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低压轴流风机多目标多工况优化设计研究-流体机械及工程专业论文
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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华
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
I
I
摘 要
轴流风机因其流量大、噪声低、运行稳定广泛应用于多种场合的通风换气及消 防排烟。但现有的轴流风机存在效率低,运行工况范围窄的缺陷,难以满足现代工 业高效低耗的要求。因此现有风机如何采用 CFD 技术与优化理论结合,实现高效 性能范围宽是开发节能产品的关键问题之一。本文以一款工业用低压轴流风机为研 究对象,基于 CFD 数值模拟计算结果,采用多目标多工况优化设计方法对轴流风 机进行改型,验证构建的多目标多工况优化系统的可行性及其优化效果的同时,旨 在提高轴流风机的多个工况点的全压、扩大高效区的范围,改善流动的不稳定性。
(1)通过数值模拟方法预测了三维全流道低压轴流风机在整个流量范围内的 气动性能,并对选用的数值策略、边界条件、网格大小进行了验证,表明在此基础 上进行数值优化设计是可行的。
(2)构建了一套基于 CFD 流场计算的多目标多工况优化设计的流程,通过轴 流风机二维 CLARKY 翼型的多目标多工况优化设计问题,详细介绍了优化数学模 型(包括优化变量、优化约束、优化目标)的构建过程,对比分析了优化流程中的 采用不同试验设计方法和不同近似模型对优化结果的影响,为三维轴流风机的多目 标多工况优化设计提供技术指导。
(3)针对三维轴流风机的多目标多工况优化问题,以一款单转子轴流风机为 研究对象,通过傅里叶函数、高斯函数和幂函数对翼型弦长、翼型圆弧半径和翼型 安放角沿叶片径向的分布规律分别进行参数化,并选择函数的系数为优化变量。四 个工况下的最小全压、最低效率和最大功率为性能约束条件;四个工况下的加权效 率和加权全压为优化目标,并且基于模糊集理论确定四个不同工况下性能目标权重 的加权因子;同时比较了三种不同的多工况处理方法的优劣。采用近似模型和多目 标遗传优化算法相结合的气动数值优化策略对模型风机进行多目标多工况优化设 计。最终优化结果表明,优化后风机整个流量范围内的效率和全压均有较大的提高, 加权平均效率提高 13.5%,加权平均压力提高 20.22%。
II
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(4)对优化前后风机的内流和动态特性展开研究,结果表明,优化后风机内
部流动状况和小流量工况下的流动稳定性得到改善,叶片根部叶顶间隙涡的强度和 影响区域减小、叶片不同叶高截面压力分布得到改善、叶片根部的流动分离减小。 总而言之,采用多目标多工况气动优化设计方法对轴流风机进行优化,可以取 得较好的优化效果,可以为其他型式轴流风机和叶轮机械的优化设计提供依据与参
考。
关键词:轴流风机 数值模拟 多目标 多工况 优化设计
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ABSTRACT
Axial-flow fans are widely used in ventilation and fire protection and smoke extraction because of their mass flow, low noise level and stable operation. However the existing fans are of low efficiency and narrow range of operating conditions, hence it is hard to meet the modern industrial request of high efficiency and low energy consumption. The key issue of developing energy-saving products is to implement wide high efficiency performance range in the existing fan
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