離心式流體機(jī)械中的流體力學(xué)問題

1、1 流體機(jī)械的分類1.1 按作用原理主要分為兩大類一類是利用流體的能量對流體機(jī)械做功，從而提供動力，故也稱為流體動力機(jī)械，如汽輪機(jī)（利用蒸汽能量）、渦輪機(jī)（利用燃?xì)猓?、水輪機(jī)（利用水能）等。另一類為通過流體機(jī)械把原動機(jī)的能量傳遞給流體，使流體的能量提高，故也稱為流體輸送機(jī)械，水泵（水的能量提高，用于供水或排水等）、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)（使空氣或其它氣體獲得能量，用于通風(fēng)換氣、輸送、燃燒或熱交換等）。此外還有其它一些流體機(jī)械：輸送和動力功能兼有的流體機(jī)械，如液力耦合器；分離機(jī)械，如旋風(fēng)分離器；還有流體機(jī)械中常見的附件，如閥門、密封等。人的心臟就是一個泵，人的肺就是一個風(fēng)機(jī)。1.2 按工作原理分為三大類葉

2、片式（葉輪式）流體機(jī)械，包括離心式流體機(jī)械，斜流式（混流式）流體機(jī)械，軸流式流體機(jī)械，橫流式流體機(jī)械等。容積式流體機(jī)械，包括往復(fù)式流體機(jī)械和回轉(zhuǎn)式流體機(jī)械。其它形式流體機(jī)械，包括漩渦式流體機(jī)械，射流式流體機(jī)械、電磁式流體機(jī)械等等。離心壓縮機(jī)軸流通風(fēng)機(jī)離心泵往復(fù)式流體機(jī)械回轉(zhuǎn)式流體機(jī)械1.3 常見流體機(jī)械的分類水泵是一種量大面廣的流體器械，根據(jù)應(yīng)用場合、輸送介質(zhì)和使用要求的不同可以分成多種形式。按工作原理可以分為葉片式和容積式，葉片式按結(jié)構(gòu)形式可分為離心泵、混流泵和軸流泵，容積式如螺桿泵、隔膜泵，按泵軸的放置工作位置可分為臥式和立式；按出口腔體型式可分為蝸殼式和導(dǎo)葉式；按吸入方式可分為單吸和雙吸

3、；按葉輪個數(shù)可分為單級和多級。離心泵的分類很多，它是依據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點而劃分的。 一、按工作葉輪數(shù)目來分類1、單級泵：即在泵軸上只有一個葉輪。2、多級泵：即在泵軸上有兩個或兩個以上的葉輪，這時泵的總揚(yáng)程為n個葉輪產(chǎn)生的揚(yáng)程之和。二、按工作壓力來分類1、低壓泵：壓力低于100米水柱；2、中壓泵：壓力在100650米水柱之間；3、高壓泵：壓力高于650米水柱。三、按葉輪進(jìn)水方式來分類1、單側(cè)進(jìn)水式泵：又叫單吸泵，即葉輪上只有一個進(jìn)水口；2、雙側(cè)進(jìn)水式泵：又叫雙吸泵，即葉輪兩側(cè)都有一個進(jìn)水口。它的流量比單吸式泵大一倍，可以近似看作是二個單吸泵葉輪背靠背地放在了一起。四、按泵殼結(jié)合縫形式來分類1、水平

4、中開式泵：即在通過軸心線的水平面上開有結(jié)合縫。2、垂直結(jié)合面泵：即結(jié)合面與軸心線相垂直。五、按泵軸位置來分類1、臥式泵：泵軸位于水平位置。2、立式泵：泵軸位于垂直位置。六、按葉輪出來的水引向壓出室的方式分類1、蝸殼泵：水從葉輪出來后，直接進(jìn)入具有螺旋線形狀的泵殼。2、導(dǎo)葉泵：水從葉輪出來后，進(jìn)入它外面設(shè)置的導(dǎo)葉，之后進(jìn)入下一級或流入出口管。七、根據(jù)用途分類油泵、水泵、凝結(jié)水泵、排灰泵、循環(huán)水泵等。其實對某個水泵的名稱，一般將各種分類方式結(jié)合起來，因此就大概可以知道泵的結(jié)構(gòu)特點和用途。風(fēng)機(jī)也是一種量大面廣的流體機(jī)械，用于輸送氣體，通過風(fēng)機(jī)把原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體能量。按工作原理主要分為兩大類：

5、容積式，包括活塞式和回轉(zhuǎn)式，前者如活塞式壓縮機(jī)（常見的用于充氣的小空壓機(jī)），后者包括羅茨風(fēng)機(jī)、螺桿壓縮機(jī)和滑片式壓縮機(jī)葉片式，又稱透平式，包括離心式、斜流式（混流式）、軸流式和橫流式按壓力高低分為三類：通風(fēng)機(jī)：排氣壓力低于11.27*104N/m2鼓風(fēng)機(jī)：排氣壓力在（11.2734.3）*104N/m2壓縮機(jī)：排氣壓力高于34.3*104N/m2離心式通風(fēng)機(jī)按使用場合分：鍋爐送、引風(fēng)機(jī)除塵通風(fēng)機(jī)礦井風(fēng)機(jī)隧道風(fēng)機(jī)消防風(fēng)機(jī)紡織風(fēng)機(jī)高爐鼓風(fēng)機(jī)制冷壓縮機(jī)、空分壓縮機(jī)等等2 流體機(jī)械的主要性能參數(shù)及性能曲線.性能參數(shù)流體機(jī)械的工作狀態(tài)通常用工作參數(shù)來表示，工作參數(shù)反應(yīng)了流體機(jī)械的主要性能指標(biāo)。主要工作參

6、數(shù)：風(fēng)機(jī)壓力或水泵揚(yáng)程，流量，功率，效率和轉(zhuǎn)速等一、 風(fēng)機(jī)壓力、水泵揚(yáng)程風(fēng)機(jī)壓力(水泵揚(yáng)程)是保證流體能夠得到輸送的關(guān)鍵參數(shù)1、 風(fēng)機(jī)壓力風(fēng)機(jī)壓力為在單位時間內(nèi)風(fēng)機(jī)出口斷面和進(jìn)口斷面的單位體積氣體的能量差，用壓力表示，單位為Pa，也用mmH2o水柱 位置壓力 靜壓 動壓 由于氣體比重很小，故位置壓力通常忽略不計。風(fēng)機(jī)全壓：通常用于表示風(fēng)機(jī)性能的工作參數(shù)全壓 進(jìn)出口靜壓差 出口動能由于風(fēng)機(jī)在工作過程中，流體從進(jìn)口到出口要產(chǎn)生各種流動損失，記為，故風(fēng)機(jī)的實際全壓為 Pt理論全壓則風(fēng)機(jī)的氣動效率為2、 水泵揚(yáng)程水泵揚(yáng)程為在單位時間內(nèi)離心泵出口斷面和進(jìn)口斷面的單位重量液體的能量差，用水頭表示，單位為單

7、位水柱，也有單位汞柱 位置勢能 壓力水頭 速度水頭 出口水力損失 進(jìn)口水力損失由于泵在工作過程中，流體從進(jìn)口到出口要產(chǎn)生各種流動損失，記為，故泵的實際揚(yáng)程為 Ht理論揚(yáng)程則泵的水力效率為二、 流量流量是體現(xiàn)輸送多少流體的體現(xiàn)1、 風(fēng)機(jī)流量單位時間內(nèi)通過風(fēng)機(jī)出口的氣體量，有體積流量和質(zhì)量流量，通常采用體積流量，用Q表示，單位m3/s，國際上也有用l/s.在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，由于葉輪（轉(zhuǎn)動部件）和靜止部件（如蝸殼）之間存在間隙，因此一部分氣體通過該間隙在風(fēng)機(jī)內(nèi)循環(huán)流動，而不是通過出口輸送出去，故在葉輪中的實際流量為q氣體泄漏量則風(fēng)機(jī)的容積效率為2、 水泵流量同風(fēng)機(jī)，但泵有時會采用質(zhì)量流量三、 功率有

8、效功率：單位時間內(nèi)輸出的流體從葉輪中獲得的能量。風(fēng)機(jī)：水泵：輸入功率：單位時間內(nèi)輸入流體機(jī)械葉輪軸的能量風(fēng)機(jī)：水泵：軸功率：電機(jī)軸輸出端的功率風(fēng)機(jī)：水泵：Nmec傳動部分的機(jī)械損失，對應(yīng)的效率為機(jī)械效率額定功率：配套功率考慮電機(jī)的功率因素和一定安全系數(shù)后的電機(jī)功率。四、 效率效率表示流體機(jī)械能量利用或轉(zhuǎn)換的程度，是體現(xiàn)流體機(jī)械性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，用表示。根據(jù)一、二、三中的描述可知五、 轉(zhuǎn)速單位時間內(nèi)葉輪旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，以n表示，單位通常是RPM轉(zhuǎn)速對流體機(jī)械的大小、結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度和噪聲等有著重要的影響。.性能曲線流量為自變量，壓力（揚(yáng)程）、功率和效率等為因變量，也就是說這些參數(shù)隨流量的變化趨勢，如下

9、圖為某離心泵性能曲線3 流體機(jī)械中的兩大問題反問題設(shè)計流體機(jī)械，確定流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)參數(shù)正問題計算分析流體機(jī)械內(nèi)部狀況，揭示流動特征及其變化規(guī)律.反問題對于反問題，在工程實際中涉及兩個方面：氣動性能（水力性能）等高效運(yùn)行問題流體力學(xué)問題強(qiáng)度及振動等可靠運(yùn)行等問題結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)問題.正問題對于正問題涉及如何科學(xué)計算問題，也涉及兩個方面：流場計算描述流體機(jī)械內(nèi)部流動的數(shù)學(xué)物理模型，模型求解（算法）純流體力學(xué)問題強(qiáng)度、振動、變形流體產(chǎn)生的力流體力學(xué)問題（最合理的需要耦合計算）運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的機(jī)械力動力學(xué)問題4 離心式流體機(jī)械氣動（水力）設(shè)計方法常見設(shè)計方法相似設(shè)計變型設(shè)計原始設(shè)計.相似設(shè)計根據(jù)流體

10、力學(xué)相似理論，通過相似換算在現(xiàn)有的性能優(yōu)良的模型機(jī)中確定合適的規(guī)格型號。具體地說就是根據(jù)模型機(jī)的性能參數(shù)，通過改變轉(zhuǎn)速和機(jī)號設(shè)計出滿足用戶所需性能參數(shù)的產(chǎn)品。.變形設(shè)計對于無合適模型機(jī)但很接近情況下，可以采用改變模型機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法來獲得，如調(diào)節(jié)葉片出口角度以便壓力（揚(yáng)程）符合要求，改變寬度使流量滿足要求若與模型機(jī)相差很遠(yuǎn)，則需采用原始設(shè)計的方法。.原始設(shè)計有兩類優(yōu)化設(shè)計方法：損失最小法；優(yōu)化準(zhǔn)則法。下面以離心式通風(fēng)機(jī)為例來說明一、 概述(Introduction)離心式通風(fēng)機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的一種流體機(jī)械。它按用途可分為：（1）用于通風(fēng)換氣；（2）用于物料輸送；（3）用于工業(yè)爐窯；

11、（4）特殊用途，如耐高溫、耐腐蝕、防爆等。表示通風(fēng)機(jī)性能的主要參數(shù)有：（1）流量(Q)；（2）壓力(P)；（3）轉(zhuǎn)速（n）；（4）軸功率(Ns)；（5）效率()；（6）噪聲(LdA)等。在許多場合也用無因次參數(shù)來表示：（1）流量系數(shù)；（2）壓力系數(shù)；（3）比轉(zhuǎn)速ns；（4）功率系數(shù)；（5）效率；（6）比噪聲LdAs等。二、 離心式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)(The structure of centrifugal fans)離心通風(fēng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由進(jìn)風(fēng)口、葉輪和蝸殼組成。進(jìn)風(fēng)口是使氣流能均勻進(jìn)入葉輪，從而減少流動損失并降低噪聲。葉輪是風(fēng)機(jī)的核心部件，它使氣體獲得能量，提高壓力與速度。蝸殼是將離開

12、葉輪的氣體集中導(dǎo)流，并將一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，從而減少后續(xù)管道中的流動損失。根據(jù)如上的結(jié)構(gòu)，離心通風(fēng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)有如下一些：Din 進(jìn)風(fēng)口直徑D0 葉輪進(jìn)口直徑d1 葉片進(jìn)口直徑d2 葉輪出口直徑b1 葉片進(jìn)口寬度b2 葉片出口寬度1A 葉片進(jìn)口安裝角2A 葉片出口安裝角z 葉片數(shù)B 蝸殼寬度三、 離心式通風(fēng)機(jī)的流動理論 (The internal flow of centrifugal fans)當(dāng)氣體在離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)流動時，由于葉輪的作用使氣體獲得能量，從而提高了氣體的壓力和動能，當(dāng)此能量能克服氣體運(yùn)動中產(chǎn)生的阻力，則氣體將輸送到所需的位置。在理想狀態(tài)下(無限多葉片、無粘性的流動)，離

13、心通風(fēng)機(jī)內(nèi)氣體所獲得的理論壓力為 （1）其中的參數(shù)如圖2所示。2A為葉輪葉片的出口安裝角，2A<90º為后向風(fēng)機(jī)，2A90º為徑向風(fēng)機(jī)，2A>90º為前向風(fēng)機(jī)；由此式可以看出，在同樣的幾何尺寸下，氣體所獲得的壓力與2A成正比?？紤]葉片的有限性和損失，風(fēng)機(jī)的實際壓力為 （2）其中的為風(fēng)機(jī)效率，且 （3）K為考慮有限葉片的壓力修正系數(shù)，稱為滑移率，它有比較成熟的經(jīng)驗公式：Stodola公式： （4）Weisner公式： （5）在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的實際流動中，呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維流動，并存在各種各樣的損失，主要有：（1） 流動損失（對應(yīng)效率為）；（2） 泄漏損失（對應(yīng)效

14、率為）；（3） 機(jī)械損失（對應(yīng)效率為）。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生流動損失的根本原因在于氣體的粘性。根據(jù)氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)部流道的特點，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流動損失有：（1） 壁面摩擦損失；（2） 葉片負(fù)載損失；（3） 葉片尾流混摻損失（4） 蝸殼內(nèi)流動損失。它們主要體現(xiàn)在：（1） 在葉輪進(jìn)口產(chǎn)生的進(jìn)口沖擊損失；（2） 進(jìn)風(fēng)口、葉片流道和蝸殼的壁面摩擦損失；（3） 邊界層流動損失；（4） 葉片尾流和蝸殼的混摻損失；（5） 葉輪旋轉(zhuǎn)和流線曲率產(chǎn)生的二次流動損失（分別存在于子午面和周向面上）；泄漏損失是指風(fēng)機(jī)靜止部件（進(jìn)風(fēng)口）和轉(zhuǎn)動部件（葉輪）之間存在間隙而使氣體流到低壓區(qū)（葉輪出口流回到進(jìn)口）所產(chǎn)生的損失。機(jī)械損失是指傳動部件旋

15、轉(zhuǎn)產(chǎn)生的損失。四、 離心式通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(The design of The centrifugal fans)1設(shè)計方案的確定(The scheme of design)明確設(shè)計條件：（1） 流量(Q)；（2） 壓力(P)；（3） 工作介質(zhì)及其密度()；（4） 結(jié)構(gòu)要求；（5） 其它特殊的要求。提出設(shè)計要求：（1） 所設(shè)計風(fēng)機(jī)的工況能滿足使用要求；（2） 效率要高，效率曲線要平坦，噪聲低；（3） 穩(wěn)定工作區(qū)間要大；（4） 結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，工藝性好；（5） 足夠的強(qiáng)度、剛度，工作安全可靠；（6） 調(diào)節(jié)性能好，維護(hù)方便。在設(shè)計時要同時滿足這些設(shè)計要求是不可能的，一般根據(jù)不同的使用要求選擇

16、主要的設(shè)計要求，如建筑采暖通風(fēng)用的通風(fēng)機(jī)就要突出噪聲和尺寸的要求，輸送顆粒的通風(fēng)機(jī)就要突出耐磨的要求等。確定結(jié)構(gòu)型式：根據(jù)給定的設(shè)計條件，計算比轉(zhuǎn)速 （6）依據(jù)比轉(zhuǎn)速的值初步確定通風(fēng)機(jī)的類型及葉片的型式：ns<1.5 容積式通風(fēng)機(jī)（如羅茨風(fēng)機(jī)渦流風(fēng)機(jī)）ns1.512(865) 前向葉片離心通風(fēng)機(jī)ns3.616(2090) 后向葉片離心通風(fēng)機(jī)ns1618 (90100) 雙吸或并聯(lián)離心通風(fēng)機(jī)ns1836(100200) 軸流通風(fēng)機(jī)2風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計 （The design of a centrifugal fan)如圖1所示，風(fēng)機(jī)總體上分為三部分，進(jìn)風(fēng)口、葉輪、蝸殼，下面就三部分分別進(jìn)行論述

17、。2.1進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(The design of a inlet)進(jìn)風(fēng)口的設(shè)計要求為保證氣體能均勻流入葉輪進(jìn)口截面，這樣就能使后續(xù)流動的損失降低到最小【4】，并能降低風(fēng)機(jī)噪聲。關(guān)于這方面設(shè)計研究已很成熟，其最佳結(jié)構(gòu)如圖1所示錐弧型，具體的結(jié)構(gòu)尺寸確定要在葉輪設(shè)計完成后進(jìn)行。2.2葉輪設(shè)計(The design of a impeller)葉輪是風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，風(fēng)機(jī)設(shè)計的核心也就是葉輪的設(shè)計，長期以來也進(jìn)行了大量的理論和實驗研究，提出了多種方法【5】【6】【7】【8】?，F(xiàn)在一般的工程設(shè)計方法通常運(yùn)用于方案確定或初始參數(shù)的確定，真正采用的是優(yōu)化設(shè)計方法【9】【10】【11】。在優(yōu)化方法中，普遍采用的

18、是損失最小優(yōu)化法，其原理為：首先建立葉輪內(nèi)各種損失qi與各部件幾何形狀xj的關(guān)系，即建立 （7）則通風(fēng)機(jī)的總損失為 （8）在滿足風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需壓力和流量的前提下，設(shè)計出使總損失最小的幾何參數(shù)。各種損失的具體計算公式為：（1） 壁面摩擦損失 （9）其中為摩擦系數(shù)，為流動路徑長度，為水力直徑，為平均速度。（2） 葉片負(fù)載損失（10）其中DF為擴(kuò)壓因子，且。（3） 葉片尾流混摻損失 （11）（4） 泄漏損失 （12）其中為泄漏流量的百分比，氣體在葉片流道內(nèi)的損失。上面所述的損失最小優(yōu)化法在實際運(yùn)用中明顯存在如下缺陷：（1） 上述的損失在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)具體設(shè)計出來前式無法精確計算的，因此靠它們進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計并不

19、一定合適。（2） 上述優(yōu)化方法中僅僅涉及總體尺寸的優(yōu)化，而并未考慮葉輪通道形狀、前盤形狀和葉片形狀的影響，而流動損失很顯然與這些形狀有很大關(guān)系，因此是不完善的。針對這些不足，建立能克服這些缺陷的優(yōu)化方法就很有必要，即根據(jù)通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及其流動特點建立減少流動損失或提高性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，通過對總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀參數(shù)的優(yōu)化選擇，使目標(biāo)函數(shù)成立。這種優(yōu)化是在不斷迭代過程中完成優(yōu)化的，因此可稱為優(yōu)化準(zhǔn)則法。根據(jù)通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及其流動特點，可將優(yōu)化準(zhǔn)則分為四個方面：（1） 總體尺寸的優(yōu)化準(zhǔn)則（2） 子午面優(yōu)化準(zhǔn)則（3） 回轉(zhuǎn)面優(yōu)化準(zhǔn)則（4） 出口優(yōu)化準(zhǔn)則下面進(jìn)行詳細(xì)的描述。2.2.1總體尺寸的優(yōu)化準(zhǔn)則(T

20、he optimal rulers of general parameters)(1) b1/d1的優(yōu)化準(zhǔn)則 （13）其中，其范圍一般為0.60.85，d0為輪轂直徑。(2) 前盤處進(jìn)口速度最小暨平均進(jìn)口速度最小準(zhǔn)則 （14） （15）其中，為泄漏系數(shù)，K1為堵塞系數(shù)，為葉片厚度。(3) 葉片通道的當(dāng)量擴(kuò)張角準(zhǔn)則 （16）其中6.5º<<8º12º，l為通道中心線長。(4) 滿足所需壓力的目標(biāo)函數(shù) （17）其中為內(nèi)效率，。(5) b2/d2 最小化準(zhǔn)則此準(zhǔn)則來源于風(fēng)機(jī)擁有最大喘振余度和合理子午面形狀的要求。2.2.2子午面優(yōu)化準(zhǔn)則(The optima

21、l rulers of meridian plan)此優(yōu)化準(zhǔn)則來源于減少子午面內(nèi)二次流和良好子午面通道形狀的要求，具體體現(xiàn)為前盤表面法向壓力梯度最小化，則有 （18）經(jīng)過變換得 （19）其中為流動的絕對平均速度，為子午流線與軸線的夾角，Rm為前盤的曲率半徑，在初次成型時可用下式： （20）其中2.2.3回轉(zhuǎn)面優(yōu)化準(zhǔn)則(The optimal rulers of rotatory plan)在回轉(zhuǎn)面設(shè)計時，為了減少流動損失，必須控制葉片邊界層的增長和吸力邊的流動分離，減少分層效應(yīng)和回轉(zhuǎn)面上的二次流。而這些與葉片載荷和速度分布有關(guān)，因此建立先建立葉片載荷目標(biāo)函數(shù)然后分別建立相應(yīng)的優(yōu)化準(zhǔn)則。(1)

22、葉片載荷分布目標(biāo)函數(shù) （21）其中為葉片載荷，它與速度分布又有密切關(guān)系，且 （22）上式中的wav為平均速度，ws為吸力面速度。由此式可以看出，只要確定了ws和wav就決定了。(2) 控制邊界層增長的優(yōu)化準(zhǔn)則wav和ws分布的優(yōu)化準(zhǔn)則若wav和ws的速度分別滿足如圖3、圖4的分布，則能有效控制葉片邊界層的增長【3】。wav的分布滿足：在X0=0.30.4時，滿足Y0=040.7。其中，。ws的分布滿足：在初始斷wswavW1avW1avsrr2r1 圖3 Wav 的分布 圖4 ws的分布(3) 控制吸力邊邊界層分離的優(yōu)化準(zhǔn)則根據(jù)實際分析結(jié)果得到：吸力邊邊界層分離點應(yīng)在葉片弧長的85以后。至于分

23、離點的計算可參照有關(guān)的計算方法。(4) 控制分層效應(yīng)的優(yōu)化準(zhǔn)則對前向葉輪：對徑向葉輪：對后向葉輪：其中的，wp為壓力面速度。(5) 控制回轉(zhuǎn)面二次流的優(yōu)化準(zhǔn)則 （23）2.2.4 葉輪出口速度優(yōu)化準(zhǔn)則(The optimal rule of outlet velocity distribution in impeller)此準(zhǔn)則實際是用于風(fēng)機(jī)設(shè)計完成后進(jìn)行流場計算時的判斷標(biāo)準(zhǔn)。它要求葉輪出口速度盡量平坦、飽滿。2.3蝸殼的設(shè)計(The design of scroll)對于離心通風(fēng)機(jī)而言，蝸殼設(shè)計主要涉及兩個參數(shù)：蝸殼寬度和型線。蝸殼寬度可采用如下公式初步確定： （24）而蝸殼型線則可由三種方

24、法確定。（1）等環(huán)量法 （25）其中為型線在角位置處的半徑。（2）平均速度法 （26）其中A為蝸殼張開度，。（3）考慮粘性的蝸殼設(shè)計前面兩種蝸殼設(shè)計方法簡單明了，但由于未考慮蝸殼中的壁面摩擦、曲率和葉輪出口速度分布對蝸殼流動的影響，這樣會對蝸殼的性能產(chǎn)生不利影響，因此采用更合理的設(shè)計方法就很有必要?？紤]這些因素影響后其設(shè)計方法為：若蝸殼內(nèi)切向流動速度為 （27）則有 （28） （29）其中下標(biāo)n為計算截面序號，下標(biāo)0表示參考位置處的值，一般為蝸舌處的值。其余有關(guān)參數(shù)的計算公式為： （30） （31） （32） （33）上式中的為壁面摩擦系數(shù)，L為流動路徑長度，Ks為表面粗糙度；l為濕周，；。根

25、據(jù)以上公式就可求得對應(yīng)的和即。利用上述三種方法對蝸殼設(shè)計后，還需對蝸殼設(shè)計結(jié)果的優(yōu)劣進(jìn)行判斷，判斷的依據(jù)為蝸殼出口動壓和通風(fēng)機(jī)壓力的比值，即 （34）其中的為蝸殼出口動壓，且 （35）下標(biāo)ex表示蝸殼出口參數(shù)，。若蝸殼出口動壓和通風(fēng)機(jī)壓力的比值不滿足要求，就調(diào)整蝸殼寬度B以便達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。5 離心式流體機(jī)械內(nèi)部流動的計算.基本流動特點三維非定常可壓縮流動，流動非常復(fù)雜，由于存在旋轉(zhuǎn)和曲率，存在哥氏力和離心力，使得流動更為復(fù)雜。存在射流尾流結(jié)構(gòu)、二次流、渦、分離流、旋轉(zhuǎn)失速（堵塞）、喘振等復(fù)雜流動現(xiàn)象。射流尾流結(jié)構(gòu)二次流渦分離流動.流動計算分析涉及的問題一、簡化及假設(shè)不可壓縮簡化低壓、低速

26、問題相對定常簡化建立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系絕熱流動簡化能量方程略去不同的流體機(jī)械其簡化結(jié)果不一樣二、控制方程及邊界條件方程旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的方程哥氏力離心力直接求解不可行，通常采用方法，這樣就涉及湍流模型問題雷諾應(yīng)力項的處理邊界條件:固壁速度為零，但在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中則為相對速度；進(jìn)出口：速度，壓力，自由出口，初始湍流度三、湍流模型標(biāo)準(zhǔn)模型：各向同性的缺點，在流體機(jī)械中無法滿足RNG 模型：考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)以及漩流流動。我們目前主要采用這種方法，計算量小，易收斂，但該模型適用于充分發(fā)展的湍流，對壁面附近應(yīng)進(jìn)行修正，通常采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。Realizable 模型：引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率的相關(guān)修正，但無旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

27、下的正確修正模型：直接構(gòu)建表示雷諾應(yīng)力的輸運(yùn)方程，適應(yīng)面很廣。大渦模擬（LES）：是介于直接數(shù)值模擬與之間的一種湍流數(shù)值模擬方法，對非定常問題值得應(yīng)用。四、計算網(wǎng)格網(wǎng)格類型：復(fù)雜邊界，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格網(wǎng)格數(shù)量五、方程離散有限差分法有限體積法：有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒特性，能夠方便地應(yīng)用到具有復(fù)雜邊界條件的流體運(yùn)動，而且離散方程系數(shù)的物理意義明確，計算效率高，并且從我們的經(jīng)驗來說，綜合考慮計算量及精度等因素，這種離散方法較為合適。有限元法六、離散格式擴(kuò)散項中心差分格式對流項一階迎風(fēng)格式七、算法及其派生算法八、計算及其結(jié)果分析速度及壓力分布流動特征分析：射流尾流結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱分析；渦的大

28、小及數(shù)量分析；分離流動存在與否分析；間隙流動分析等等變結(jié)構(gòu)參數(shù)下流動變化規(guī)律分析九、基于流場計算的性能分析一般的流動計算只需分析速度、壓力、渦量等分析，但對于流體機(jī)械來說是否能夠從所得的流場數(shù)據(jù)中得到工程所需的性能參數(shù)（壓力、氣動效率）隨流量的變化呢，在這方面我們做了大量的探索性工作，并得到了一些流體機(jī)械的性能預(yù)測方法，與標(biāo)準(zhǔn)試驗結(jié)果很吻合。有了性能預(yù)測的方法，就可以很方便地與設(shè)計結(jié)合形成現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)“反正反”設(shè)計計算系統(tǒng)參見如下的系統(tǒng)框圖6 流體機(jī)械的發(fā)展方向.新型流體機(jī)械的研究一、 環(huán)保型流體機(jī)械環(huán)保型水輪機(jī)水電站大壩和蓄水水庫的建設(shè)和水輪機(jī)組的運(yùn)行對河流生態(tài)、水生生命都有一定的影響，

29、具體體現(xiàn)在：打破河流食物鏈的平衡；部分河段富營養(yǎng)化；魚類無法通過水輪機(jī)或通過水輪機(jī)時遭到傷害；原油泄漏造成一定污染等等。因此開發(fā)新型環(huán)保的水輪機(jī)（美國稱為環(huán)境友善型水輪機(jī)）是歷史賦予的使命，研發(fā)的目的是滿足改善河道水質(zhì)和魚類生存的要求，主要希望水輪機(jī)對魚類的傷害最小。二、可再生能源流體機(jī)械除了水能外，還有風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、海洋能、潮汐能和生物質(zhì)能等，其中的流體機(jī)械有：風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)利用不規(guī)則變化的空氣流動能量，使其轉(zhuǎn)化為有規(guī)則運(yùn)動的機(jī)械旋轉(zhuǎn)能量，包括風(fēng)輪和風(fēng)車。槳葉式風(fēng)輪是常見的一種，一般有13個槳葉。由于風(fēng)能密度低，風(fēng)向和風(fēng)速不停變化，使風(fēng)力發(fā)電在技術(shù)上有一些特殊的問題，一般采用調(diào)速、調(diào)向

30、和剎車等控制裝置。海洋能：海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能和海洋溫差發(fā)電，這方面的流體機(jī)械有待于進(jìn)一步展開。二、 微型流體機(jī)械微電子機(jī)械系統(tǒng)隨著納米技術(shù)的發(fā)展，微電子機(jī)械系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，這項技術(shù)將對未來世界產(chǎn)生巨大影響。微電子機(jī)械（MEMS）是指特征尺寸小于1mm大于1m的機(jī)械，它包含機(jī)械和電氣元件，用集成電路加工制造而成，它在工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。微型導(dǎo)管、微型泵、微型渦輪和微型閥是微型流體機(jī)械的典型例子。微型導(dǎo)管用在紅外線探測器、二極管發(fā)光、微型氣體色譜儀等裝置中；微型泵用在噴墨打印、環(huán)境測試和電子冷卻等裝置中，在微量藥量的傳輸和控制、納米化學(xué)藥品的制造等醫(yī)療技術(shù)方面有著潛在的應(yīng)用前景。三、 仿生流體機(jī)械仿生流體機(jī)械是一個很有發(fā)展前途的研究方向。昆蟲或鳥類飛行、魚類暢游充分利用氣水能量、節(jié)能省力風(fēng)機(jī)、水泵的葉片為可變形的。四、 高能量密度的流體機(jī)械研究航空航天和航海事業(yè)的進(jìn)一步需要高能量密度的流體機(jī)械，節(jié)省空間。如低噪聲潛艇和水陸兩用坦克采用高速對旋軸流泵，射流風(fēng)機(jī)采用對旋軸流風(fēng)機(jī)。.流體機(jī)械設(shè)計理論研究一、 當(dāng)前流體機(jī)械的流動設(shè)計流體機(jī)械的流動設(shè)計內(nèi)容包含兩部分：過流通道的幾何參數(shù)的選擇和葉片幾何形狀的設(shè)計。流動設(shè)計十幾年前還是基于大量試驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗設(shè)計方法，隨著計算