（流体机械及工程专业论文）轴流风机气动计算机辅助设计.pdf

摘要 轴流风机是一种使用广泛的流体机械。轴流风机的气动设计决定了风机 的性能。传统的风机设计多采用相似理论和实验结合，设计强度高，效率 低下。 风机的气动计算机辅助设计( c a d ) 是一种新兴的流行的设计方法，它 借助计算机的运算能力，可以将设计过程中许多重复的，繁琐的和计算量 较大的部分交由计算机来完成，而设计人员关注于关键性的设计步骤。 本文介绍轴流风机的气动c a d 中涉及的理论基础、具体流程和实现方 法，结合工程设计方法和计算流体力学数值模拟技术，提供一个完整的轴 流风机气动c a d 系统的框架，在此框架上实现了单级，低速，小流量轴流 风机气动c a d 的整个设计流程。 本系统采用面向对象设计方法，使用模块化的构造方法。系统采用c + + 语言编写，并提供开放式接口，使系统易于完善和扩充。 关键字：轴流风机，气动设计，c a d l k k 一 a b s t r a c t c o m p u t e r a i d e d a e r o d y n a m i cd e s i g n f o r a x i a lf a n a x i a lf a ni saw i d e l yu s e df l u i dm a c h i n e a e r o d y n a m i cd e s i g ni st h ek e y s t e p i na x i a lf a n d e s i g n t h e r e a r e m a n ya d v a n t a g e s o fu s i n gt h ec a d t e c h n o l o g y i nt h ea e r o d y n a m i cd e s i g nf o ra x i a lf a n ，i n c l u d e i m p r o v i n gt h e e f f i c i e n t ，s h o r t e n i n gt h et i m e ，a n ds a v i n gt h er e s o u l a e t h ea r t i c l ed e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r ya n de n g i n e e rm e t h o du s e di nt h e a e r o d y n a m i cd e s i g n ，i n t r o d u c e s af r a m e w o r ko fc o m p n t ea i d e d a e r o d y n a m i c d e s i g np r o g r a mf o ra x i a lf a n b a s e do n t h ef r a m e w o r ka l li n s t a n c eo f d e s i g nf o r t h el o w p r e s s u r e ，s m a l lf l o wq u a n t i t ya x i a lf a ni si m p l e m e n t e d t h es o f t w a r ei sd e s i g n e db yt h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d ，p r o g r a m m e d b y t h e c + + l a n g u a g e ，a n dd i v i d e di n t om a n ym o d u l e s ，w h i c hm a k e t h es ”t e me a s i l y e n h a n c e da n dm a i n t a i n e d k e y w o r d c a d ，a e r o d y n a m i c ，a x i a l f a n 轴流风机气动计算机辅助设计 第一章绪论 轴流风机的特点和应用范围 风机的定义有广义和狭义之分。广义的风机是指流质为气体的气体输送机 械。狭义的风机是指升压小于2 5 0 k p a 的风机，包括风扇、通风机和鼓风机。本 文在具体分析讨论时所指的风机偏重于后者。 风机一般分为轴流式，径流式( 离心式) ，混流式三类。轴流风机，就是指 气体在风机内的流动方向大致平行风机的旋转轴，流面的形状近似同心的圆柱 面。相对与其它两种风机，轴流风机具有效率较高、流量大、重量轻、体积小、 结构简单、工艺方便等特点，而且它的安装和维护也比较简单。 风机是国民经济各行业中经常使用的一种流体机械，矿井、锅炉、空调系统 等一切需要通风的部门，都离不开风机。轴流风机的使用十分广泛，从厘米级的 集成电路芯片的散热风扇，家用的电吹风，电风扇和抽油烟机，到几万千瓦级的 高炉的鼓风机，都可以看到轴流风机的应用。就当前发展趋势来看，轴流风机有 更大的发展潜力。一是轴流风机可以达到更高的效率，二是轴流风机远没有离心 风机有那样齐全的规格品种。 轴流风机的气动设计方法 轴流风机的气动设计就是根据提出的风机的要求，包括主要的技术性能参 数，如流量、压力、工作温度等，有时还加上其他一些实际应用中的限制条件， 如转速、风机尺寸等要求，进行相关的风机内部的气体流动分析和计算，设计出 合理的风机结构，动叶和静叶的造型。一个好的气动设计方案还应该兼顾到生产 工艺性，运行效率等其他因素。 工程设计方法 由于风机内部有相问的动轮、静轮，而且叶片的翼型一般无法用简单函数描 述，气流通过的流道形状复杂，气体流动是非定常的，由此直接建立的数学模型 】 第一章绪论 较为复杂。即使作相当的简化，仍然无法得到通用的解析方法。因此在早期的工 程设计上常采用工程经验设计方法，即根据相似理论和已有的实验数据和图表。 依照经验公式，确定风机的基本参数，由此试制样机或模型，进行气体动力学试 验，由试验数据结果根据经验修改某些参数，当性能参数达到设计要求的范围内， 就可以认为完成设计了。由于要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，实验只 能在有限的范围内模拟，因而使实验研究受到了很大的限制。而且制造样机进行 试验代价商昂，改进检验较难。这种设计方法依靠专家经验，周期长，设计效率 低，设计周期也较长。 c a d 方法 在风机的气动设计中，借助计算机强大的运算能力，可以将设计过程中许多 重复的，繁琐的和计算量较大的部分交由计算机来完成，而设计人员关注于关键 性的设计步骤，这就叫做计算机辅助设计，英文的缩写为c a d 。 计算机辅助气动设计借助计算机对流体机械内部的流动进行数值模，在一定 程度上取代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模拟可提供 丰富的流场信息，为设计者设计和改进风机提供依据。近年来由于计算机软硬件 的发展，高速、大容量、低价格计算机的相继出现，计算流体动力学( c f d ) 的研 究和应用也取得了很大的进展，有限差分法，有限元以及边界元法等一些算法在 流体力学应用也取得了很多研究成果。数值模拟的可靠性、准确性、计算效率得 到很大提高，计算结果可以用来进行性能预测、内部流动预测、数值试验、流动 诊断等作用。 风机气动c a d 简介 轴流风机的气动c a d 具体内容就是根据进气条件以及设计工况点或额定工 况点处的流量与压头的要求，通过数值计算，确定轴流风机通流部分的形状与尺 寸，并且用数值试验进行优化选择，以代替多种方案的模型或实物试验进行优化 方案的选择。设计计算的出发点和归宿点都是反问题计算，也就是根据进气条件 与设计参数计算出相应的叶轮，外壳的几何形状和尺寸。正问题计算是对反问题 计算所提出的形状，进行流动状况的核算，以检验反问题计算中所采用的某种流 2 轴流风机气动计算机辅助1 幽寸 动状况假设的正确与否。经历过反一正问题计算过程后，又回到反问题计算，其 实是一个反正问题不断迭代，达到比较满意的结果，也就是能迅速的满足工程实 际的要求。 当前轴流风机的气动c a d 应用可以分为简单的c a d 应用和现代c a d 应用。 简单的c a d 应用 这里的简单是指c a d 系统中计算机参与设计的自动化程度而言的，并非 c a d 系统功能简单。由于计算流体力学的发展，许多新的流体力学模型和计算 方法不断涌现。一些流场的通用计算程序也已经开始商业化的使用。这时对于风 机中的部分设计，就可以由设计人员构造符合实际的物理模型和数学模型，调用 一些通用的流场计算程序或商业的流体力学分析软件进行计算，由于利用了计算 机的计算能力和已有的软件资源，使得设计周期缩短，设计结果更加合理，然而 这种计算机辅助设计对设计人员的要求还是很高，特别是建构模型和进行计算分 析，还需要很高的专业素质和设计经验，有时还要求较高的计算机编程水平才能 达到较好的结果。而且所使用的一般为国外大型的c a e 、c a f 软件如f l u e n t ， a n s y s 等，这些软件由于是通用分析软件，一般结构比较庞大，需要深入了解甚 至需要二次开发才能应用于具体领域，而且这些软件的价格极其昂贵。 现代的风机c a d 应用 随着计算机科学和计算流体力学的发展，c a d 越来越自动化、专业化。现代 的风机c a d 结合数据库管理、c f d 分析、甚至是专家系统和人工智能。用户只 要输入基本的性能尺寸参数，并选择计算机建议的设计模型，就可以由c a d 系 统自动生产一个原始的框架，并给出详细的流场中速度、温度、压力等相关数据 分布，并用直观的图表显示出来。设计人员可以改动并由某些数据，系统较快速 的将改动所带来的影响反馈给设计者。由于现代的c a d 系统拥有良好的用户界 面，数据管理和图形加工功能，对技术人员的要求可以降低。由于工程设计多方 面都相互联系、相互影响，现代的风机c a d 都提供良好的数据输入输出接口， 可以和造型、结构分析的c a d 软件结合使用，甚至可以与c a m ，c m i s 相结合， 让设计和生产制造相结合。 1 、 第一章绪论 风机气动c a d 的发展和现状 国内的风机气动c a d 研究 我国的风机c a d 的研究工作与国际先进水平的差距还很大大型生产企业 一般直接引进使用成熟的国外的c a d 和c f d 软件进行设计或改进，小型企业由 于技术力量薄弱，一般无力使用c a d 计算，只是进行简单的设计甚至是仿制成 熟产品。正如文献【1 l 】所述，由于中小型风机厂技术力量不强，并且一般都以 某几个拳头产品的生产为主、这就造成大型软件的许多功能都无法开发利用。所 以，应该走与高等院校、研究所合作开发风机设计软件的道路。其次，由于资金 不足，加上风机类产品的更新换代速度并不快，那么完全采用c a d 技术而投人 大量的资金，包括购买功能强大的软、硬件并为此支付不必要的培训及开发费用 是不切实际的。而科研院校注重于前缘或者复杂局部问题的研究和解决，科研成 果还不能系统的转变成为工程实用的c a d 软件。从国内公开的关于风机c a d 的研究文献可看出，一类关注于具体的问题解决或单个事例的解决方案，如叶片 造型。一类只是简单的将工程方法步骤直接映射为程序流程。 国外的风机c a d 研究 国外对风机的c a d 已经做了大量的工作，出现了许多用于商业应用的风机 c a d 设计软件，较著名的有以下几种软件。其中最优秀的是介绍的a e a 的c f x 系列软件。 a e a t e c h n o l o g y 公司c f x 流体动力学分析软件 该系列软件由很多软件组成，其中与风机气动设计相关的分别是c f x b l a d e g e n ，c f x t u r b o o r i d 和c f x t a s c f l o w 。 c f x - - b l a d e g e n 可以设计各种旋转和静止叶片元件，用户通过修改已有设计 或完全依靠c f x - - b l a d e g e n 中的工具设计新型叶片，适用于广泛的轴流和径流 叶型，用来设计轴流，斜流和离心风机叶片造型，可以通过内嵌的c f d 进行快 速粘性流体分析。c f x - - b l a d e o e n 可以设计各种旋转和静止叶片元件，用户通 过修改已有设计或完全依靠c f x - - b l a d e g e n 中的工具设计新型叶片，适用于广 轴流风机气动计算机辅助 殳计 泛的轴流和径流叶型，如导流轮、泵、压缩机、涡轮机、扩压机、涡轮增压机、 风扇、鼓风机等等。c f x b l a d e g e n 可设计曲面或直纹面叶片，具有线性或组 合斜角的前缘和尾缘，边缘外形可以很容易地从圆形修改到任意椭圆率直至简单 的直线。 c f x t u r b o g r i d 用于为c f d 分析的涡轮机械生成相应的叶栅通道网格。 c f x t u r b o g r i d 为设计者提供了一个非常简单易用而又高效的设计环境，力求简 化用户输入，所需用户提供的只是叶片数目，叶片、轮毂和外罩的外形数据文件。 它具有一个设计人员熟悉的二维b l a d e t o - b l a d e 视窗，消除了在三维透视图中因 视觉效果而导致的尺寸变形，并具有一个二维的子午面视窗，可用来观察流动通 道和叶片位置。用户设计网格时，通过控制面板以交互方式进行。c f x t u r b o g r l d 的预定义模板均是经过优化后的多块网格，并包含周期性边界条件。 c f x 一丁a s c n o w 是全世界第一套使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化 软件c f x - t a s c f l o w 使用基于有限元的有限体积方法，c f x t a s c f l o w 的g u i 符合工程技术人员的工程习惯。c f x - t a s c f l o w 还提供可编程的后处理手段，以 对计算结果进行二次处理。 c f x b l a d e g e n ，c f x - v o l u t e ，c f x t u r b o g f i d ，c f x t a s c t o o l与 c f x t a s c f l o w 构成设计到分析的完整系统，几何、网格、边界条件、后处理结 果完全是参数化的，因此尤其在许多类似方案需要做快速分析和比较的设计阶 段， c o n c e p t sn r e c 公司的a x 系列软件 a x 系列软件有a x i a l 、a x c a d 、a x i s t r e s s 等软件组成。 a x i a l 用于空气压缩机、透平机和泵的流场分析，提供多种工业标准的损失 模型，也可以采用用户定义模型。支持理想和半理想流体，也支持凝缩气体和用 户定义气体。 a x c a d 可以进行跨音速叶片到叶片间的准三元n s 的c f d 分析，流道分 析，标准损失计算和背离校正。 a x i s t r e s s 用于叶片的结构分析。 a x 软件可以与该公司的m a xa b 和m a x5 两个c a m 软件结合使用，直 接将c a d 的输出结果用于生产制造。 第一章绪论 t h e r m o f l o w 公司的g a s c a n + g a s c a n + 主要用于高级空气透平机的设计、分析和优化。g a n s c a n + 主 要关注于热力学方向。可以进行准三维的流线分析，可以计算冷却，最大物质温 度。冷凝流动问题。 轴流风机的气动计算机辅助设计 第二章轴流风机的气动设计原理和方法 风机内部流场的分析 风机流场的基本方程 风机内部的流动问题，在通常情况下都当作牛顿流体运动处理。根据流体力学 分析问题的方法，首先列出流场的基本方程式 连续性方程： 詈棚咖v ) = 0 或 丝+ 厕v ：0 d ， 运动方程： 丛：f 一土v 口 d t p 能量方程： 丛：堡+ 土鱼+ f c + m 口 d td t p o t 热力学第二定律： 丁堡：d q + ( b 口 d td t 。 状态方程： p = p r t 这五个方程组成了风机流场问题的基本方程组，这些方程中的许多参数的确 定和实际流动情况以及物理模型相关，因而也很难找到一个通用的方法，进行求 解。因此必须根据实际的工作问题，进行必要的合理的简化。 第二章轴流风机的气动设计原理和方法 风机内部流场的特点 风机内部有相间的叶轮，流道形状比较复杂，因而气流的运动也比较复杂。 风机内部气体运动的特点有： i 由于动叶轮的旋转，叶轮内流动必然是非定常的。 i i 由于流域的有限性和周期性，因而边界条件复杂、特殊，多样化。对于 一些风机在变工况运行，造成这些条件也在变化 i i i 流动中除了主流，还存在二次流，附面层等流动，这些流动互相干扰作 用明显。 这些流动特点造成基本方程都是非线性的，同时包含空间坐标和时间四个独 立变量，求解问题是一个非线性四维的问题。而且边界条件和初始条件也是及其 复杂的( 进出口条件、机壳形状，叶片的形状、动轮的相对流动与静轮的绝对流 动的交接转换等等) 。如果需要直接求解，在当前还是比较困难的。 风机流场简化理论 风机流场简化方向 在风机流场进行计算中的简化方向和主要措施为 1 方程线性化。 由于风机的特殊情况( 大弯度，大厚度叶片等) ，使一般航空机翼理论方 面的一些成功方法不可能很好地、广泛地发挥作用。只在轴流风机叶栅 问题中进行非常有限的应用。 2 设法使问题降维，即使其独立变量地数目减少。 比如在一定地条件下，气体相对与叶轮的运动是定常的，这样对时间的 求导为零，因而问题就从四维降为三维了。 3 对工质采用理想地简化模型( 无粘性地完全气体) ，使方程易于求解。 通常风机内部地雷诺数都很大，因而当流动无分离时，气体粘性的影响 着要只体现在贴近壁面的一层很薄的附面层内，因此在附面层外的主流 区，可以看着是理想气体的流动。这样就不仅可以比较容易地求出风机 轴流风机的气动计算机辅助设计 内气流地主要规律，而且也可以给附面层地计算提供原始资料，必要时 再另行考虑附面层内地粘性流动，得出相应地补充和修正。 常用的三元流动理论 目前，对于风机中通用的三元流动理论，按照所使用的简化条件，主要有： 1 无限多叶片理论 在这个理论中，假定叶片数目趋近于无限多，同时每一叶片的厚度趋向 于无限薄。这时介于两相邻叶片间的相对流面的形状趋近于叶片中心面 一致。而其上的流动参数的周向变化量也趋向于零，单叶片的作用通过 另行引入一个假想质量力场f 的办法来考虑，只需求出在这个极限流面 上的气流的解就可以了。 2 两类相对流面的普遍理论。 两类相对流面一般简称s l 和s 2 流面。这两类流面是这样形成地的，s l 面与某一个位于叶栅前或叶栅中的z 为常数的平面的交线近似是一个圆 弧：而s 2 面则大致与叶片的中心面或叶片表面相同。通过两类流面的适 当组合和交替运用，就可以把一个实际三元流的问题简化分解为两个分 别沿s l 和s 2 流面的相关的二元流动问题。 事实上，s 。面并非任意旋成面，s 2 面也可能根本不包括任何径向线或其 他蓖线，它们都是复杂的空间曲面。但是实际中可以假定s 是一些任意 旋成面，它的形状和厚度可以根据叶轮机子午面流道的形状来估计。通 过这个流面上的流动分析，可以找出气流参数沿轴向和周向的分布以及 叶片型线的影响，并且为s 2 面的计算提供原始数据。至于s 2 面通常只取 其中大致位于叶间流道当中的一个( 如s 2 。) ，其形状与叶片中心面相似。 通过对这个流面的分析，可以得出流场沿径向和轴向的分布，从而可以 分析予午面流道形线、叶片径向线位置、叶片的后掠和周向倾斜以及叶 片厚度分布对气流的影响，也为s t 面计算提供参考数据。 3 驱动盘理论 驱动盘理论是考虑叶片通道( 叶列) 中的实际流动模型。假定叶轮可以 用轴向厚度为无限薄的盘予代替，成为驱动盘。气流通过驱动盘会有切 第二章轴流风机的气动设计原理和方法 向速度的突出变化，并产生涡旋。驱动盘的远上游和远下游都保持着径 向平衡，但驱动盘之间的气流不一定径向平衡。与径向平衡方程一样， 也可以做出轴对称的假定。 驱动盘的近似解可以由假定尾缘漩涡位于环形通道的同心圆柱表面上来 得到。由于不能忽略径向速度，故不再满足流线表面的条件，而等于涡 线表面的条件。根据驱动盘理论即可确定驱动盘之间各点上的轴向速度， 如果选定了切向速度沿半径的分布规律，则可以计算气流再分布并设计 叶片。 4 直接解三元流的方法。 直接解三元流中比较成熟的是“准正交面法”。它是流线曲率法的推广， 在求解域中适当作出一族准正交面，对每个准正交面，分别沿两个准正 交方向列出一维的流速梯度方程各一个，再与一个积分形式的流量方程 联立求解。首先假定三元流场的流线分布，并用样条插值法求出流线倾 角及曲率初次近似值，对每一准正交面，假定某一点的流速后，即可沿 二维正交向分别积分两个流速梯度方程，求出此准正交面上的流速分布， 然后利用积分型流量方程就可逐步修正原假定的初速度。然后按流量分 布进行反插，可以得到新的流线位置。这样可以重新进行上述计算，直 到收敛为止。这样就将一个三元流问题近似为许多个相关的一元问题来 迭代求解。当前最新的研究也提出些直接解风机流场中的三元n s 方 程方法，但是这些方法一般采用模式理论，其中参数的选择也需要借助 于工程经验，还没有形成一个完善统一的通用方法。 常用的数学方法 风机流场计算除了极少数特例外无法得到数学解析解，因而运用合适数学计 算方法对于求解风机流场问题十分重要，常用的数学方法有： 1 ，有限差分法 有限差分法是求解流体力学问题的最常见的方法，它的基本思想是先将 求解域划分一定的网格、再采用适当的差分格式将气动方程组离散化， 将方程转换为一个代数方程组，用直接或者迭代法求解这个方程组就可 轴流风机的气动计算机辅助设计 以得到需要的解法。 有限差分法研究的历史比较久，理论上比较严密，发展的比较完善。有 限差分法的适用范围也比较广。但是有限差分法对于网格的划分要求较 严，特别对于风机流动网格的选择和变换比较复杂。它计算时要求的计 算机内存量大，计算时间较长，程序比较复杂。 2 有限元法 有限元方法的基本原理就是将求解区域进行离散化涪4 分为若干个相互 连结而又不重叠的、定几何形状的子区域，这样的区域成为单元。有 限元法在单元体中选择基函数，单元求解函数用单元基函数的线性组合 表达式进行逼近，再将近似函数带入积分表达式，形成单元有限方程组， 称为单元有限元特征式。将区域中所有单元的有限元特征式按一定的法 则进行累加，形成总体有限元方程。代入边界条件进行修正，最后求解 这个总体有限元方程就可以求解出所需的物理量。有限元法网格多样， 大部分问题可以用简单的网格，因而解题自动化程度商。而且可以对局 部进行网格加密，可以适用于复杂边界形状的问题求解。 3 边界元法 边界元法是继差分法和有限元法之后发展起来的一种数值计算方法。它 把求解域上的问题化为边界问题，使问题的维数降低，将微分方程化为 积分方程，数字方法比较简单有效。由于它只要求在求解域的边界上进 行离散，得到的线性代数方程组未知量也只在边界上，它利用了方程的 基本解。这种方法求解的方程组要比有限元法小的多，所需计算存储量 和工作量较小，计算精度较高。 4 有限体积法 有限体积法实质上也是差分方法，一般的差分方法是从微分方程离散， 而有限体积法是从积分方程进行离散，对空间某一控制体建立差分格式。 因为应用积分方程求解时使偏导数低一阶，又由于采用控制体易于体现 方程的守恒性，可应用较少的网格取得较高精度的计算结果。 5 流线迭代法 流行迭代法也叫流线曲率法，是流道法的一种变种。它的主要特点是利 第二章轴流风机的气动设计原理和方法 用流线的曲率和斜率作为迭代的直接手段，并把一个二元( 或三元) 流 问题近似简化为一系列互相关联的一元流动问题来迭代求解。 该方法物理概念清晰直观，程序相对较简单，要求内存少，但是由于流 线曲率很难算准，故导致计算的不稳定，影响解的精度。而且原则上不 适应求解超音速流动或跨音速流动。 6 矩阵通流法 矩阵通流法又称流函数法，是将主要的气动方程化成流函数，并用矩阵 法来进行求解。它考虑到每对叶列之间的流动以及将气体状态进行周向 平均以消除与时间的关系。它的基本思想是，将求解区域划分为一定的 网格，通常为斜交网格。然后根据通流分析，得到通流基本方程，然后 进行离散化，得到一个代数方程组：a u = f ，因而利用矩阵法即可解 的方程的通流解。矩阵通流法的优点是理论上比较严密，原则只要加密 网格就可以提高解的精度，特别是与时间相关法相结合，可以处理跨音 速和超音速的问题。但它的计算比较复杂。 这些方法中前四种方法是通用的流体力学求解方法，因而对于风机计算 需要采用合适的设计理论模型进行简化，而后两种方法是根据风机理论推导 的方法，它在具体的计算过程中还是结合了前几种方法进行求解。 本系统采用的理论和数值方法 本c a d 系统中，我们采用两类相对流面理论，因为考虑到它具有很大的普 遍性和灵活性。可以较方便地处理风机内的三元流动的问题。具体的数学方法采 用有限元法。由于有限元法可以适用于复杂的边界条件的问题。而且有限元方法 的对于不同问题的思路和基本流程是一致的。针对不同问题，大部分的模块都是 相同的。因而使系统的柔性和扩充性大为提高，使本系统容易维护和升级。对于 具体的理论和方法，我们在系统的具体实现的相关章节详细介绍。 轴流风机气动计算机辅助设计 第三章风机气动c a d 的结构 风机的气动设计来说，显然应该是一个反问题求解过程，但是由于从已知速 度分布来求解几何参数在数学上较困难，而且求解出来的几何参数如叶片形状无 法满足工艺等生产制造方面的要求。而正问题的求解相对其他问题比较简单，通 常在设计过程中采用方法如下：先确定原始的几何参数，然后用正问题求解流场， 将结果与设计要求相比较，如果结果在设计范围许可条件内，即可以认为完成设 计，如果不满足，则需要修改参数，重新校核，直到满足要求为止。在借鉴和参 考国内外有关的文献和己经投入使用中的商业软件。本c a d 系统采用以下的设 计流程。 轴流风机气动c a d 的基本流程 1 ) 用户输入风机基本的性能要求和尺寸要求，系统根据经验公式或从数据表中 检索，给出其他设计参数值或者推荐值，根据用户选择或定义的流型，生成 风机设计的气动数据。 2 ) 系统读入气动数据，利用经验公式和吹风实验数据，计算叶片的空间扭曲分 布，生成叶片造型数据。 3 1 系统根据造型数据，确定风机气流的流道区域，进行风机流场计算分析。 4 ) 设计者根据计算结果，分析风机性能，并可以回溯到前几步，修改相应参数， 进行新一轮的设计计算。直到设计者认可为止。 这个流程可以用图3 1 来表示 系统组成 本系统采用模块化设计方法，这种方法可以将整个复杂的c a d 系统划分成 各个相对简单的易于处理的部分，每个模块可以独立理解、编写、调试、查错和 修改、以及维护。根据上述的流程，本系统基本上可以划分为四个主要功能模块。 这四个功能模块分别是 1 3 - 第三章风机气动c a d 的结构 一 风机参数设计模块 叶型设计模块 流场分析模块 辅助工具模块 图3 1 系统流稗 图3 2 来是用系统组织图来表示这些模块。辅助工具模块是一些如文件格 式转换之类的一些小工具的集合，并不是一个很明确的模块。其他模块在相 一1 4 轴流风机气动计算机辅助设计 应的章节专门详细介绍，这里就简单略过。 模块问的通讯采用文件的形式，不仅可以减少模块间的依赖程度，通过 格式转换，这些数据还可以被其他的c a d ，c a f 软件使用。 开发平台的选择 图3 2 系统结构图 开发语言上，本系统选取c - l + ，因为c + 十是一个面向对象的语言，适合开发 大型、系统性的程序，它的面向对象特性中的类封装概念可以使得程序公开的功 能调用接口和内部具体实现的细节分开，继承和多态性使得程序员在最初的只需 制定好一个框架结构后，就可以在编改具体代码或者增加新的功能而基本上不影 响原有的系统结构。用c + + 编写的代码更易于理解，易于维护和扩充：而且c + + 是高级语言中执行效率最高的语言，对于计算量较大的程序，c + + 编写的代码执 行时间相对其他语言编写的程序较少：c + + 同时可以使用现有的很多的c c + + 语 言编写的科学工程计算库，减少代码编写的工作量：另外c + + 编写的程序易于移 植，可以在多种操作系统平台上编译运行。 本c a d 软件的运行平台选用w i n d o w s ，因为w i n d o w s 是使用最广泛的操作 系统，人机操作界面简单友好。 第三章风机气动c a d 的结构 本系统的开发工具选用b o r l a n d 公司的c + + b u i l d e r 。因为c + + b u i l d e r 不仅 是一个高效的，对c + + 语言中新的特性支持最多的编译工具，而且它是优秀的可 视化应用开发工具，它把编程人员从编写大量重复的界面代码工作的解放出来， 界面采用可视化设计，编程人员可以简单快速的设计出良好的用户界面，这样使 开发人员可以将注意力主要集中在程序设计上。c + + b u i l d e r 还提供良好的代码 编辑器和调试工具，使得编程效率大大加快。 轴流风机气动计算机辅助设计 第四章基本参数设计模块 设计原理和流程 基本设计参数： 风机设计的基本参数有流量q 、全压p ( 或静压p 。t ) 及工质的介质密度p ， 流量： 风机中的流量是指单位时间内通过风机给定界面的气体数量，流量可以 用容积流量q ( d r a i n ) 或者质量流量m ( k g m i n ) 来表示。在本文中选用 容积流量q 全压： 风机的全压p 的定义根据公式( 4 1 ) 户：p ( 日一耳) = p 2 - p ，+ p 霎一p 害 ( 4 1 ) p ，岛风机的进出口压力 c ，o _ 风机的进出口速度 密度： 风机中的工质一般设定为标准状态的空气，即进口温度2 0o c ，密度j 。 为1 2 k g 分的空气状态。如果工质的温度不是标准温度，可以由公式( 4 2 ) 得 到实际的工作的空气的密度 纠2 罴( k g m 3 ) ( 4 _ 2 ) f 空气的工作温度 根据这些基本参数可以估算出风机的功率，考虑安全系数后可求得电机 的功率，选定电机的型号后，针对同一型号的电机对应的若干种转速，根据 历史经验选取合适的转速，或者将这些转速分别设计，根据最终结果来选定 第四章基本参数设计模块 合适的速度。 无因次参数 在风机设计中，为了利用相似理论设计，或者使用一些经验公式或实验 数据，还需要将参数无因次化，主要的无因次参数有：流量系数，压力系数 以及轮毂比的选择。 流量系数仍和压力系数 定义是 虬为叶轮顶端初的圆周速度；眨为轴向速度，它由流量q 决定： q = 三研( 1 一y 2 ) k ，。为轮毂比( 见下文) 。 流量系数用来表征基元级的流通能力。一般，风机的级的各个半径上的 流量系数是变化的，比如平均半径处的流量系数函k 为o 5 o 7 5 ，叶顶处 帕沩吣 0 6 0 椭数斛蟓肿。轰糨礅僦鲧觏当 圪沿半径不变时，显然有矿= ( 1 一v 2 ) 破。 。：盈 d 有时轮毂比也用孑来表示 轴流风机的流量系数仍和压力系数”的范围由以下的图表所定。 ( 4 4 ) 轮毂比u流量系数仍压力系数” 0 5 o 80 2 o 40 2 o 7 h 老 = 詈惫 1 1 = 竹 ” 轴流风机气动计算机辅助设计 比转速 比转速是一个无量纲量，在叶轮机械中通常使用比转速来进行相似设计 或者选择所需要的机型。它通常以单进气的一个级作为定义单位，对于进口 容积流量为q ，能量头上升为a h s t 及转速为”的级来说 比转速璩定义为 式中 一般国内常采用的比转速为= ”q i 百1 2 ( 4 5 ) 对于轴流式叶轮来说，如果不考虑级中轴向速度的变化，仅为轮毂比 u 的函数，随着瑰的减小而u 的增大。当1 ) 0 9 0 9 5 时，叶高的减少流动 摩擦损失激增，效率将下降很快，所有对于轴流叶轮其比转数应该有一个最 小值的限制。反之当增大u 会减小，但过小的u 使得风机的结构上不合实 际使用，为此，通常保持一定的u 值。一般来说单级轴流风机的比转速可以 在为1 6 1 0 0 之间，但是为了满足较高效率，常用的范围是2 0 5 5 。当比转 数不在这个范围，就应该考虑其他类型的风机，比转数和机型选择的关系详 见文献【2 】。 具体参数计算 1 确定叶轮直径及转速( 根据用户提供的参数来选择使用方法) 叶轮外径有时是用户指定的。若未给定可以用以下公式计算 d ，：6 0 k ：一( 4 6 ) 7 z i 其中e 是经验系数，与比转速有关，由( 4 7 ) 式的经验公式获得结果 第四章基本参数设计模块 胁：华+ i 0 2 3 0 9 ，8 3 ( 4 7 ) 也可以使用压力系数，流量系数和流量公式，以及圆周速度 址= r c d ，n 6 0 ，联立求解可得到叶轮顶端直径d ，为 n 2 0 9 u 2 而i 其中o = q 6 0 2 i s ) ( 4 8 ) 同样可以求解出叶 页圆周运度和转运 驴厩 。， 肛1 石d “ 2 计算平均轴向速度k v = 望： ( 4 1 0 ) 三珥( 1 - v 2 ) 从流量q 和轮毂比可得到轴向速度 3 风机效率 叩= 巩仉 ( 4 1 i ) 巩为流动效率，一般取0 8 5 0 9 5 为机械效率，通常为0 9 8 0 9 9 矾为容积效率，它表示叶轮因顶端存在0 5 3m m 间隙等产生的外泄漏 损失。 驴e x p 卜筹( 3 1 - 8 1 - - 葛- ) ( 4 1 2 ) d 为机壳内径，j = ( d d ，) 2 为叶轮顶端间l a , ，有时r 。，也可以简单的用阻 厣 轴流风机气动计算机辅助设计 塞系数作概略的估计：仉= l l c 4 理论能头的h 。确定 由伯努利方程可以得气体能量头为： h = p i p + v ：2 + 曩 ( 4 1 3 ) 式中： v 0 = q ( 三研) 为进口损失的大小 心= h ( r l a ) 式中： a 为作用系数，它表示机壳壁面及轮毂边界层使速度变形所产生的影响， e c k e r t 实验给出它与轮毂比的关系。 5 选择流型( 径向平衡条件) 使用平面叶栅理论进行轴流风机设计，就是将叶轮沿着与轴同心的圆柱 n n n 开- ，此时需要决定任意半径r 处的圆柱面内的进出口流动形式。流动 形式通常用周向速度k 沿半径方向的分布来表示。 轴流叶轮的流动形式主要有以下几种 ( 1 ) 自由涡流型( 等环量) v 目= k i r ( 4 1 4 ) ( 2 ) 任意涡流型( 变环量) v 目= k r “ 一1 ( 4 1 5 ) ( 3 ) 等反动度流型 v 。：口r 一一b ：d ，+ 一b v ( 4 1 6 ) v 们= 口r 一一，0 2 = 口，+ 一 q l u ， 式中a ，b 为常数， g n a = o ) 2 的反动度为5 0 的反动度流型 ( 4 ) 半涡流型 v ：口r + 鱼 ( 4 1 7 ) v 目= 口r + 一 l 号。 第四章基本参数设计模块 ( 5 ) 等出口角流型 2 口v ：2 ( 4 1 8 ) 在这些流型中自由涡流( 等环量级) 和任意涡流( 变环量级) 两种设计方法最 常用。对于大轮毂比( v o 5 ) 轴流通风机采用自由涡流设计方法能够取得令 人满意的结果。而小轮毂比( v 0 5 时，则用, a c l 校核过。 1 0 计算断面参数分布 根据流型的选择和上述计算，就可以计算截面的周向，轴向的绝对速度和相 对速度，从而计算出进口气流角，出口气流角，气流转折角等气流参数，根据这 些气流参数和实验资料就可以进行翼型的选定和叶片背面和腹面坐标的计算。 编程实现 在这个模块中，需要完成下列任务，根据用户输入的数据得到风机气动设计 第四章基本参数设计模块 的其他变量和一些中间设计变量。并将这些数据保存到文件中。在设计过程中对 于一些需要用户选择和指定的数据时，系统给出相应的参考值或者限制范围。对 于有些重要的设计数据，系统还可以给予效验，如果系统认为偏差较大，会予以 提示或警告。 本模块中主要的涉及的类是，a x i a lp a r a l t l ，a x i a lp a r a m u i ，b l a d e p a r a m 其中a x i a lp a r a m 用于参数计算，记录轴流风机的基本设计参数，它的方法用于这 些参数的选择或者参数问的相互换算。b l a d e _ p r r a m 类用于存储在某个半径处的 气流参数，a x i a lp a r a mu i 用于界面的显示，这样可以将功能和界面隔离，编程 时修改相应的类时，就不会影响其他类，就是说当使用新的算法，或者好的方案 时，可以不影响用户原有的使用习惯，同样，也可以让没有风机知识的专业的界 面设计人员来对a x i a lu i 进行修改，使得人机操作界面更有效、舒适。使用文 件与其他模块进行通讯，在后续版本中对其进行扩充，使得该系统可以读取和输 出其他格式统的文件，可以和其他c a d 、c f d 等软件结合使用。 a x i a lp a r a mu i 对应的窗体我们简称为u i 窗体。u i 窗体的第一页如图4 1 所示。 图4 1 用户参数输入窗体 默认情况下，实际参数的输入框是有效的，用户可以输入设计要求的流量和 轴流风机气动计算机辅助设计 全压要求，如果采用相似性设计方法时，用户选中系数参数选择框，此时流量系 数和压力系数对话框有效，用户可以输入对应的值。 风机的直径和转速也是由用户输入的，如果用户直径还没有限制，点击“? ” 按钮将出现推荐的直径值。风机的流体默认是标准状况下的空气，如果使用工况 的实际温度不是温度，则可以选择实际温度或输入当前流体的实际密度。 当这些条件确定以后，用户可以点击完成按钮。程序就会自动跳入下步骤 “推荐选择”页，如图4 2 所示，在窗体的左侧将给出一些设置辅助参数范围， 用户通过拖动滑杆来选择自己需要的实际参数，使用拖动滑杆是为了保证用户设 置这些参数在合理的范围内。 图4 2 辅助参数的推荐选择 窗体的右侧是流型的选择和式样的确定，本辅助设计使用简单的径向平衡理 论，用户输入需要计算的截面数和流型和式样( 默认是等环量无导叶设计) ，计算 出各个截面上的气动参数，可以绘出选择截面上的速度三角形，可以进入截面参 数页和截面速度图页来查看截面的计算结果，红色的是进e l 速度分布，绿色的为 出口速度分布。将这些数据修改后存盘，供叶片造型模块使用。( 参加图4 3 ， 图4 4 ) 第四章基本参数设计模块 图4 4 截面速度图页 2 6 轴流风机气动计算机辅助设计 第五章叶型设计模块 在这个模块，需要完成的任务是，读入总体参数设计模块的生成的截面气动 数据，通过对基元级进行分析并使用叶栅资料进行经验设计，在这些不同半径处 的截面，计算设计出每个界面上的翼型的具体几何参数( 叶面坐标) ，这些截面 参数相结合就可以构成整个叶型的空间分布参数。 设计原理 速度三角形 通过上一个模块的计算可以得到轴流通风机任意流型的子午面解，可解得各 流面上的叶片进、出口的子午速度圪 ，周向分速度和圆周速度，、地， 根据进出口的速度三角形图可得 图5 1 风机进出口速度三角形图 留届= ( 蝎一i ) 叱1 ，t g 屈= ( “2 一2 ) 匕2 ( 5 - - i ) 得到满足设计流量q 和压升一尸要求的气流角bj 和b2 后，就可根据已有的 叶栅资料决定叶片基元级的几何尺寸。由于叶栅试验方法和其数据整理方法的不 同，从而有不同的叶栅资料图表及相应的计算步聚。因此，在利用叶栅资料进行 2 7 第五章叶型设计模块 轴流通风机的计算机辅助设计时，有必要先对已有的试验资料进行比较，然后决 定取舍。 叶栅数据 常用于叶栅设计的实验数据有孤立翼型吹风实验数据和平面叶栅吹风实验 数据，孤立翼型数据是基于单个固定叶型( 即中线和相对厚度分布一定) 吹风试验 得到的，表达形式是升力系数与攻角之间的关系。由于风机中由于相邻叶片的影 响，气流在叶栅中受到转折，实际翼型的升力系数不等于孤立翼型吹风实验的数 据，使用一组相同的平行的叶片进行排吹风实验，测量时选取最中央部位的一二 个叶栅通道，测取叶片中间截面处的气流参数，这就是所谓的平面叶栅法。通常， 叶片数目较少，压升不大，栅距大情况下用孤立翼型设计法效果较好，而对于叶 片数目较多，压力较高，栅距小情况则采用平面叶栅设计法效果较佳。 用于风机设计的叶栅资料【2 】一般表示为叶栅进、出口气流角，叶栅稠度 等参数之间的关系。比如霍维尔叶栅资料，就是将额定气流转折角4 表示为额 定气流出口角鼻? + 和叶栅稠度b t 的函数筇= f ( b t ，度) ，它一般用下图来表示 i 。 6 i j l j 髟 - - 2 m 11 彩钐 膨夕 孝荔 巴 吼i 6 o 5 雾多 ， ， j 柏 宵 图5 - - 2 霍尔维叶栅资料 轴流风机气动计算机辅助设计 n a c a 一6 5 叶栅资料是在霍维尔叶栅试验之后，由美国航空咨询委员会 a c a ) 进行了大量而系统的吹风试验得到的。把n a c a 平面的试验结果运用到 实际三元流动的压缩上，根据n a c a 的实际的低速单级试验，将测得的结果与平面 叶栅的试验结果进行比较，发现在设计点条件下，气流转折角、压力分布与平面叶 栅的试验结果很是一致，在设计攻角以外的情况下，动叶流道由于二次流的影响 比较明显，气流转折角及压力分布与平面叶栅的试验结果存在明显的差别，在改 变相对栅距、叶片安装角并改变流量的试验中，可以得到如下结果：动叶气流转 折角、静压总压系数、效率都在沿叶高相当宽的范围内与时