Unsteady Flow Condition between Front and Rear Rotor of Contra-Rotating Small Sized Axial Fan

Contra-rotating small-sized axial fans are used as cooling fans for electric equipment. In the case of the contra-rotating rotors, the blade row distance between front and rear rotors is a key parameter for the performance and stable operation. The wake and potential interference occur between the front and rear rotors and leakage flow from the front rotor tip influences on the flow condition of the rear rotor near the shroud when the blade row distance is small. Therefore, it is important to clarify the flow condition between front and rear rotors. The fan static pressure curves were obtained by the experimental apparatus and the numerical analysis was also conducted to investigate the internal flow between front and rear rotors. The leakage flow from the front rotor tip reaches the leading edge of the rear rotor when the blade row distance is small as L = 10 mm and the pressure fluctuations at the leading edge of the rear rotor tip becomes larger than those at other radial positions. In the present paper, the vorticity contour between front and rear rotors is shown and pressure fluctuations related to the leakage flow from the front rotor is investigated using the numerical analysis result. Then, suitable blade row distance for the contra-rotating small sized axial fan is discussed based on the internal flow condition.

Performance and Internal Flow of Contra-Rotating Small-Sized Cooling Fan

High pressure and large flow rate small-sized cooling fans are used for servers in data centers and there is a strong demand to increase its performance because of increase of quantity of heat from servers. Contra-rotating rotors have been adopted for some of high pressure and large flow rate cooling fans to meet the demand. The performance curve of the contra-rotating small-sized cooling fan with 40 mm square casing was investigated by an experimental apparatus and its internal flow condition was clarified by the numerical analysis. The fan static pressure of the front rotor was extremely low and it increased significantly at the rear rotor. The uniform flow was achieved at the inlet of the rear rotor because of the special shape of the casing between the front and rear rotors. On the other hand, the tip leakage flow was large enough to influence on the main flow of the test cooling fan by the design specification of high pressure with compact rotor diameter.

Design of Half-Ducted Axial Flow Fan Considering Radial Inflow and Outflow

Half-ducted fan and ducted fan have been designed and numerically analyzed for investigating the radial flow effect on the overall performance and the three dimensional flow field in design. Based on quasi-three dimensional flow theory, the meridional flow was calculated by adopting the radial balance equations, while the calculation of the blade to blade flow was obtained by 2D cascade data with the correction by a potential flow theory. Two types of axial flow fan were designed. One is the full ducted case as if it was in the straight pipe and another is the half-ducted case with the radial inflow and outflow. The previous experimental results of authors were used to decide the inclinations of both the inflow and outflow. And the circular arc blade with equal thickness was adopted. The numerical results indicate that both of the designed fans can reach the specified efficiency and also the efficiency surpasses more than 11%. Furthermore, the static pressure characteristic of half-ducted fan is much better than that of ducted fan. In comparison of the three dimensional internal flow of these two fans, the improvement of the flow angle at inlet and outlet, the distributions of velocity in the flow field and the pressure distributions on the blade surfaces can be achieved more successfully in accordance with the design intension on consideration of flow angle in design. The conclusion that half-ducted design with considering radial inflow and outflow is feasible and valid in comparison with ducted design for axial flow fans has been obtained at the end of the paper.

轴流式对旋除尘风机的结构优化与性能研究

为了提高轴流式对旋除尘风机的除尘性能,研究各个参数相互之间的干扰,对其一级叶轮叶片数量、二级叶轮叶片数量、一二级叶轮距离、风筒直径和叶轮至进口距离这5个主要的结构参数进行优化改进和参数匹配。采取正交试验法,通过FLUENT对各结构参数下的风机除尘过程进行模拟仿真试验,分析风机除尘作业时内部流场和进出口速度、压力分布情况,给出综合评价风机除尘性能公式,得到轴流式对旋除尘风机各个参数的影响程度由大到小分别为一级叶轮叶片数量、风筒直径、二级叶轮叶片数量、一二级叶轮距离、叶轮至进口距离,并通过计算分析得到风机结构的最佳参数组合。

基于热负荷均匀分配原则的直接空冷系统轴流风机转速灵活调节策略

在直接空冷电站中,轴流风机功耗占厂用电比例较高。为获得更为高效的风机运行调整策略,以某典型2´600 MW直接空冷机组为例,基于热负荷均匀分配原则,采用数值模拟方法,研究轴流风机转速灵活调节策略。获得不同环境温度和风速条件下,各轴流风机转速分布规律以及通过空冷凝汽器单元的冷却空气质量流量分布规律。最终,计算得到不同环境气象条件下不同轴流风机转速调节策略风机总功耗变化规律。结果表明,基于热负荷均匀分配原则的轴流风机转速灵活调整策略明显优于轴流风机转速整体调节策略,结果可为直接空冷机组优化运行和深层次节能提供参考。

对旋轴流通风机叶轮内不可逆能量损失机理

随着节能降耗成为当今世界的迫切需要,提高通风机能量转换效率越来越受到重视,已成为通风领域内关键问题。掌握叶轮内不可逆能量损失演化机制是实现能量高效转化的前提与基础,但目前尚缺乏针对叶轮内不可逆能量损失机理方面的研究。为此,以对旋轴流通风机为研究对象,采用数值模拟和实验方法获得了不同流量工况下通风机内部流场。基于熵产理论,建立了通风机叶轮内不可逆能量损失理论模型,明确了叶轮内不可逆能量损失与空间流场参数的内在关系,实现了叶轮内不同类型能量损失的定量分析,结合叶轮内流动特征,明确了能量损失空间演化规律和产生原因。研究结果表明,熵产方法计算叶轮内不可逆能量损失是可靠的,直接黏性耗散损失和壁面摩擦损失是能量损失的重要组成部分,而湍流耗散则是引起能量损失的主要原因,达到总能量损失的60%~80%;对于前级叶轮,湍流耗散引起的能量损失在1.0Q_(BEP)流量工况(Q_(BEP)为最优工况流量)达到最小,而后级叶轮能量损失随流量的降低而增大。能量损失主要集中在Span=0.6~1.0(Span为叶展方向轮毂至机壳的无量纲距离)区域,在1.0Q_(BEP)工况达到总能量损失的70%;叶顶间隙泄漏流和叶片前缘溢流引起的螺旋旋涡、叶轮内回流、叶片压力面和吸力面流动分离以及叶片后缘尾迹都将导致能量损失产生,其中流动分离和尾迹引起的高能量损失区域较小,能量损失相对有限,而旋涡和回流显著影响叶轮内流体流动,最终导致叶顶附近区域出现大量能量损失。

煤矿对旋轴流通风机的振动响应特性分析

为进一步探究煤矿对旋轴流通风机设备可能的优化路径,从振动响应分析的角度着手,对煤矿轴流通风机流场进行仿真分析,通过分析压力-时间变化情况,探究不同轴向间隙和径向间隙对煤矿对旋轴流通风机的振动响应特征。并根据分析结果,确定了较为合理的轴向间隙与径向间隙取值范围,以期为后续的对旋轴流通风机优化设计提供更多参考借鉴。

径向间隙对煤矿对旋轴流通风机性能的影响分析

为进一步探究煤矿对旋轴流通风机径向间隙对风机性能的影响,以某小型煤矿企业的局部对旋轴流通风机为研究对象,对其进行建模与仿真分析,确定了稳态与非稳态两种情况下,不同径向间隙对风机性能的整体影响作用.结果显示,当降低径向间隙时,有助于增加风机压头和对气流做功,但与此同时,较小的径向间隙也将导致风机的气动噪声问题更为突出,对风机流量也将产生一定的不利影响,由此确定将径向间隙控制在叶片直径的0.8%~1%范围较为合理,以此为后续的煤矿对旋轴流通风机径向间隙优化设计工作提供参考借鉴.

轴向间距对FBCDZ-10-No20型对旋风机失速过程的影响

对旋风机在小流量工况运行时容易出现失速甚至喘振等不稳定现象,为研究轴向间距对对旋风机失速起始及其发展与传播过程的影响,采用Shear Stress Transport(剪切应力输运)k-ω湍流模型,对一台FBCDZ-10-No20型对旋风机全通道内的非定常流动进行数值模拟,探究了2种轴向间距下对旋风机的失速发展过程。结果表明:轴向间距对对旋风机失速起始及发展过程具有显著影响。在失速起始阶段,当对旋风机两级叶轮的轴向间距为170 mm时,失速起始扰动首先发生于后级叶根吸力面的尾缘区域,之后扰动沿径向从叶根向叶顶发展,沿周向向某个叶片通道聚集,导致该叶片通道堵塞,从而引起对旋风机失速;当轴向间距为70 mm时,失速起始扰动先后发生于前、后级的叶顶区域,之后扰动逐渐增强,最终发生失速。在完全失速阶段,轴向间距对于失速涡团沿周向、轴向及径向的传播都具有显著影响。轴向间距为170 mm时对旋风机进入单涡团全叶高失速,失速涡团沿轴向传播范围限于后级叶轮区域,沿周向以33.3%的后级转速旋转;轴向间距为70 mm时对旋风机进入多涡团部分叶高失速,失速涡团先后在两级叶轮叶顶区域产生,沿轴向向上、下游传播,沿径向分散于各叶片通道的70%叶高以上区域。由于两级叶轮轴向间距的改变,引起了对旋风机的失速起始扰动类型发生了由“局部喘振型”向“突尖型”的转变。

轴向间距对矿用旋风机旋转失速性能的影响

矿用对旋风机在小流量工况运行时极易出现旋转失速现象,严重影响其运行稳定性。采用SST k-ω湍流模型,对FBCDZ-10-No20型对旋风机在5种轴向间距下全流道内的非定常流动进行数值模拟,研究了轴向间距对矿用对旋风机失速过程的影响,揭示了不同轴向间距时的失速起始与发展机理。结果表明:轴向间距对失速起始扰动的首发位置、表现形式和发展过程都具有显著影响。对于70、100 mm两种轴向间距,失速起始扰动均首发于前级叶顶,随后在两级叶轮之间的动−动干涉作用下,后级叶顶也出现失速起始扰动,但与70 mm的轴向间距相比,当轴向间距为100 mm时,动−动干涉效应相对较弱,使得后级出现失速起始扰动需要更长的时间。对于140、170、225 mm三种轴向间距,失速起始扰动均是首先发生在后级叶根区域,不同的是140 mm间距时,前级叶顶泄漏流不能完全随主流流出通道,而是形成了局部叶顶堵塞区;而对于170、225 mm两种间距,前级叶顶则几乎没有堵塞区,最终仅在后级形成了成熟的失速涡团。随着轴向间距的增大,由前级叶顶泄漏流发生前缘溢流及尾缘反流形成的堵塞区逐渐缩小,而由后级叶根吸力面径向涡流形成的堵塞区则逐渐增大,当前级叶顶泄漏流无法形成堵塞区时,失速类型就由前级叶顶泄漏流诱发的“突尖型”转变为由后级叶根径向涡流诱发的“局部喘振型”。

煤矿轴流通风机的数值模拟研究

为充分掌握FBCDNo14型对旋轴流式通风机的特点,指导实践生产中通风机运行参数的设置,在对FBCDNo14型通风机原理及其结构分析的基础上,基于SolidWorks三维软件和Fluent软件构建数值模拟仿真模型,并通过试验验证了模型的准确性。对不同叶片安装角度下的三种工况对通风机内部气流轨迹、速度矢量以及压力云图进行对比,以期指导今后通风机参数的优化和实践生产。

对旋轴流风机反风性能的数值模拟

本文对一种对旋式轴流风机,采用SIMPLE方法对其整机的正、反风性能进行预测,通过求解雷诺平均N-S方程,湍流模型采用标准的κ-ε模型,给出了分析采用的几何模型,通过CFD分析,预测出对旋式轴流风机的反风性能。通过对正风、反风预测性能的比较,结果表明:正风时的内流明显优于反风,主要内流细节差异是由于反风时流道收缩导致,反风时两级叶轮的负荷分配不均衡,后级叶轮负荷约为一级叶轮负荷的两倍多。对旋式轴流风机在反风运行状态下,流量、压力、功率各项参数的值均小于正风运行状态下的值,但其相对于普通轴流风机具有较大的反风量,反风量能达到正常风量的65%以上,可以满足对风机反风量的安全要求。

对转式轴流风机内流的数值模拟

采用压力修正法 (SIMPLE法 )和混合 H- D格式 ,结合 K-ε湍流模型 ,求解加权平均 N- S方程 ,数值模拟了对转式轴流通风机内的流场 ,设计性能良好的对转风机有较好的流场 ,说明通过求解 N-

对旋式通风机压力脉动特性的数值研究

对矿用对旋式通风机内部的三维非定常湍流流动进行了数值模拟,采用FFT方法得到了包括通风机进口、集流器、前级电机、两级叶轮、后级电机、扩散器和通风机出口等在内的共10个监测面上监测点处压力脉动的时域和频域分布。分析结果表明:对旋式通风机两级叶轮及其附近区域是流场中压力脉动较强的区域;前后两级叶轮之间的动-动干涉、两级叶轮与其相邻部件之间的动-静干涉以及流动的周期非定常特性是通风机内部压力脉动产生的主要根源;设计良好的集流器和扩散器可以显著降低通风机进出口处的压力脉动。研究结果可为通风机的噪声预估和控制提供参考。

矿用对旋式轴流通风机扩散器结构多目标优化设计

以矿用对旋式轴流通风机为研究对象,应用粒子群优化算法对其扩散器结构设计参数进行了优化。首先,应用实验设计方法研究了通风机扩散器结构设计参数与通风机全压及效率之间的关系。研究结果表明:随着扩散器芯筒尾部半径R1的增大,通风机全压会先降低而后增高;通风机全压随着扩散器出口截面半径R2的增大而减小,随扩散器长度L1的增大而增大。通风机效率随R1、L1的增大而增大,随R2的增大而减小,且L1对通风机效率的影响最为显著。然后,以通风机全压及效率为优化目标,以扩散器结构设计参数为设计变量,应用粒子群优化算法对其进行多目标优化。

对旋风机气动噪声声强及压力脉动分布规律的数值预测

将SIMPLE算法与RNG-ε湍流模型相结合,通过求解Navvier-Stokes方程,对对旋风机从集流器进口到扩散器出口全流场内的三维定常流动进行数值计算。求解区域采用非结构化网格进行离散,以进、出口压力为边界条件,采用运动参考系实现动-静界面间的数据传递。对对旋风机气动噪声分布特性进行数值模拟,预测对旋风机内部、外壳和叶片的声强级分布情况。采用快速傅里叶变换方法(FFT)研究两级叶轮区域三对干涉面因叶轮旋转和叶片振动引起的压力变化规律。研究结果对通风机结构的优化设计及噪声控制具有参考意义。

对旋式轴流风机非设计点流场的分析

从三维雷诺时平均非定常的 NAVIER- STOKES方程出发 ,采用压力耦合方程的半隐式方法 (SIMPLE) ,对流项采用迎风差分格式 (UD) ,结合各向异性 K-ε湍流模型 ,数值模拟了对旋式轴流风机非设计点的流场 ,并与已有的结果进行了比较。结果表明 ,求解 NAVIER- STOKES方程是定性分析对旋式轴流风机非设计点性能的一种有效方法。

对旋风机非定常湍流计算及整机压力脉动分析

利用Realizable k-ε湍流模型对某对旋风机进行了全流道非定常湍流计算,预测了前后两级叶轮附近两对动-静干涉面以及一对动-动干涉面上压力脉动的频域分布情况,分析了压力脉动沿干涉面径向的传播变化规律.分析结果表明,后级叶轮叶片对叶轮区域压力脉动的影响要远大于前级叶轮.分析结果可以作为对旋风机叶轮部分气动噪声预估的参考依据.

电厂中高稳定性节能轴流风机的实验研究

电厂中的风机既要有很高的运行稳定性，又要有较高的运行效率。对两组轴流式风机分别在保持相同转速和相同最高压比点参数的条件下，进行气动性能的实验研究。结果表明：具有弯掠动叶的轴流风机不仅提高了运行效率，而且能大幅度地拓宽稳定运行范围。根据实验结果，分析了其高稳定性和节能优点的机理。

对旋式轴流风机变转速匹配性能研究

采用全圆周数值模拟方法,研究了双级对旋式轴流风机的变转速匹配特性。在四种转速匹配方案下,对比分析了风机整机和各级转子的压升、效率和功率特性,进一步深入流场内部,揭示了不同转速匹配下的内部流动特征,并与单通道模拟结果做了对比。对单级转子特性而言,单通道模型和全圆模型间最大的区别在第二级转子,就全压升和效率来说,单通道模拟结果高于全圆周模拟结果。不同转速匹配下的结果均显示,第二级转子性能改变对转速变化更为敏感。除各级转子的良好设计,进口集流器和出口扩散器对提高对旋风机性能也很重要。