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轴流式风力灭火机的轴流叶轮气动性能研究

作　者: 禇双磊
导　师: 俞国胜
学　校: 北京林业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 轴流叶轮轴流式风力灭火机气动性能试验计算流体动力学数值模拟
分类号: S776.294
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

轴流式风力灭火机是一种不同于现有离心式风力灭火机的新型便携式风力灭火机,其轴流叶轮是轴流式风力灭火机的核心灭火部件。因此,轴流叶轮气动性能的好坏直接关系到轴流式风力灭火机的灭火性能。本研究主要是针对轴流式风力灭火机中轴流叶轮的气动性能进行试验研究和CFD数值模拟,为设计高效率的轴流式风力灭火机提供理论依据。本研究的主要内容和结论如下：1.根据国家标准GB／T 10280-1999《便携式风力灭火机技术条件》规定的便携式风力灭火机中灭火风机性能要求(出口风量)和将来的新型轴流式风力灭火机的设计设想,设计制造了轴流式灭火风机气动性能试验装置。该试验装置可以模拟在实验室条件下轴流叶轮高速旋转驱动空气自由流动的状态。并通过更换锥形射流风筒来验证轴流叶轮在轴流风机和轴流式灭火风机的气动性能。2.通过对不同叶片数(5、6、7)和叶片角度(30°、34°、38°)的5种轴流叶轮构成的轴流风机进行气动性能试验,试验结果表明轴流叶轮叶片数为6、叶片角度为38°的轴流风机风量最接近设计要求,达到1406.1m3／h,全压为438.35Pa,功率为0.501kw,效率为34.15%,基本满足灭火风机的气动性能要求,并且轴功率远小于便携式风力灭火机的功率3.轴流风机内部流场的数值模拟结果表明：轴流叶轮叶片数Z=6,叶片角度为38°的5号轴流风机叶轮外缘速度较大,轮毂出口端低速区面积较小,叶身出口速度较大,旋转推力较大,与气动性能试验结果一致。4.将锥形射流风筒安装在轴流风机上形成轴流式灭火风机后,通过对不同叶片数(5、6、7)和叶片角度(30°、34°、38°)的5种轴流叶轮构成的轴流式灭火风机整机进行气动性能试验,试验结果表明轴流叶轮叶片数为6、叶片角度为38°的5号轴流式灭火风机风量最接近设计风量,达到1400.3m3／h,全压为584.61Pa,功率为0.45 kw,全压效率稍微偏低为50.44%,气动性能良好,基本满足灭火风机的气动性能要求,并且轴功率远小于便携式风力灭火机的功率要求；因此应用于轴流式风力灭火机的轴流叶轮叶片数宜取6片,叶片角度宜取38°5.轴流式灭火风机内部流场的数值模拟结果表明：与轴流风机相比,轴流式灭火风机中的锥形射流风筒的作用就是提高风速,加速空气射流的形成。其中轴流叶轮叶片数Z=6,叶片角度为38°的5号轴流式灭火风机轮毂出气端回流区面积较小,功率消耗较少。锥形射流风筒内部速度矢量较大,分布较密集,射流出口速度较大,风量较大,与气动性能试验结果基本一致。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 研究的目的与意义  9-12
    1.1.1 风力灭火技术  9
    1.1.2 便携式风力灭火机在森林消防中的重要作用  9
    1.1.3 新型轴流式风力灭火机的研究意义和存在的问题  9-12
  1.2 国内外对便携式风力灭火机的研究现状  12-16
    1.2.1 国内现有离心式风力灭火机的研究  12-16
    1.2.2 国外风力灭火机械的研究  16
  1.3 轴流风机气动性能和内部流动CFD模拟研究方法综述  16-18
    1.3.1 气动性能试验研究  16-17
    1.3.2 CFD数值模拟  17-18
    1.3.3 理论计算研究  18
  1.4 灭火风机气动性能的评价指标  18-19
    1.4.1 出口风速、风量  18-19
    1.4.2 灭火面积和灭火距离(灭火射程)  19
  1.5 本文的研究方法与研究内容  19-21
    1.5.1 研究方法  19
    1.5.2 本文研究的主要内容  19-21
2 轴流式灭火风机气动性能试验装置的设计  21-39
  2.1 轴流式灭火风机灭火原理  21-22
  2.2 工作环境和总体方案设计  22-27
    2.2.1 总体结构和主要技术指标  23-25
    2.2.2 传动系统方案确定  25-27
    2.2.3 工作原理  27
  2.3 关键部件设计和参数确定  27-37
    2.3.1 轴流风机的气动反向设计  27-34
    2.3.2 锥形射流风筒设计(灭火风筒设计)  34-35
    2.3.3 灭火风机有效风速的理论估算  35-37
  2.4 本章小结  37-39
3 轴流风机气动性能试验研究  39-76
  3.1 风机性能试验台的基本结构和测试原理  39-49
    3.1.1 B型风管出气试验系统组成及试验仪器  39-42
    3.1.2 风机出气试验气动性能参数的测试原理  42-45
    3.1.3 风机出气试验气动性能参数的计算与换算  45-49
  3.2 轴流风机气动性能试验  49-74
    3.2.1 试验叶轮设计参数  49-50
    3.2.2 试验装置与方法  50-56
    3.2.3 试验数据与分析  56-74
  3.3 本章小结  74-76
4 轴流风机内部流场数值模拟结果与分析  76-105
  4.1 CFD计算流体力学软件介绍  77-78
  4.2 三维计算模型的建立  78-81
    4.2.1 流动控制微分方程和湍流模型  78-79
    4.2.2 几何模型和三维网格划分  79-80
    4.2.3 边界条件的定义  80-81
  4.3 数值模拟结果与气动性能试验数据的对比分析  81-89
    4.3.1 全压试验值与模拟值的对比  81-83
    4.3.2 静压试验值与模拟值的对比  83-85
    4.3.3 效率试验值与模拟值的对比  85-87
    4.3.4 轴向速度计算值与数值模拟结果的对比  87-89
  4.4 设计工况下轴流风机内部流动的三维CFD分析  89-103
    4.4.1 轴流风机内部速度场分析  90-97
    4.4.2 轴流风机内部压力场分析  97-103
  4.5 本章小结  103-105
5 轴流式灭火风机气动性能试验研究与数值模拟  105-153
  5.1 不同叶片数和叶型安装角对轴流式灭火风机气动性能影响的试验  105-127
    5.1.1 试验对象  105-106
    5.1.2 试验装置与试验步骤  106-109
    5.1.3 试验数据与分析  109-127
  5.2 轴流式灭火风机内部流动的数值研究  127-138
    5.2.1 三维计算模型的建立  128-130
    5.2.2 数值模拟结果与试验数据的对比分析  130-138
  5.3 设计工况下轴流式灭火风机内部流动的CFD分析  138-151
    5.3.1 轴流式灭火风机内部速度场分析  139-145
    5.3.2 轴流式灭火风机内部压力场分析  145-151
  5.4 本章小结  151-153
6 结论与展望  153-156
  6.1 本文主要结论  153-154
  6.2 研究的创新点  154
  6.3 建议与不足  154-156
参考文献  156-162
个人简介  162-163
导师简介  163-164
在读博士期间发表的论文  164-165
致谢  165

轴流式风力灭火机的轴流叶轮气动性能研究

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