Аэродинамическое проектирование и оптимизация форм тонких лопастей решеток регулируемых осевых вентиляторов

• Автор: Батяев, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 101 с. : ил

Содержание
Введение.
Глава I. Обратная задача аэродинамики решетки при конечном числе ее геометрических параметров.
§1. Постановка обратной задачи для плоской прямой решетки тонких профилей.
§2. Метод решения обратной задачи.
§3. Примеры тестового расчета и особенности решения.
§4. Обратная задача для пространственной решетки и приближенный метод ее решения.
§5. Тестовые расчеты и сравнение с экспериментом.
Глава II. Оптимизация форм лопастей решетки регулируемого вентилятора.
§1. Метод решения оптимизационной задачи.
§2. Отрывное обтекание решетки тонких профилей.
§3. К определению потерь полного давления, обусловленных
отрывом потока с передних кромок лопастей.
§4. Постановка задачи об аэродинамическом проектировании решетки регулируемого вентилятора при минимизации потерь давления.
§5. Пример решения оптимизационной задачи.
Приложение. Расчет геометрических параметров и аэродинамических характеристик шахтных и тоннельных осевых регулируемых вентиляторов.
1. Обоснование выбора расчетных значений аэродинамических параметров шахтных и тоннельных осевых вентиляторов.
2. Примеры расчета геометрических параметров лопаток рабочих колес и аэродинамических характеристик регулируемых осевых вентиляторов.
Заключение
Литература

Введение
Вентиляция бытовых и промышленных помещений является неотъемлемой и важной частью их эксплуатации. По данным литературы, в СССР на вентиляцию расходовалось около 18% вырабатываемой в стране электроэнергии, в том числе, на проветривание шахт, рудников и подземных сооружений до 4%. Особенность «шахтной» вентиляции состоит в том, что потребная мощность вентиляционных установок на различных шахтах может отличаться на два порядка, а на одной и той же шахте, в процессе се разработки — в несколько раз. Указанные обстоятельства затрудняют стандартизацию их производства по типу бытовых и приводят к необходимости индивидуального их проектирования и изготовления.
Центром исследований, проектирования и монопольным изготовителем крупных вентиляторов для горной промышленности в СССР была Украина. Однако, в отсутствие конкуренции, необходимые исследования. направленные на совершенствование выпускаемой техники производились недостаточно, а разработкой перспективных направлений её развития соответствующие организации практически не занимались. Исследования в данном направлении и проектирование машин в основном выполнялись на базе эмпирических соотношений, периодически уточняемых натурными аэродинамическими экспериментами, проводимыми без средств автоматизации обработки данных. При этом, методы математического моделирования обтекания лопаток и целые направления в развитии данной техники не разрабатывались. В результате, эксплуатационный КПД отечественных вентиляторов находится в пределах 0.12 ч-0.38, т.е. народное хозяйство несет огромные потери из-за перерасхода электроэнергии [1, 2].
Дополнительный перерасход электроэнергии до 42% возникает в результате отсутствия достаточной глубины регулирования режимов работы вентиляторов, связанных с сезонными и суточными изменениями в потребности воздуха. Кроме того, современные вентиляторы не обеспечивают эффективного реверсирования и форсирования вентиляционного режима в случае аварийной ситуации [2].
В этой связи, развитие эффективных методов аэродинамического проектирования высокоэкономичных решеток регулируемых вентиляторов приобретает первостепенное значение.
Для определения геометрических параметров решетки, которая бы удовлетворяла предъявляемым к вентилятору требованиям может быть

сформулирована обратная задача ее обтекания. Решение же обратной задачи обтекания решетки, как правило, основано на решении прямой задачи, заключающейся в отыскании кинематических параметров потока жидкости через известную решетку. К настоящему времени теоретические методы решения прямой задачи гидродинамики решеток получили достаточно широкое развитие, которые подробно изложены, например, в книгах Н.Е.Кочина [3, 4|, Г.В.Викторова [5], Г.Ю.Степанова [6], Г.С.Самойловича [7] и других. К настоящему времени, соответствующие теоретические модели прямой задачи аэродинамики решетки, как в отношении геометрии решеток, так и в отношении параметров набегающего потока, все более приближаются к реальным условиям. В то время как методы решения обратных задач, в силу их сложности, получили развитие лишь для простых моделей, а именно, для плоских решеток в потоке идеальной, несжимаемой жидкости [5, 6, 8 11].
Для решения практических вопросов аэродинамического проектирования обычно применяется метод интерполяции полуэмпирических аэродинамических характеристик решеток. Так, например, для проектирования осевых вентиляторов такие характеристики представлены в монографиях И.В.Брусиловского 112—14], в которых проведено обобщение систематических экспериментальных исследований аэродинамики решеток.
Большое отличие моделей, для которых развиты методы решения обратных задач, от реальных условий и ограниченность экспериментальной информации об аэродинамических характеристиках решеток при различных сочетаниях множества исходных параметров не позволяют в достаточной степени решить проблему оптимизации при проектировании вентиляторов. Поэтому поиск новых подходов для аэродинамического проектирования решеток представляет собой актуальную задачу. Прежде всего, это касается развития и создания новых методов решения обратных задач обтекания решеток.
Проведем анализ существующих методов решения обратных краевых задач аэрогидродинамики (ОКЗА).
Среди представленных в литературе подходов к решению ОКЗА наибольшее развитие и практическое применение получили методы основанные на использовании теории конформных отображений. Общим для данного подхода является определение формы крылового профиля решетки по заданному на его поверхности распределению скорости (или давления), обеспечивающему получение требуемых аэродинамических

Рис. 1.8: Схема сечения лопатки
где хог, уог, А, 1ц, хт{, утг- - геометрические параметры г-го профиля (Рис.1.1, 1.3), г = 1, 2; А = 1... Л^, - количество точек разбиения.
Используя гипотезу цилиндрических сечений, а также принцип равномерного изменения параметров течения и лопаток вдоль радиуса, ограничим количество расчетных сечений лопатки до N наиболее характерных, каждое из которых расположено на определенной высоте гк, к = 1... N (Рис.1.7). Таким образом общее количество параметров, характеризующих геометрию лопаток, определяется множеством, состоящим из 12 N независимых параметров:
Р' = {4, 4, 4, Ьк, хктЬ уУ (* = 1,2; к = 1... IV) (1.25)
Учитывая дискретный характер представления пространственности лопатки и слабую искривленность вентиляторных лопаток, условие (1.23), приближенно при помощи формулы трапеций, можно переписать в виде:

(1.26)
Е КТ + Щ') - (J + Щ Ж - П = 0;

В свою очередь, величины Jxy, JX) Jy для уравнений (1.23), учитывая что 6 — const, с достаточной точностью можно находить из соотношений:

i=1 j=1 ^
Jxy — 52 52 о faj "P xij+l)(yij "P Vij+l) "P XijUij ~b Xij+ll/ij+l