流体机械叶轮设计的研究与发展-力学进展.PDF

第 27 卷 　第 3 期 力　学　进　展 Vol 27 　No 3 1997 年 8 月 25 日 ADVANCES IN MECHAN ICS Aug25 , 　1997 流体机械叶轮设计的研究与发展 罗兴　　廖伟丽　　　　　　　林汝长　陈乃祥 西安理工大学水力机械及自动化研究所 , 西安　710048 　　清华大学水电系 , 北京　100084 摘 　要 　对不可压缩流体机械 (水力机械、低速气体机械) 叶轮设计的研究现状作了全面的 介绍 , 就各种准三维、全三维反问题和优化问题的设计方法进行了评述. 结合笔者对混流式 水轮机转轮的全三维反问题和优化问题的研究与实践 , 对叶轮设计的发展方向提出了建议. 关键词 　流体机械 , 叶轮 , 反问题 , 优化设计 1 　引 　言 　　流体机械通流部件中的流体运动是非常复杂的三维不定常可压缩粘性流体运动. 近年 来 , 由于计算流体力学和计算技术的迅速发展, 流体机械通流部件内的正问题研究较为成 熟 , 各种型式的叶片式流体机械 , 其各个过流件的三维湍流流动有限元法和有限体积法 (差 分法) 的数值计算都有研究和应用[1～3 ] , 只是湍流模型尚待进一步完善. 可是 , 通流部件 的设计仍是建立在传统通流理论基础上的一维和二维方法. 目前国内外流体机械叶轮的设计 方法绝大多数是以吴仲华[4 ] 1952 年提出的两类流面理论为基础发展起来的. 80 年代中期以 ( ) 来 , 流体机械通流部件的三维流动分析有了长足的发展 , 它已成为通流部件气动 水力 设 计的重要辅助工具. 随着技术的不断进步 , 对流体机械叶轮的综合性能提出越来越高的要 求 , 传统的设计方法已满足不了发展的需要 , 三维反问题计算也愈来愈受到重视. 本文以不可压缩流动的流体机械 (水力机械和低速气体机械) 为主 , 主要对 80 年代初 期以来叶轮的三维反问题和优化问题进行全面综述 , 并指出发展前景和方向. 2 　叶片设计问题的提法 　　根据叶栅流动理论及叶片式流体机械水动 (气动) 力学计算问题的提法、叶片设计问题 有下列几种提法[5 ,6 ] : ( ) ( ) 1 给定叶片表面的速度 或压力 分布 , 求叶片的几何形状 ; (2) 给定叶片一边 ( 一般为吸力面) 的速度分布和叶片的厚度分布 , 求叶片的几何形 状 ; 3·72 · (3) 给定叶片一边 (一般为吸力面) 的几何形状及速度分布 , 求出另一边的几何形状及 速度分布 ; ( ) ( ) 4 给定叶片上的负荷分布 正背面压差分布 及厚度分布 , 求叶片的几何形状 ; (5) 给定叶片上的速度矩 V r 分布及厚度分布 , 求叶片的几何形状. θ 严格来说 , 第 ( 1) 种提法称为反问题 , 第 (2) 至第 ( 5) 种提法称为杂交问题. 本文 从工程应用角度将它们统称