【《某涡轮电机的流体仿真优化分析案例》2500字】

某涡轮电机的流体仿真优化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12205某涡轮电机的流体仿真优化分析案例 136451.1CFD技术介绍 192861.2基于Flowsimulation的流体仿真 161931.3Flowsimulation求解及结果分析 3309291.3.1不同叶片数对扭矩等参数的影响 3180431.3.2不同叶片数对管道流速和压力的影响 61.1CFD技术介绍CFD是（ComputationalFluidDynamics）计算流体力学的简称，是计算机科学和流体力学相互交叉融合的一门19世纪末出现的新兴学科，本门学科是从计算方法出发，目的是利用计算机快速而准确的计算能力得到运动流体的控制方程的无限接近的近似解。以前最开始应用计算机辅助软件这项技术的行业是航空航天领域和汽车设计制造业，后来随着CFD技术的完善与电子计算机和信息的普及，其他行业各领域也开始应用计算机辅助软件进行静力学和动力学的分析，计算机技术的兴起带来了对于计算流体力学这一概念的提出[31]计算流体力学的基本特征是设置数值模拟和计算机搭建仿真环境进行实验，该技术从最基本的宏观物理定律出发，在很大程度上替代搭建真实的耗资巨大的流体动力学实验设备，可以节约很多资金消耗，所以该软件在科学研究和工程技术的仿真分析上产生了巨大的影响。由此可见CFD技术具有很强的适用性和经济效益[[]王福军.计算流体动力学分析:CFD[]王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004CFD的相关技术在21世纪得到了飞速的发展,现在市面上商用的CFD软件种类繁多复杂，比较常用的CFD软件有FLUENT、Star-CD、CFX、NUMECA、PHOENICS等[[]钟英杰,[]钟英杰,都晋燕,张雪梅.CFD技术及在现代工业中的应用[J].浙江工业大学报,2003,31(3):284-289.1.2基于Flowsimulation的流体仿真使用Flowsimulation进行流体仿真有如下步骤：第一步首先要建立流道仿真模型，除去对流体影响不大的零件，本次流道模型如图1.1所示。图1.1涡轮流域模型图第二步要确定计算域，当创建向导，导入模型时，系统会自动计算并生成合适的计算域，如果计算域未覆盖全部模型，可手动输入或拖动箭头来改变计算域的大小。图1.2调整计算域第三步选定旋转区域，在此之前建立模型时，可创建一刚好包围涡轮的管道区域，此时选用该区域，则该区域为旋转区域，接下来可根据不同的初始条件来设置其旋转的角速度数值和旋转方向。图1.3设置旋转域第四步确定边界条件，Flowsimulation的流体仿真分为内部流体和外部流体两大类，此次是内部流体，所以其边界条件为进口流量，根据初始条件设置其进口流量为15L/s，出口条件设置为静压，壁面条件设置为理想壁面。图1.4设定边界条件第五步为设置求解目标，全局目标位为轴向力、速度、压力、扭矩、压差（即压降）可设置目标方程涡轮进口面压力减去涡轮出口面压力。第六步为划分网格，该模块的网格划分分为全局网格和局部网格，而网格质量的好坏直接决定了求解的速度和准确度，所以局部网格的质量（涡轮旋转区域）要优于全局网格质量，这样既兼顾了求解的准确性也减少不重要结构的高网格质量对求解时间的影响。本次总共划分网格数为252669个。图1.5网格划分结果1.3Flowsimulation求解及结果分析由以上章节分析可知，涡轮的各项参数都对其性能有所影响，本文只考虑叶片数对涡轮的性能影响。在不改进导轮的情况下，本文导轮的结构采用与初始涡轮相对称的结构，在该种情况下，以下是各叶片数对涡轮各项性能的影响结果。1.3.1不同叶片数对扭矩等参数的影响由图1.6可以分析得到，不同叶片数的涡轮随着速度的变化，其扭矩变化趋势各不相同，其中变化跨度范围最大的是5叶片数的涡轮且变化趋势最为异常，这可能是其叶片数较少，导致其流道划分不明显从而使得冲击叶片时，流体动能转化为轴向力更多，转化为扭矩的更少。随着转速的增大，对叶片的挤压也更大，使得扭矩增大。7、11叶片数的涡轮扭矩都是先增大再减小然后转速达到900转以上后，其变化趋于稳定。9叶片涡轮的扭矩随着转速的提升也缓慢平滑的增大，而且9叶片的扭矩变化最为稳定。图1.6不同转速对涡轮扭矩的影响由图1.7可以看出涡轮的轴向力随着转速的不断提升呈增长趋势。其中5叶片数涡轮在各个转速下相比较都是轴向力最大的，而11叶片的变化较为异常，7、9叶片的涡轮轴向力变化较为平稳，随着转速的增大轴向力缓慢增大，其变化趋势基本相同。但9叶片数涡轮扭矩在相同转速下轴向力更小。图1.7涡轮扭矩随转速变化由图1.8可以看出各叶片数的涡轮水力效率随着转速的增大而增大，其变化基本呈相同趋势。水力效率在转速为1100转以下时，先随着转速的增大而增大，然后在1100之后的变化趋于平缓。其中9叶片涡轮的水力效率在1100转至1300转时有少许下降。5叶片数的涡轮在任何转速下其水力效率都是最低的，这是因为5叶片数涡轮的叶片数少对水的能量利用率低，9叶片数的涡轮水力效率最高在1100转左右达到最高的水力效率超过了65%，高于以上第三章在计算结构尺寸时所预设的60%的效率值这也说明本文所设计的井下涡轮电机结构合理。图1.8涡轮的水力效率随转速的变化由图1.9可以看出涡轮的压降随着转速的提升显示平缓的增大，在700-1100转时明显增大，1100转之后又是缓慢增大。5叶片数的的变化异常情况最为明显，9叶片数和11叶片数的涡轮压降变化最为平缓。图1.9涡轮的压降随转速的变化1.3.2不同叶片数对管道流速和压力的影响转速为1000r/min时，由图1.10可以看出流体进入该区域分为两部分运动，一部分是在涡轮流道对叶片进行冲刷，这里由于横截面小所以相对于非涡轮区域流速要快，而另一部分在非涡轮区域横截面积大流速相对较慢。其中5叶片数和7叶片数的涡轮流道形成更多的涡流，所以流体动能损耗大，但转化效率低。而叶片数更多的9叶片数和11叶片数涡轮可以更好地将流体所具有的动能转化为所需要的机械能。其中9叶片数涡轮转化效率更高。（a）5叶片数（b）7叶片数（c）9叶片数（d）11叶片数图1.10不同叶片数涡轮管道速度云图在涡轮的转速为1000r/min时，通过图4-11可以看出涡轮所在处的管道压力相对于无涡轮处的压力较大。并且由于在涡轮叶片流道中产生了一定的涡流所以压力分布不均匀，其中5叶片数和11叶片数的管道压力分布不均匀程度更为明显。7叶片数涡轮和9叶片数涡轮只有流体在进入涡轮流道处表现出一定的压力不稳，其余地方管道压力分布比较均匀。（a）5叶片数