叶片安装角对风扇性能影响的仿真分析开题报告

1. 研究目的与意义

风扇作为一种重要的通风产品在日常生活中得到了广泛的应用，其性能受到翼型、安装角、外径、风道形状等多方面因素的影响，因此需要更进一步的研究分析这些因素对风扇气流组织的影响，包括速度场、压力场及性能曲线等。风扇流道结构的特点决定了其内部流场是非常复杂的，其通流部分是由一系列旋转叶片组合而成，这种情况下，气体运动存在绝对运动与相对运动，风扇内部气体的流动实际是三元周期性非定常流动，也就是说在实际流场中，所有气流参数是空间坐标系上三个方向的变量的函数。同时风扇内部流场又受到流道形状、叶片厚度、叶面气动作用力径向分量、叶栅进出口径向密度梯度、二次流等影响，实际气体三元流动十分复杂，而描述这种流动过程的气动方程组又无法直接求解，目前较普遍而又行之有效的方法是将低元和高元结合使用，即设计初始阶段用一元流动理论，详细计算时用准三元或全三元理论的方法，数值模拟轴流风扇内部流动信息，对风扇进行改进设计，提高风扇性能。

2. 国内外研究现状分析

风扇的设计研究起步于20世纪80年代，设计原理基本采用大型通风机理论，研究也往往集中于性能的测试方面，所以风扇的研究是比较滞后的。风扇的性能方面及最初的风扇叶轮的设计，是利用简单的数学式表达出来，让风扇理论有了初步的基础。随后ECK定义风扇叶片几何形状参数，使得风扇性能更容易表示，计算更为精确：William在其所著书中将风扇的设计，震动噪音及性能效率等资料整理的相当完整：A.B.Mckenzilc也将历年相关的风扇几何参数影响描述的更为详尽。另外在风扇性能影响方面，Bechy等人利用有限元分析理论的试错法求出了最小应力等级。至此，风扇的几何形状，性能参数，设计理念已经完备。Fukano等人利用试验方法探讨了三种不同形式的轴流风扇，针对其叶顶间隙的改变进行噪声及性能测试，研究表明叶顶间隙与机匣的相互作用，会产生纯音调噪声，二减小叶顶间隙有助于降低噪声，同时还能提高性能。

在提高风扇的性能方面，国内学者也做了大量研究。邹滋祥研究了轴流风扇叶片控制环量设计方法和叶片扭曲规律，结果表明只要参数选择合理，这种方法能够提高叶轮机械效率。林显群发现将叶片前缘改为锯齿状流量并无太大的变化，而最大静压值却随着锯齿数目及大小的增加，有下降的趋势，分析推断叶片前缘发生了附面层分离，造成能量损失。沈国民、谢军龙通过对轴流通风机的试验研究得出了有曲率的前掠叶片和比较小的安装角可以提高风机效率、降低噪声。王启鲲等提出了小型散热风扇扭叶片的设计方法，采用径向平衡原理推导出了微型轴流风扇叶片轴向速度沿叶高的分布方程，详细研究了变环量指数对小型轴流风扇性能的影响，并利用CFD技术对使用该方法设计的各式扭叶片的气动性能及其工况时的气动特点进行数值研究，发现特定条件下，降低变环量系数可以提高风扇气动性能，加强其散热能力。韩万今等测得了在不同冲角和叶片安装角下不同端壁和叶片表面静压分布及相应的出口流场，找到了对应能量损失最小的静压分布。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：本课题研究在相同转速下不同叶片安装角度对风扇周围流场分布的影响，通过数值模拟实验得出质量流量、空气流速、功率随安装角变化的曲线，综合考虑风扇外观特点等因素，给出叶片相对优化的安装角度。

研究计划：

1.安装计算流体动力学前处理软件gambit2.1.6、计算流体动力学商用软件fluent2.1.66（也可以安装ansysfluent12.0）

4. 研究创新点

cfd是一种用于预测和分析复杂流体流动性质的计算技术，对设计有很强的理解和可视能力，因而cfd的分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象；一旦给定问题的参量，cfd能够快速给出想要的结果，这样就可能在很短的时间内调整设计问题的参数，得到最好的优化结果；采用cfd是一种十分经济的做法。目前在航空、航天、汽车、透平机械等工业领域，利用cfd进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段

fluent是目前国际上比较流行的通用cfd软件，用来模拟从不可压缩到中等程度可压缩乃至高度可压缩范围内的复杂流动。fluent软件灵活、强大的算法和专用于流体机械领域的网格技术使得fluent软件在流体机械方面有广泛的应用，如可应用于航空发动机中的压气机、涡轮，工业上的燃气轮机、蒸汽轮机、水轮机、泵、风扇、空气压缩机、螺旋桨等。

fluent软件在风机行业具有广泛的应用前景，兼备风机建模、网格技术、数值算法、物理模型和可视化技术等方面的功能。可以对各种形式的风机进行流场分析和研究，能够准确地预测出风机的性能和噪音水平，同时，fluent软件也能计算整个通风系统的管道、阀门以及通风口等部件和系统的流动情况。