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水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬和設(shè)計研究
隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展,CFD技術(shù)優(yōu)勢愈加凸顯。CFD技術(shù)不僅可以節(jié)省研究開發(fā)成本還可以縮短開發(fā)周期,為流體機(jī)械的設(shè)計和性能優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,已被廣泛應(yīng)用于工程中本文將CFD技術(shù)應(yīng)用于某型船用消防防爆便攜式水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的研究,填補(bǔ)了目前國內(nèi)便攜式水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)數(shù)值研究的空白。
1.3.2水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的多流場賴合研究
在對水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計研究前,需要對水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的性能特點(diǎn)有清晰的認(rèn)識。水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的核心是水輪機(jī)和石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī),水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的性能特點(diǎn)主要由這二者決定。水輪機(jī)的主要性能參數(shù)有水頭、水流量、轉(zhuǎn)速和功率,石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)有風(fēng)壓、風(fēng)量、轉(zhuǎn)速和功率。當(dāng)進(jìn)口水壓一定,水輪機(jī)和石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)均為定值。由于水禍輪和石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)葉輪采用同軸設(shè)計,所以水輪機(jī)和石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時刻相同,兩者的工況相互牽制和影響。由于分開模擬計算水輪機(jī)和石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)并不能得到水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)整個系統(tǒng)的運(yùn)行工況,因此迫切需求通過水輪機(jī)和石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)流場之間的耦合數(shù)值模擬計算來預(yù)測水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的工況。
宋少云描述了五種禍合分類方法并對常見的十種基本賴合場進(jìn)行了詳細(xì)分析[35]。水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的耦合不在十種基本輔合場之中,為多流場賴合,但其他賴合方法可為本文耦合方法的研究提供參考依據(jù)。于海波利用Fluent軟件的UDF功能首次對復(fù)合式水力旋流器禍合流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,并得到了旋流器內(nèi)部流場的速度、壓力、瑞動能及其耗散律分布特性規(guī)律[36]。張彪針對超音速飛行的高空遠(yuǎn)程無人機(jī)尾噴焰的對流和轄射耦合換熱問題,應(yīng)用Fluent軟件的UDF功能實(shí)現(xiàn)了Fortran和Fluent軟件的混合編程[37]。張尉林采用VB語言對三維計算流體動力學(xué)軟件SC/Tetra和有限元分析軟件ANSYS編寫了弱耦合分析的接口程序,并對某柴油機(jī)塑料冷卻風(fēng)扇進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,該方法計算得到的風(fēng)扇流量更接近試驗(yàn)值 P8]。
1.3.3水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的水力和氣動設(shè)計數(shù)值研究
目前對水力石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)性能的研究較少,但是有較多關(guān)于水輪機(jī)或者石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)的研究,可為本文工作提供參考和借鑒。本文研究的水輪機(jī)按照工作原理是沖擊式水輪機(jī),驅(qū)動動力是消防水,屬于特殊用水輪機(jī)[39],其結(jié)構(gòu)接近于斜擊式水輪機(jī),但不同于典型的沖擊式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)。主要區(qū)別有以下幾點(diǎn):水輪機(jī)葉片為直葉片;水禍輪完全浸入水中;水禍輪出口能量有回收裝置;噴嘴通過直接打孔實(shí)現(xiàn)等。周嘵泉、周文桐論述了水斗式水輪機(jī)的直徑比與水斗式水輪機(jī)的水斗數(shù)、噴贊數(shù)等物理量之間的關(guān)系【4"^]。朱清象提出了研制高效率斜擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的五大途徑和影響斜擊式水輪機(jī)效率的四大因素Monique等利用Fluent、CFX軟件對水斗式水輪機(jī)不同射流入射角下的固定水斗內(nèi)的流動進(jìn)行了數(shù)值模擬和比較[42]。陳匯龍等針對非常規(guī)水輪機(jī)的特點(diǎn)及特殊的結(jié)構(gòu)型式,首次利用Fluent軟件建立了流動模型,并通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)對比對對導(dǎo)水部件出流及其出口至轉(zhuǎn)輪前的流動進(jìn)行了研究[43]。符杰、宋文武等利用CFD技術(shù)對雙噴贊斜擊式水輪機(jī)內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過計算結(jié)果分析優(yōu)化了轉(zhuǎn)輪斗葉,得到了優(yōu)化后水輪機(jī)內(nèi)部流動情況[44】。德國的Carolus和Beiler等[45]采用三維N-S模擬方法研究了葉片的軸向彎曲和弦長方向的葉片彎掠對石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)流場的影響,并與試驗(yàn)值相比較,驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。費(fèi)里鮑夫與王仲奇共同提出了一種新的葉片成型方法一葉片的彎曲扭轉(zhuǎn)聯(lián)合氣動成型【46】。李本立等用計算機(jī)將風(fēng)筒試驗(yàn)和理論計算緊密結(jié)合,提出了研究石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)翼型的新方法一虛擬風(fēng)筒法,這種方法得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)實(shí)踐更加吻合[47】。北京航空航天大學(xué)的錢瑞戰(zhàn)等將二維N-S方程流場分析程序和序列二次規(guī)劃結(jié)合起來,發(fā)展了 一種軸流通石家莊風(fēng)機(jī)廠風(fēng)機(jī)翼型設(shè)計方法[48]。