本文是一篇硕士论文，硕士论文是攻读硕士学位研究生所撰写的论文。它应能反映出作者广泛而深入地掌握专业基础知识，具有独立进行科研的能力，对所研究的题目有新的独立见解，论文具有一定的深度和较好的科学价值，对本专业学术水平的提高有积极作用。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇硕士论文，供大家参考。
1 绪 论
1.1 研究背景及意义
随着时代的发展，科技的进步，需要越来越多的通用机械。而风机的作用非常广泛，它可以用于对气体进行压缩或者对气体进行运输传送，基于以上作用它在现代工业中被广泛的使用[1]，因此其属于一种通用机械。根据风机的结构形式的不同，一般将风机分为两大类，一类是轴流式风机，另一类是离心式风机。而对于叶片数较多的离心式风机，称之为多翼离心风机，本文研究的就是此类风机。它的工作原理是：通过电机带动电机轴的转动，从而带动多翼离心叶轮的高速运转，以此产生较大的吸力，使得气体从轴向吸入，径向排除。因此它有着压力系数高、流量系数大、噪音低等优点。为了衡量风机的性能，一般观察风机的三个参数：进出风机的流量、风机进出口的静压差以及风机运行过程是产生的噪声值。对于油烟机（本文所研究的前向多翼离心式通风机），通常希望在相同的压力下，吸油烟效果更好，因此，本文选取流量作为优化目标，而由于该风机最高效率工况不一定就是风机的实际运行工况，往往会有所偏移，因此，在优化是不仅仅需要提高最高效率工况流量，还需兼顾小流量以及大流量工况，于是采用加权的方法进行优化设计。以上三个参数都取决于风机通道的流畅性，其中风机叶片型式对整机的效率和风量起着至关重要的作用[1]。受到该风机结构影响，气流分布不均，前后盘流动有很大差异，气体在叶轮前盘附近的流动以轴向流动为主，在后盘则转化为径向流动[2]，于是在前盘往往会产生分离涡，而且叶道内会产生受到进口角影响的叶道涡，为了改善这种状况，采用对不同叶高处叶型重新设计的手段，以满足不同进口角适应不同叶高处的条件。
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1.2 国内外研究发展现状
随着科技的进步，越来越多世界业内学者深入研究了多翼离心风机的实验方法和数值模拟方法，也提高了风机的效率，为设计高性能的多翼离心风机作出了指导意义。多翼离心风机的内部是非常复杂的多维流动，为了能更加有效性的提升整机的性能，需要对其内流场构造有较为清晰的认识。而研究风机内流场主要有两种方式，一种是实验方式，例如 PIV 实验，该种方式所测得的结果较为可靠，而且能直观观察，但是受限于技术条件，对于某些细节无法较好的测量，而且需要消耗大量财力；另一种是数值模拟方式，例如 CFD，该种方式能准确捕捉风机内部流动细节，提高风机优化设计的效率。
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2 多翼离心风机数值模拟理论
多翼离心风机以其压力系数高、流量系数大、噪音低等优点被广泛应用于油烟机等民用领域。随着计算流体力学（CFD）的发展，为流体机械的设计提高了很好的契机。CFD 技术的使用，与传统的实验方法相比，节约了资源，缩短了设计优化的周期。本章主要对计算流体力学（CFD）的基础理论进行简单介绍。
2.1 流体运动基本控制方程
流体在运动过程中需要遵循一定规律，经过无数前辈学者的归纳总结，主要分为四大规律：首先，运动前后质量不变，这就是质量守恒；其次，运动前后能量不变，这就是能量守恒；再次，运动前后动量不变，这就是动量守恒；最后，对于湍流状态运动的流体，还有湍流输运方程。
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2.2 湍流数值模拟方法
受到湍流两大特性：第一个小尺度、第二个高频率的影响，直接对其进行模拟会对计算机有较高的要求，为了节约计算机资源，并考虑到瞬时湍流控制方程时间和空间上的均匀性，人为的改变湍流的尺度，简化以后的模拟方法主要有三种，分别是第一种直接模拟法（DNS），第二种大涡模拟法（LES）以及第三种雷诺时均方程法（RANS）其中雷洛平均法可以用于工程计算这些模拟方法使得计算量大大降低。雷诺时均方程法（RANS）是使用非稳态的纳维-斯托克斯方程对湍流流动进行数值分析计算时，只需将非稳态的纳维-斯托克斯方程的时间项进行平均处理，在建立另外的模型，使得方程组能够求解，这就是著名的雷诺时均方程法。这种方法的产生，比大涡模拟的方法更节约计算资源，可以更好的运用到工程问题上，基于以上有点，其被广泛应用。为了对雷诺时均方程进行求解所引入变量不同，产生了两类求解方法，一类是雷诺应力方程法，另一类是湍流黏性系数法。
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3 多翼离心风机的数值模拟
3.1 风机基本参数...........（17）
3.2 数值分析方法...........（20）
3.3 原风机数值模拟结果分析...........（25）
3.4 本章小结.........（31）
4 扭曲叶轮对多翼离心风机性能的影响
4.1 叶片扭曲设计概念的提出...........（33）
4.2 叶片扭曲设计正交试验.....（35）
4.3 叶片扭曲前后的实验研究...........（42）
4.4 叶片扭曲前后性能分析.....（44）
4.4 本章小结.........（53）
5 总结与展望
5.1 总结........（54）
5.2 展望........（55）
4 扭曲叶轮对多翼离心风机性能的影响
为了改善由于进口角造成的叶轮前盘的二次流和叶片吸力面的分离涡，对多翼离心叶轮进行不同叶高处叶型重新设计。本章首先使用提出叶片扭曲概念以及关键参数，然后合适的正交试验表进行试验安排，通过数值计算得到各工况下流量并进行加权处理，确定最优方案；最后通过打样试验，并分析最优方案的内流特性。
4.1 叶片扭曲设计概念的提出
传统多翼离心风机叶轮一般采用圆弧叶片，其叶道内气体流动如图 4-1 所示，对原机进行数值模拟，其 XZ 轴截面流动如图 4-2 所示，叶道内流动如图 4-3 所示：从图 4-1 中可以看出，流体是从叶轮旋转轴方向流入叶轮，然后沿着直径方向流出叶轮，这种流动方式导致气流的分布不均，前后盘流动有很大差异。气体在叶轮前盘附近的流动以轴向流动为主，在后盘则转化为径向流动。因此，叶轮前盘的主要作用是向中后盘送风，叶轮主要做功区域在后盘位置，这也是气体的主流区。叶轮前盘的二次流是影响多翼离心风机性能的一个主要因素。这在对原机进行数值模拟时，从图 4-3 中也能清晰看出。所以合理的叶片轴向设计不仅可以减弱叶轮前盘二次流，也可以提高叶片的送风量进而提高风机效率。与此同时，从图 4-2 中可以看出，叶道内有吸力面分离涡，吸力面的分离涡也是影响多翼离心风机性能和噪声的一个主要因素，这也从图 4-3 中可以清晰看出，且前盘附近气流角与后盘附近气流角大小不一。所以改善叶道内流动、减少漩涡是风机优化设计重要途径。
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总结
本文在阅读大量有关多翼离心风机的文献后，对于该类风机国内外研究现状有一定了解。为了改善风机性能，本文以某多翼离心风机三大主要部件之一的叶轮为研究对象，采用 CFD 数值方法，设计正交试验并以加权流量为优化目标，对该叶轮进行三维叶型优化设计，得出以下结论：
（1）通过对文献的阅读，发现气体在多翼叶轮中轴向进入，径向流出，于是气流在前后盘流动有很大差异。叶轮前盘的主要作用是向中后盘送风，叶轮主要做功区域在中后盘位置，这也是气体的主流区。所以合适的叶片轴向设计，可以提高叶片的送风量进而提高风机效率；
（2）进行网格无关性验证，当网格数大于 450 万，最高效率点工况下风机数值模拟得到的流量几乎不变，因此，本文计算网格数取 469 万；通过对该风机进行数值方法的可靠性验证，发现实验测得的数据与数值模拟得到的数据两者之间最大误差在可接受的范围以内，说明数值模拟所选模型和参数与该风机适应度较高；
（3）通过分析该风机在最高效率点和大流量工况下的内部流动特性，结果发现：受到蜗壳结构型式影响，叶道内速度分布沿周向不均；受到多翼离心风机进气状态影响，叶轮前盘流动不理想，存在较多二次流；受到进口角影响，叶道吸力面有分离涡。改善这些区域能有效提高风机性能；
（4）通过分析，确定叶片结构优化的三个因素:扭转方向、扭转位置、扭转角度。采用正交试验的方法建立了 18 组试验方案，数值计算三个工况（Qlow、QBEP、Qhigh）下的流量，通过优化函数计算加权流量，并采用正交试验结果直观分析法进行分析，得出最优方案-以叶片前缘扭转进口角减少 8°。通过对改进前后性能曲线对比，发现优化后模型性能明显优于原模型.#p#分页标题#e#
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参考文献（略）
