【摘要】：無葉風(fēng)扇的問世為風(fēng)機(jī)領(lǐng)域引入了新的吹風(fēng)機(jī)制——環(huán)形縫隙射流。因無葉風(fēng)扇的“空氣倍增”特性(上方出風(fēng)量比下方進(jìn)氣量增加多倍)、湍流研究的重要性,以及中空噴嘴的自由氣體環(huán)形縫隙射流的研究缺失性及其良好的應(yīng)用前景,無葉風(fēng)扇出口環(huán)形縫隙射流的研究具有較高的學(xué)術(shù)及應(yīng)用價(jià)值。本文采用了以熱線風(fēng)速儀測速與通風(fēng)多參數(shù)檢測儀測壓的兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為主、RNG k-e模型的數(shù)值模擬為輔并結(jié)合湍流理論研究的方法,在多雷諾數(shù)下,對(duì)無葉風(fēng)扇出口環(huán)形縫隙射流進(jìn)行了較為全面系統(tǒng)的研究。本文的目的是通過時(shí)均流與湍動(dòng)流(包括小尺度湍流)在各橫截面及沿軸線的各流動(dòng)參量的剖面,獲得無葉風(fēng)扇出口環(huán)形縫隙射流的流動(dòng)特性、流場結(jié)構(gòu)及射流的完整發(fā)展,從中深入研究無葉風(fēng)扇“空氣倍增”的根本內(nèi)在機(jī)理——擬序運(yùn)動(dòng)及其演變的規(guī)律,闡釋了擬序運(yùn)動(dòng)對(duì)于出口環(huán)形縫隙射流各階段發(fā)展所起的具體作用以及湍流場的間歇性狀態(tài),此外,以新型的偏心縫隙結(jié)構(gòu)實(shí)施對(duì)環(huán)形縫隙射流的被動(dòng)控制,并分析雷諾數(shù)對(duì)流場的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)了以下流動(dòng)現(xiàn)象和結(jié)論:1.無葉風(fēng)扇流動(dòng)特性及擬序運(yùn)動(dòng)的研究。無葉風(fēng)扇的高雷諾數(shù)出口環(huán)形縫隙射流,經(jīng)Coanda效應(yīng),通過擬序結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而形成了高湍動(dòng)強(qiáng)度的自由剪切層。因擬序運(yùn)動(dòng),無葉風(fēng)扇所謂的“空氣倍增”由兩處卷吸共同實(shí)現(xiàn):一為對(duì)出風(fēng)框前方沿程氣體的展向裹入卷吸,二為對(duì)出風(fēng)框后方氣體的向前卷吸。本文的模擬中,在出風(fēng)框前方3m處的出風(fēng)流量為下方進(jìn)氣量的26.6倍,其中前方沿程氣體的帶入量為后方氣體的2.41倍。后方被卷吸向前的氣體,進(jìn)入了近場區(qū)的環(huán)形射流的內(nèi)部,從而使該區(qū)域的擬序運(yùn)動(dòng)狀況對(duì)整個(gè)流場產(chǎn)生了重要的影響。沿流向,吸入周圍流體的展向馬蹄渦的尺度及下端缺口均越來越大,上下不對(duì)稱而水平方向基本對(duì)稱。因此,無葉風(fēng)扇的出口流場中,時(shí)均速度場、脈動(dòng)速度場及壓力場在垂直方向上均為軸不對(duì)稱分布,而在水平方向均為基本軸對(duì)稱分布。環(huán)形縫隙射流對(duì)外界氣體的卷吸整體隨雷諾數(shù)的增加而增長,而近場環(huán)形射流內(nèi)部的卷吸在總體上卻隨雷諾數(shù)的增加而降低。2.無葉風(fēng)扇出口環(huán)形縫隙射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及小尺度湍流的研究。在近場區(qū)的環(huán)形射流內(nèi)部,沿流向,環(huán)形縫隙射流對(duì)后方氣體的向前卷吸逐漸衰變。約在流向0.5d處(d為Coanda面的喉部直徑,以出風(fēng)框的前端面為基準(zhǔn)),展向馬蹄形渦結(jié)構(gòu)對(duì)下方流體的“吸入”開始活躍,沿流向,這種向上的吸入越來越強(qiáng)烈;約至流向1.5d處,上側(cè)大尺度擬序結(jié)構(gòu)使環(huán)形射流開始向上合并,下側(cè)流場被“吸入”上側(cè);同時(shí),流場合并中的擬序運(yùn)動(dòng)使剪切層失穩(wěn),流向2.2d處小尺度湍流因此被激發(fā)得最充分,2.2d之后湍流場隨擬序結(jié)構(gòu)的緩慢衰變而衰變;約流向3d處,環(huán)形縫隙射流基本完成合并。全流域的時(shí)均速度、軸線0.7d~2.2d之間的湍流強(qiáng)度均隨雷諾數(shù)的增加而增長。湍動(dòng)能耗散率、Kolmogorov尺度η等小尺度湍流的流動(dòng)量比時(shí)均流更早進(jìn)入自相似狀態(tài),對(duì)于流場條件的變化,小尺度湍流反應(yīng)更靈敏。3.無葉風(fēng)扇出口環(huán)形縫隙射流的合并后單股射流的研究。合并而成的單股射流與經(jīng)典圓形射流存在根本性的區(qū)別,其射流擴(kuò)展并不具備完全的軸對(duì)稱性。雷諾數(shù)對(duì)合并后射流在垂直方向的特征半厚度影響不大,雷諾數(shù)對(duì)合并后射流的卷吸效應(yīng)主要在于水平方向的正向影響。高雷諾數(shù)可提高合并后射流的大渦含能量,促進(jìn)湍流更充分地發(fā)展,亦加快了下游湍流場的流向衰變。4.無葉風(fēng)扇出口環(huán)形縫隙射流的被動(dòng)控制研究。無葉風(fēng)扇在現(xiàn)階段尚存垂直方向的流場不均衡、增大通風(fēng)量及降噪的問題。本文提出的S0.9型、S0.75型與S0.6型的三種偏心縫隙的新型結(jié)構(gòu),經(jīng)預(yù)測性良好的RNG k-e模型的數(shù)值模擬的驗(yàn)證,對(duì)于無葉風(fēng)扇垂直流場的不均衡均有較高的改善作用,并在一定程度上增大了通風(fēng)量。其中,S0.6型在中遠(yuǎn)場區(qū)的控制最佳。偏心結(jié)構(gòu)能夠控制流場的根本原因在于在近場區(qū)減弱了上側(cè)擬序運(yùn)動(dòng)而增強(qiáng)了下側(cè)擬序運(yùn)動(dòng);近場區(qū)的環(huán)形射流內(nèi)部為控制無葉風(fēng)扇環(huán)形縫隙射流的重要區(qū)域。
【圖文】：

圖 1.1 無葉風(fēng)扇結(jié)構(gòu)簡圖圖 1.2 無葉風(fēng)扇出口環(huán)形縫隙射流卷吸空氣并非沒有扇葉，它的扇葉（渦輪風(fēng)機(jī)）內(nèi)置于下部底座，地屏蔽了扇葉所產(chǎn)生的部分噪音[12]；傳統(tǒng)有葉風(fēng)扇葉片的的“切割”刺激，而無葉風(fēng)扇則吹風(fēng)較穩(wěn)定，無劇烈的拍。由于環(huán)形縫隙射流對(duì)后方氣體及前方沿程氣體產(chǎn)生了相

2圖 1.2 無葉風(fēng)扇出口環(huán)形縫隙射流卷吸空氣沒有扇葉，它的扇葉（渦輪風(fēng)機(jī)）內(nèi)置于下部底蔽了扇葉所產(chǎn)生的部分噪音[12]；傳統(tǒng)有葉風(fēng)扇葉“切割”刺激，而無葉風(fēng)扇則吹風(fēng)較穩(wěn)定，無劇烈于環(huán)形縫隙射流對(duì)后方氣體及前方沿程氣體產(chǎn)生了文獻(xiàn)及戴森公司的公開信息，無葉風(fēng)扇的出風(fēng)流量 倍[13-14]。據(jù)有關(guān)報(bào)道，，無葉風(fēng)扇的出風(fēng)量相當(dāng)于目可降低 1/3 的能耗；相比于傳統(tǒng)有葉風(fēng)扇，無葉風(fēng)扇卷吸達(dá)到了“空氣倍增”的吹風(fēng)效果，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能高風(fēng)機(jī)研究者的極大興趣，此為無葉風(fēng)扇的主要研究風(fēng)扇的“空氣倍增”為湍動(dòng)環(huán)形縫隙射流中擬序結(jié)
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH43

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2639075