体从叶轮中获得的能量。风机：水泵：输入功率：单位时间内输入流体机械叶轮轴的能量风机：水泵：轴功率：电机轴输出端的功率风机：水泵：Nmec传动部分的机械损失，对应的效率为机械效率额定功率：配套功率考虑电机的功率因素和一定安全系数后的电机功率。四、 效率效率表示流体机械能量利用或转换的程度，是体现流体机械性能优劣的主要指标，用表示。根据一、二、三中的描述可知五、 转速单位时间内叶轮旋转的次数，以n表示，单位通常是RPM转速对流体机械的大小、结构及其强度和噪声等有着重要的影响。.性能曲线流量为自变量，压力（扬程）、功率和效率等为因变量，也就是说这些参数随流量的变化趋势，如下

9、图为某离心泵性能曲线3 流体机械中的两大问题反问题设计流体机械，确定流体机械的结构参数正问题计算分析流体机械内部状况，揭示流动特征及其变化规律.反问题对于反问题，在工程实际中涉及两个方面：气动性能（水力性能）等高效运行问题流体力学问题强度及振动等可靠运行等问题结构力学、弹性力学问题.正问题对于正问题涉及如何科学计算问题，也涉及两个方面：流场计算描述流体机械内部流动的数学物理模型，模型求解（算法）纯流体力学问题强度、振动、变形流体产生的力流体力学问题（最合理的需要耦合计算）运转过程中产生的机械力动力学问题4 离心式流体机械气动（水力）设计方法常见设计方法相似设计变型设计原始设计.相似设计根据流体

10、力学相似理论，通过相似换算在现有的性能优良的模型机中确定合适的规格型号。具体地说就是根据模型机的性能参数，通过改变转速和机号设计出满足用户所需性能参数的产品。.变形设计对于无合适模型机但很接近情况下，可以采用改变模型机相关结构参数的方法来获得，如调节叶片出口角度以便压力（扬程）符合要求，改变宽度使流量满足要求若与模型机相差很远，则需采用原始设计的方法。.原始设计有两类优化设计方法：损失最小法；优化准则法。下面以离心式通风机为例来说明一、 概述(Introduction)离心式通风机是一种广泛应用于各行业的一种流体机械。它按用途可分为：（1）用于通风换气；（2）用于物料输送；（3）用于工业炉窑；

11、（4）特殊用途，如耐高温、耐腐蚀、防爆等。表示通风机性能的主要参数有：（1）流量(Q)；（2）压力(P)；（3）转速（n）；（4）轴功率(Ns)；（5）效率()；（6）噪声(LdA)等。在许多场合也用无因次参数来表示：（1）流量系数；（2）压力系数；（3）比转速ns；（4）功率系数；（5）效率；（6）比噪声LdAs等。二、 离心式通风机的结构(The structure of centrifugal fans)离心通风机的典型结构如图1所示，它由进风口、叶轮和蜗壳组成。进风口是使气流能均匀进入叶轮，从而减少流动损失并降低噪声。叶轮是风机的核心部件，它使气体获得能量，提高压力与速度。蜗壳是将离开

12、叶轮的气体集中导流，并将一部分动能转变为静压，从而减少后续管道中的流动损失。根据如上的结构，离心通风机的总体结构参数有如下一些：Din 进风口直径D0 叶轮进口直径d1 叶片进口直径d2 叶轮出口直径b1 叶片进口宽度b2 叶片出口宽度1A 叶片进口安装角2A 叶片出口安装角z 叶片数B 蜗壳宽度三、 离心式通风机的流动理论 (The internal flow of centrifugal fans)当气体在离心式通风机内流动时，由于叶轮的作用使气体获得能量，从而提高了气体的压力和动能，当此能量能克服气体运动中产生的阻力，则气体将输送到所需的位置。在理想状态下(无限多叶片、无粘性的流动)，离

13、心通风机内气体所获得的理论压力为 （1）其中的参数如图2所示。2A为叶轮叶片的出口安装角，2A<90º为后向风机，2A90º为径向风机，2A>90º为前向风机；由此式可以看出，在同样的几何尺寸下，气体所获得的压力与2A成正比。考虑叶片的有限性和损失，风机的实际压力为 （2）其中的为风机效率，且 （3）K为考虑有限叶片的压力修正系数，称为滑移率，它有比较成熟的经验公式：Stodola公式： （4）Weisner公式： （5）在风机内部的实际流动中，呈现出复杂的三维流动，并存在各种各样的损失，主要有：（1） 流动损失（对应效率为）；（2） 泄漏损失（对应效

14、率为）；（3） 机械损失（对应效率为）。风机产生流动损失的根本原因在于气体的粘性。根据气体在风机内部流道的特点，风机产生的流动损失有：（1） 壁面摩擦损失；（2） 叶片负载损失；（3） 叶片尾流混掺损失（4） 蜗壳内流动损失。它们主要体现在：（1） 在叶轮进口产生的进口冲击损失；（2） 进风口、叶片流道和蜗壳的壁面摩擦损失；（3） 边界层流动损失；（4） 叶片尾流和蜗壳的混掺损失；（5） 叶轮旋转和流线曲率产生的二次流动损失（分别存在于子午面和周向面上）；泄漏损失是指风机静止部件（进风口）和转动部件（叶轮）之间存在间隙而使气体流到低压区（叶轮出口流回到进口）所产生的损失。机械损失是指传动部件旋

15、转产生的损失。四、 离心式通风机的设计(The design of The centrifugal fans)1设计方案的确定(The scheme of design)明确设计条件：（1） 流量(Q)；（2） 压力(P)；（3） 工作介质及其密度()；（4） 结构要求；（5） 其它特殊的要求。提出设计要求：（1） 所设计风机的工况能满足使用要求；（2） 效率要高，效率曲线要平坦，噪声低；（3） 稳定工作区间要大；（4） 结构简单，尺寸小，重量轻，工艺性好；（5） 足够的强度、刚度，工作安全可靠；（6） 调节性能好，维护方便。在设计时要同时满足这些设计要求是不可能的，一般根据不同的使用要求选择

16、主要的设计要求，如建筑采暖通风用的通风机就要突出噪声和尺寸的要求，输送颗粒的通风机就要突出耐磨的要求等。确定结构型式：根据给定的设计条件，计算比转速 （6）依据比转速的值初步确定通风机的类型及叶片的型式：ns<1.5 容积式通风机（如罗茨风机涡流风机）ns1.512(865) 前向叶片离心通风机ns3.616(2090) 后向叶片离心通风机ns1618 (90100) 双吸或并联离心通风机ns1836(100200) 轴流通风机2风机结构的设计 （The design of a centrifugal fan)如图1所示，风机总体上分为三部分，进风口、叶轮、蜗壳，下面就三部分分别进行论述

17、。2.1进风口设计(The design of a inlet)进风口的设计要求为保证气体能均匀流入叶轮进口截面，这样就能使后续流动的损失降低到最小【4】，并能降低风机噪声。关于这方面设计研究已很成熟，其最佳结构如图1所示锥弧型，具体的结构尺寸确定要在叶轮设计完成后进行。2.2叶轮设计(The design of a impeller)叶轮是风机的关键部件，风机设计的核心也就是叶轮的设计，长期以来也进行了大量的理论和实验研究，提出了多种方法【5】【6】【7】【8】。现在一般的工程设计方法通常运用于方案确定或初始参数的确定，真正采用的是优化设计方法【9】【10】【11】。在优化方法中，普遍采用的

18、是损失最小优化法，其原理为：首先建立叶轮内各种损失qi与各部件几何形状xj的关系，即建立 （7）则通风机的总损失为 （8）在满足风机运行所需压力和流量的前提下，设计出使总损失最小的几何参数。各种损失的具体计算公式为：（1） 壁面摩擦损失 （9）其中为摩擦系数，为流动路径长度，为水力直径，为平均速度。（2） 叶片负载损失（10）其中DF为扩压因子，且。（3） 叶片尾流混掺损失 （11）（4） 泄漏损失 （12）其中为泄漏流量的百分比，气体在叶片流道内的损失。上面所述的损失最小优化法在实际运用中明显存在如下缺陷：（1） 上述的损失在风机结构具体设计出来前式无法精确计算的，因此靠它们进行优化设计并不

19、一定合适。（2） 上述优化方法中仅仅涉及总体尺寸的优化，而并未考虑叶轮通道形状、前盘形状和叶片形状的影响，而流动损失很显然与这些形状有很大关系，因此是不完善的。针对这些不足，建立能克服这些缺陷的优化方法就很有必要，即根据通风机的结构及其流动特点建立减少流动损失或提高性能指标的目标函数，通过对总体结构参数和形状参数的优化选择，使目标函数成立。这种优化是在不断迭代过程中完成优化的，因此可称为优化准则法。根据通风机的结构及其流动特点，可将优化准则分为四个方面：（1） 总体尺寸的优化准则（2） 子午面优化准则（3） 回转面优化准则（4） 出口优化准则下面进行详细的描述。2.2.1总体尺寸的优化准则(T

20、he optimal rulers of general parameters)(1) b1/d1的优化准则 （13）其中，其范围一般为0.60.85，d0为轮毂直径。(2) 前盘处进口速度最小暨平均进口速度最小准则 （14） （15）其中，为泄漏系数，K1为堵塞系数，为叶片厚度。(3) 叶片通道的当量扩张角准则 （16）其中6.5º<<8º12º，l为通道中心线长。(4) 满足所需压力的目标函数 （17）其中为内效率，。(5) b2/d2 最小化准则此准则来源于风机拥有最大喘振余度和合理子午面形状的要求。2.2.2子午面优化准则(The optima

21、l rulers of meridian plan)此优化准则来源于减少子午面内二次流和良好子午面通道形状的要求，具体体现为前盘表面法向压力梯度最小化，则有 （18）经过变换得 （19）其中为流动的绝对平均速度，为子午流线与轴线的夹角，Rm为前盘的曲率半径，在初次成型时可用下式： （20）其中2.2.3回转面优化准则(The optimal rulers of rotatory plan)在回转面设计时，为了减少流动损失，必须控制叶片边界层的增长和吸力边的流动分离，减少分层效应和回转面上的二次流。而这些与叶片载荷和速度分布有关，因此建立先建立叶片载荷目标函数然后分别建立相应的优化准则。(1)

22、叶片载荷分布目标函数 （21）其中为叶片载荷，它与速度分布又有密切关系，且 （22）上式中的wav为平均速度，ws为吸力面速度。由此式可以看出，只要确定了ws和wav就决定了。(2) 控制边界层增长的优化准则wav和ws分布的优化准则若wav和ws的速度分别满足如图3、图4的分布，则能有效控制叶片边界层的增长【3】。wav的分布满足：在X0=0.30.4时，满足Y0=040.7。其中，。ws的分布满足：在初始断wswavW1avW1avsrr2r1 图3 Wav 的分布 图4 ws的分布(3) 控制吸力边边界层分离的优化准则根据实际分析结果得到：吸力边边界层分离点应在叶片弧长的85以后。至于分

23、离点的计算可参照有关的计算方法。(4) 控制分层效应的优化准则对前向叶轮：对径向叶轮：对后向叶轮：其中的，wp为压力面速度。(5) 控制回转面二次流的优化准则 （23）2.2.4 叶轮出口速度优化准则(The optimal rule of outlet velocity distribution in impeller)此准则实际是用于风机设计完成后进行流场计算时的判断标准。它要求叶轮出口速度尽量平坦、饱满。2.3蜗壳的设计(The design of scroll)对于离心通风机而言，蜗壳设计主要涉及两个参数：蜗壳宽度和型线。蜗壳宽度可采用如下公式初步确定： （24）而蜗壳型线则可由三种方

24、法确定。（1）等环量法 （25）其中为型线在角位置处的半径。（2）平均速度法 （26）其中A为蜗壳张开度，。（3）考虑粘性的蜗壳设计前面两种蜗壳设计方法简单明了，但由于未考虑蜗壳中的壁面摩擦、曲率和叶轮出口速度分布对蜗壳流动的影响，这样会对蜗壳的性能产生不利影响，因此采用更合理的设计方法就很有必要。考虑这些因素影响后其设计方法为：若蜗壳内切向流动速度为 （27）则有 （28） （29）其中下标n为计算截面序号，下标0表示参考位置处的值，一般为蜗舌处的值。其余有关参数的计算公式为： （30） （31） （32） （33）上式中的为壁面摩擦系数，L为流动路径长度，Ks为表面粗糙度；l为湿周，；。根

25、据以上公式就可求得对应的和即。利用上述三种方法对蜗壳设计后，还需对蜗壳设计结果的优劣进行判断，判断的依据为蜗壳出口动压和通风机压力的比值，即 （34）其中的为蜗壳出口动压，且 （35）下标ex表示蜗壳出口参数，。若蜗壳出口动压和通风机压力的比值不满足要求，就调整蜗壳宽度B以便达到优化设计的目的。5 离心式流体机械内部流动的计算.基本流动特点三维非定常可压缩流动，流动非常复杂，由于存在旋转和曲率，存在哥氏力和离心力，使得流动更为复杂。存在射流尾流结构、二次流、涡、分离流、旋转失速（堵塞）、喘振等复杂流动现象。射流尾流结构二次流涡分离流动.流动计算分析涉及的问题一、简化及假设不可压缩简化低压、低速

26、问题相对定常简化建立旋转坐标系绝热流动简化能量方程略去不同的流体机械其简化结果不一样二、控制方程及边界条件方程旋转坐标系中的方程哥氏力离心力直接求解不可行，通常采用方法，这样就涉及湍流模型问题雷诺应力项的处理边界条件:固壁速度为零，但在旋转坐标系中则为相对速度；进出口：速度，压力，自由出口，初始湍流度三、湍流模型标准模型：各向同性的缺点，在流体机械中无法满足RNG 模型：考虑了平均流动中的旋转以及漩流流动。我们目前主要采用这种方法，计算量小，易收敛，但该模型适用于充分发展的湍流，对壁面附近应进行修正，通常采用标准壁面函数。Realizable 模型：引入了与旋转和曲率的相关修正，但无旋转坐标系

27、下的正确修正模型：直接构建表示雷诺应力的输运方程，适应面很广。大涡模拟（LES）：是介于直接数值模拟与之间的一种湍流数值模拟方法，对非定常问题值得应用。四、计算网格网格类型：复杂边界，采用非结构化网格网格数量五、方程离散有限差分法有限体积法：有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，能够方便地应用到具有复杂边界条件的流体运动，而且离散方程系数的物理意义明确，计算效率高，并且从我们的经验来说，综合考虑计算量及精度等因素，这种离散方法较为合适。有限元法六、离散格式扩散项中心差分格式对流项一阶迎风格式七、算法及其派生算法八、计算及其结果分析速度及压力分布流动特征分析：射流尾流结构强弱分析；涡的大

28、小及数量分析；分离流动存在与否分析；间隙流动分析等等变结构参数下流动变化规律分析九、基于流场计算的性能分析一般的流动计算只需分析速度、压力、涡量等分析，但对于流体机械来说是否能够从所得的流场数据中得到工程所需的性能参数（压力、气动效率）随流量的变化呢，在这方面我们做了大量的探索性工作，并得到了一些流体机械的性能预测方法，与标准试验结果很吻合。有了性能预测的方法，就可以很方便地与设计结合形成现代优化设计系统“反正反”设计计算系统参见如下的系统框图6 流体机械的发展方向.新型流体机械的研究一、 环保型流体机械环保型水轮机水电站大坝和蓄水水库的建设和水轮机组的运行对河流生态、水生生命都有一定的影响，

29、具体体现在：打破河流食物链的平衡；部分河段富营养化；鱼类无法通过水轮机或通过水轮机时遭到伤害；原油泄漏造成一定污染等等。因此开发新型环保的水轮机（美国称为环境友善型水轮机）是历史赋予的使命，研发的目的是满足改善河道水质和鱼类生存的要求，主要希望水轮机对鱼类的伤害最小。二、可再生能源流体机械除了水能外，还有风能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能和生物质能等，其中的流体机械有：风力机风力机利用不规则变化的空气流动能量，使其转化为有规则运动的机械旋转能量，包括风轮和风车。桨叶式风轮是常见的一种，一般有13个桨叶。由于风能密度低，风向和风速不停变化，使风力发电在技术上有一些特殊的问题，一般采用调速、调向

30、和刹车等控制装置。海洋能：海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能和海洋温差发电，这方面的流体机械有待于进一步展开。二、 微型流体机械微电子机械系统随着纳米技术的发展，微电子机械系统得到了迅猛发展，这项技术将对未来世界产生巨大影响。微电子机械（MEMS）是指特征尺寸小于1mm大于1m的机械，它包含机械和电气元件，用集成电路加工制造而成，它在工业和医疗等领域有着广泛的应用前景。微型导管、微型泵、微型涡轮和微型阀是微型流体机械的典型例子。微型导管用在红外线探测器、二极管发光、微型气体色谱仪等装置中；微型泵用在喷墨打印、环境测试和电子冷却等装置中，在微量药量的传输和控制、纳米化学药品的制造等医疗技术方面有着潜在的应用前景。三、 仿生流体机械仿生流体机械是一个很有发展前途的研究方向。昆虫或鸟类飞行、鱼类畅游充分利用气水能量、节能省力风机、水泵的叶片为可变形的。四、 高能量密度的流体机械研究航空航天和航海事业的进一步需要高能量密度的流体机械，节省空间。如低噪声潜艇和水陆两用坦克采用高速对旋轴流泵，射流风机采用对旋轴流风机。.流体机械设计理论研究一、 当前流体机械的流动设计流体机械的流动设计内容包含两部分：过流通道的几何参数的选择和叶片几何形状的设计。流动设计十几年前还是基于大量试验数据的经验设计方法，随着计算