Оптимизация объемного расхода воздуха направляющих лопаток осевого вентилятора на основе DOE и CFD

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4439 (2023) Цитировать эту статью

784 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Неразумная конструкция направляющих лопаток осевого вентилятора может иметь негативные последствия. Чтобы повысить производительность, взаимосвязь между объемным расходом воздуха выбранного осевого вентилятора и геометрическими параметрами направляющих лопаток сначала анализируется с помощью DOE и CFD, а оптимальные параметры находятся с помощью метода Гауссова процесса. Результаты показывают, что количество и общая хорда направляющих лопаток оказывают нелинейное влияние на объемный расход воздуха, а общая хорда лопаток является основным фактором, влияющим на результаты расчета. Для конкретной конфигурации, изученной здесь, оптимальная конструкция направляющих лопаток показывает, что уменьшение хорды лопаток на 38 мм и увеличение количества лопаток до 18 может обеспечить больший поток воздуха при той же скорости вращения.

Осевой вентилятор, важное механическое устройство в производстве и быту, широко используется в быту и промышленном производстве. В Китае энергопотребление насосов и вентиляторного оборудования составляет более половины выработки электроэнергии в стране, а эффективность работы вентиляторного оборудования в реальном производстве и эксплуатации составляет около 40–60%, что намного ниже норматива. Эффективное повышение эффективности вентиляторов может снизить потребление электроэнергии, что имеет большое значение для энергосбережения, сокращения выбросов и защиты окружающей среды1.

Аэродинамические характеристики осевых вентиляторов сложны, и основными влияющими факторами являются следующие: количество лопаток, форма, угол установки лопаток, размер зазора между кончиками лопаток, соотношение законцовок ступицы, коллектор, диффузор и т. Д. Многие ученые проводили имитационный анализ. на поток воздуха внутри осевого вентилятора с помощью метода CFD (вычислительная гидродинамика) и получил множество результатов. Например, Vad2 обнаружил, что безлопастные компрессионные роторы и производительность осевых вентиляторов можно эффективно улучшить за счет наклона лопастей вперед и их стреловидности вперед. Hurault и др.3 изучили влияние размаха вентилятора осевого потока на воздушный поток с помощью CFD и экспериментов и обнаружили, что размах сильно влияет на турбулентную кинетическую энергию после вентилятора. Айкут и Юнверди4 провели CFD-моделирование шестилопастного осевого вентилятора и сравнили результаты моделирования с данными испытаний, полученными из камеры AMCA. При моделировании реализована стандартная k-ε-модель турбулентности, и результаты показывают, что модель недостаточна для расчета местоположения точки отрыва и изменения давления на поверхности лопаток для отрывных потоков. Аэродинамические характеристики и шум бионического вентилятора оптимизированы Ченом и др.5 с использованием функции потери массы Тагучи для снижения шума и увеличения массового расхода. Li6 параметризовал влияние угла лопасти и радиального угла лопасти, используя численную модель тепловой жидкости, проверенную ранее. Ван и др.7 объединили искусственные нейронные сети и генетические алгоритмы для оптимизации вычислений. Результаты расчетов показывают, что с помощью этого метода можно эффективно улучшить изоэнтропический КПД и запас устойчивости системы. Краткое изложение этих исследований показано в Таблице 1. Литература8,9 представляет собой численную основу для прогнозирования шума с помощью процедуры CFD, а вторая представляет собой сравнение моделей турбулентности в прогнозировании тонального шума, что является хорошим справочным материалом для прогнозирование шума в будущих исследованиях. Кроме того, результаты моделирования были проверены многими существующими исследованиями, которые могут предоставить полезную информацию для завершения оптимизации10,11,12,13.

В приведенных выше исследованиях в основном изучаются параметры вентиляторов без учета влияния направляющего аппарата на объемный расход воздуха. Передний направляющий аппарат может заставить воздушный поток производить отрицательное предварительное вращение в противоположном направлении вращения лопасти, что приводит к тому, что осевой поток осевого вентилятора создает скорость намотки, чтобы улучшить общее давление осевого вентилятора. Когда жидкость проходит через лопасти, она создает частичную скорость в окружном направлении, а задний направляющий аппарат может изменить направление потока, так что кинетическая энергия, создаваемая частичной скоростью, может быть преобразована в энергию давления. Можно сделать вывод, что направляющие лопатки являются важным фактором, влияющим на эффективность осевых вентиляторов. Наилучшие конструктивные параметры направляющих аппаратов осевого вентилятора получены с помощью метода DOE (Design of Experiments), который обеспечивает исследовательскую основу для оптимизации направляющих аппаратов других осевых вентиляторов.