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.

Internal Flow Condition between Front and Rear Rotor of Contra-Rotating Small-Sized Axial Fan at Low Flow Rate

Contra-rotating small-sized fans are used as cooling fans for electric equipment. The internal flow condition between the front and rear rotors of the contra-rotating small-sized fan is not known well especially at the low flow rate. Furthermore, the blade row distance between the front and rear rotors is an important parameter for the contra-rotating small-sized fan and its influence on the internal flow condition is not clarified at the low flow rate. Therefore, the internal flow condition of the contra-rotating small-sized fan at the low flow rate is investigated by the numerical analysis in this research. The numerical analysis results are validated by comparing the fan static pressure curves of the numerical results to the experimental results. The internal flow condition at the low flow rate is clarified using the numerical models of the different blade row distance L = 10 mm and 30 mm. In the present paper, pressure fluctuations phase locked each front and rear rotor’s rotation are shown and the influences of the wake and the potential interference are discussed by the unsteady numerical analysis results at the low flow rate.

矿用对旋风机旋转失速信号特征识别与提取

针对旋风机旋转失速信号特征的识别与提取,提出了一种参数优化的变分模态分解(VMD)方法。首先,为了消除人为选择VMD参数的影响,提出一种以平均包络熵为目标函数的蛙跳优化算法,对VMD算法的模态个数K和惩罚因子α进行优化选取,实现了参数K和α的合理自动选取;然后,通过模拟信号验证了参数优化后的VMD方法的有效性;最后,利用参数优化的VMD方法对风机失速信号进行处理和分析,研究风机失速的频谱特性,并与经验模态分解(EMD)结果进行对比分析。研究结果表明:与EMD方法相比,参数优化的VMD方法在处理模态混叠方面更具有优势,其处理效果明显优于EMD,分解得到的IMF分量个数也少于EMD,易区分特征频率;另外,以优化获取的参数组合处理风机的失速信号时,能够很好地揭示失速特征频率在失速发展过程中的变化规律,对应于频率分量的波动,从大尺度的频率波动转变为小尺度的频率波动。

矿用对旋主通风机周向槽机匣处理扩稳机理研究

为了提高对旋风机的稳定裕度,采用数值模拟方法,将周向单槽机匣处理技术应用于FBCDZ-No20型对旋风机的扩稳,探究了周向槽的轴向位置对风机气动性能和扩稳能力的影响。研究表明:对前级叶轮进行周向单槽机匣处理,可以提高对旋风机的稳定裕度,且周向单槽的轴向位置对风机的气动性能和扩稳能力均具有影响;当周向单槽位于前级叶片的前缘和25%叶顶轴向弦长时,风机可以获得可观的稳定裕度提高量,但峰值效率损失较大;当周向单槽分别位于50%、75%的叶顶轴向弦长和尾缘时,扩稳效果逐渐减弱,相应的效率损失也逐渐减小。周向槽是通过抽吸叶片压力面前缘的低能流体,并将其沿周向输运至叶片吸力面的前缘喷出,从而增大了前级叶轮进口相对气流角及叶顶泄漏流的轴向动量,改变了叶顶泄漏流的轨迹,抑制了前缘溢流与尾缘处的边界层分离,进而减轻叶片通道内的流动堵塞,推迟了失速的发生而实现扩稳。采用前级周向单槽机匣处理并未改变对旋风机的最先失速级和失速起始类型。

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。

对旋风机新形叶片流致振动特性

为了优化对旋风机的流致振动特性,以某对旋风机叶片为研究对象,通过修改翼型的方式来提出一种性能良好且具有减振功能的新形叶片。比较了两种对旋风机流场性能,采用模态分析法进行了两种叶片的共振预测,以叶片表面非定常压力脉动作为叶片所受流体激振力,采用模态叠加法计算了两种叶片监控点强迫振动响应特性。结果表明:新形叶片具有良好的气动性能,正风性能与原始风机相差不大,反风性能优于原始风机;额定转速下,一级新形叶片相较原始叶片频率余量提高了8.9%,运行更安全;新形叶片监控点振动加速度响应最大峰值均低于原始叶片,新形叶片具有良好的减振效果;相较于一级叶片监控点,二级叶片监控点处两种叶片总振动加速度级差值最大,新形叶片减振效果更明显,且最大差值约为10.83 dB。

轴流对旋风机的设计和实验研究

给出了对旋轴流风机的一些参数，如速度比、两转子之间的轴向间隙等对其性能影响的实验研究结果．实验证明，当第２级与第１级转子的转速比为１５，轴向间隙距离为０３０～０２５倍第１级转子叶片弦长时，第１级转子的失速特性得到改善，风机的失速余度得到改进，风机的失速流量及压力增加．使用对旋风机级的型式可得到更经济更有效的轴流风机．

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。

矿用对旋式轴流局部通风机噪声特性实验研究

对四种对旋式轴流局部通风机的噪声特性进行实验研究,获得了风机噪声频谱曲线和A声级随工况变化曲线,详细分析离散噪声的频谱特性,发现对旋风机Ⅰ级叶轮通过频率(BPF1)及两级叶片相互作用频率(BIF)对应噪声是对旋风机的主要离散噪声源。为对旋式轴流通风机的降噪提供有益参考。

轴向间距对矿用对旋式通风机性能的影响

基于选取合理轴向间距的需要,通过大涡模拟(LES)对7种不同轴向间距的矿用对旋式主通风机的非定常流场进行数值计算,分析了额定流量下,该风机气动噪声特性、转子安全性和气动性能随轴向间距的变化情况。结果显示:气动噪声特性、转子安全性都随轴向间距增大而提高,但分别在轴向间距达到0.80倍和0.60～0.70倍第一级叶中弦长(b)后,变化趋势放缓,进一步增加轴向间距意义不大;而轴向间距在(0.55～0.60)b时气动性能达到最佳,后级转子的进气角、尾迹与主流的掺混是影响其变化的主要因素。研究结果表明,0.7b左右是该通风机综合性能较好的轴向间距范围。

矿用对旋式轴流通风机前后两级叶片弯掠参数优化设计

以矿用对旋式轴流通风机前后两级叶片为研究对象,应用响应面法(RSM)和三维流场分析对矿用对旋式轴流通风机前后两级叶片弯掠参数进行优化设计。首先定义矿用对旋式轴流通风机前后两级叶片弯掠参数,然后以矿用对旋式轴流通风机前后两级叶片的弯、掠角为设计变量,以通风机全压效率最大化为优化目标,建立前后两级叶片的弯、掠角与通风机全压效率的响应面模型,最后对各参数进行优化设计。结果表明,通风机全压效率提高了1.64%,通风机的气动性能得到进一步改善。

基于内部流动数值模拟的对旋风机设计

通过流体力学专业计算软件Fluent模拟2种方案:(1)前级叶片为圆弧板形、后级叶片为机翼形;(2)前级为机翼形、后级为圆弧板形,获取风机流动的一些重要参数。通过对比,发现第2种方案的流场更优、风机效率更高。从而依据第2种方案设计对旋风机。

顶部间隙对对旋轴流风机性能影响

为了研究分析顶部间隙对旋风机内部三维流场和性能参数的影响,分别对2.5%、3.0%、3.5%、4.0%四种顶部间隙建立从集流器入口到扩散器出口的三维全流道作为计算域,采用SIMPLE算法和RNG湍流模型,通过专业流体计算软件Fluent求解三维Navier-stokes方程,对三维全流场进行数值模拟.结果得出顶部间隙产生的泄漏流在二级叶轮间隙处泄漏相比于一级叶轮处更加恶劣,其影响范围也有所扩大,顶部间隙对对旋风机效率和全压的影响程度比单叶轮风机更加严重.因此,考虑到制造水平和转子振动的限制,合理地设计顶部间隙,不仅可以改善风机性能,而且可以避免叶片与机壳接触发生故障,造成意外事故.

BD6型对旋轴流风机性能预测及内流分析

本文对一种对旋式轴流风机,采用SIMPLE方法对其整机的性能预测,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,网格划分方法以及最优设计点上的子午面,平均周向面上的内流分布特征.通过8个工况点性能预测与实验结果的比较,验证了所选用的CFD方法与模型对于预测对旋风机的性能的可靠性,这种方法能够为优化改进对旋风机的设计提供帮助.

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。

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。

基于数值模拟的对旋风机功率匹配研究

针对于一台对旋风机样机,建立从集流器进口到扩散器出口的全流场作为计算域,采用SIMPLEC算法和RNG湍流模型,通过求解三维N-S方程,对全流场进行数值模拟,揭示了对旋式通风机流场内部气流的真实流动规律。通过改变运行参数,完成对旋风机两级叶轮最佳功率匹配的研究,为对旋风机的优化设计提供理论基础。

对旋风机级间流场涡量和噪声分布规律的分析

利用LES(大涡模拟)方法对一台对旋风机进行全流场非定常的模拟计算,获得风机内部流场的数值模拟数据。在对旋风机级间流场设置若干监测面,并在监测面的轮毂、流道和机壳位置分别设置监测点,并将对旋风机两级叶轮中间区域的涡量分布情况进行分析,研究对旋风机两级叶轮中间流场涡量分布的特点;利用FW-H噪声模型对对旋风机气动噪声分布情况进行模拟;研究涡量分布与风机噪声特性之间的关系。研究结果可为对旋风机气动噪声分析提供参考。