2021年, 第49卷, 第12期　
刊出日期：2021-12-31

  

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试验研究
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  离心泵泵轴强度校核关键参数动态特性的试验研究

  曹蕾, 武永顶, 庄海飞, 夏铭, 王文魁

  流体机械. 2021, 49(12): 1-5. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.001

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  针对泵轴强度传统校核方法与经验公式不能反映泵轴动态力学特性的问题，应用应变测量技术，得到了小流量、设计流量、大流量3个工况下泵轴危险截面附近弯曲应力、剪切应力、拉应力的实测瞬态数据。结果表明，剪切应力与拉应力随时间脉动幅度较小，峰峰值约为相应时均值的20%；而弯曲应力脉动峰峰值大于相应工况下其他两类应力时均值的2倍，且存在正负方向的交变，是诱发疲劳破坏的主因。弯曲应力的脉动主要来源于叶轮水力径向力随叶轮旋转的周期性变化，脉动主频为1倍转频。小流量工况下泵轴安全系数较小，应是强度校核工作的重点关注工况。
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  喷嘴流道数对涡流管性能影响的试验研究

  何丽娟, 赵辉通, 李海燕, 孙宁宇

  流体机械. 2021, 49(12): 6-11,18. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.002

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  为了研究涡流管结构参数与操作参数的特性，并寻找最佳制冷工况与结构参数，搭建了涡流管性能测试实验台，研究以二氧化碳作为工质，进口压力在0.2～0.6 MPa、冷流率在0.1～0.9范围，喷嘴流道数（N=3～6）对涡流管能量分离性能的影响。试验研究表明，制冷、制热效应在0.4 MPa达到峰值后出现下降，冷流率为0.4时最佳制冷温度效应24.8℃，冷流率为0.9时最佳制热温度效应32.0℃；当进口压力为0.4 MPa时，3流道喷嘴性能较差，6流道喷嘴性能最好。
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  融霜工况下压缩机运行频率对空气源热泵机组制热性能的影响

  翁文兵, 李晓, 李霞

  流体机械. 2021, 49(12): 12-18. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.003

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  为研究融霜工况下压缩机运行频率对热泵机组制热性能的影响，通过试验对融霜工况下空气源热泵机组在不同频率下的特性进行了研究。结果表明，热泵机组以80 Hz以下频率制热运行时，机组在一个制热-融霜周期内的产热、融霜耗热、结霜质量基本不变。热泵机组周期平均制热量随压缩机运行频率并非单调上升，而在80 Hz时出现了最大值，运行频率超过80 Hz后，周期平均制热量反而有所降低。当压缩机运行频率超过73 Hz后，机组周期平均功率增加量已超过了平均制热量的增加量，即提高频率后的整机效率，不如固定频率73 Hz加辅助电热的整机效率。
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  严寒地区热管式太阳能PV/T系统性能的试验研究

  李美萱, 郭春梅, 李勇刚, 胡凯

  流体机械. 2021, 49(12): 19-25. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.004

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  为了测试热管式PV/T系统在严寒地区的性能，搭建了热管式PV/T系统的试验台，并以严寒地区典型城市——天津市为试验地点，测试了天气良好情况下系统的性能，包括系统的瞬时发电效率、全天的发电效率、全天的集热效率，以及光伏电池板的温度随光照时间和冷却水流量的变化特性，比较了热管式PV/T系统和PV系统的性能。测试结果表明，在一天的太阳辐射下，热管式PV/T系统与PV系统的最大温差可达8℃，发电效率较PV系统提高了2.65%，系统光伏电池板全天的发电效率约为13.7%，集热效率为19.3%，全天的发电量为3.8 MJ，蓄热水箱的最高温度达到了46.4℃，可以满足人们对生活热水的要求。同时针对热管式PV/T系统集热效率偏低的情况，增设储水箱后，系统的热效率可达到32.3%。此次的试验研究结果对热管式PV/T系统的在严寒地区的应用具有一定的指导意义。
设计计算
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  倾斜导叶对斜流风机性能影响的数值模拟研究

  韩洁婷, 李诗徉, 张宇, 叶豪杰, 吴大转

  流体机械. 2021, 49(12): 26-34. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.005

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  为提升斜流风机的气动性能，对斜流风机采用了倾斜导叶设计，并利用流体径向压力梯度对其壁面流体堆积的改善作用进行理论分析。对5种不同倾斜角度的斜流风机导叶进行了数值模拟研究，获得了斜流风机内部流场和气动性能曲线。并依据径向速度和轴向速度分布特征，从流体流通性和能量损失的角度分析了流场结构随导叶倾斜角度的变化规律，验证了理论分析结果。研究结果表明：导叶倾斜引起的径向速度值越接近于0、分布越均匀，且端壁区轴向速度越高、低速区覆盖面积越小，越有利于提升斜流风机气动性能；导叶前倾可提升斜流风机全流量区间（0～1 400 m³/h）的全压，其中，前倾20°时在设计工况（1 200 m³/s）下提升全压效率约2%；后倾导叶作用相反。研究结果对于风机叶片改型设计的气动性能改善方法具有较好的指导意义。
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  涡旋压缩机非对称变壁厚涡旋齿的设计与受力特性分析

  李雪琴, 韩奕, 奚周瑾, 李祥艳, 王君, 董丽宁

  流体机械. 2021, 49(12): 35-41. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.006

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  针对现有对称变壁厚涡旋齿涡旋压缩机，其动涡旋齿和静涡旋齿均为变壁厚，动涡旋齿在公转平动过程中会因质量大而导致动力特性差的问题，基于法向等距原理提出了一种新型非对称变壁厚涡旋齿结构，其静涡旋齿为变壁厚，而动涡旋齿为等壁厚，构建了全啮合涡旋型线，讨论了修正参数对于涡旋压缩机性能的影响，并对比了新型非对称变壁厚涡旋齿和现有对称变壁厚涡旋齿的应力和变形。研究结果表明：新型非对称变壁厚涡旋齿能明显降低涡旋齿在工作中的应力和变形；动涡旋齿的最大应力降低了6.25%，最大变形量降低了5%。
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  基于正交试验的微通道翼形流场特征分析

  史周浩, 谢占山, 施卫东, 张庆宏, 陈成, 曹宇鹏, 谭林伟

  流体机械. 2021, 49(12): 42-48. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.007

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  为抑制翼型的空化，提出了基于微通道技术的空化抑制方式，以NACA翼型为载体，并在其易发生空化区域设置局部微通道，利用正交试验的方法，设计了影响翼型空化的inlet 1来流速度、inlet 2微通道出口压力、微通道出口孔数与孔型等参数的混合水平正交试验，以数值仿真为手段寻求探究局部微通在不同因素及水平下各因素与水平对于低压区的抑制效果，通过极差分析得到各参数对空化影响的主次顺序和一组最优参数组合。研究表明：翼型来流速度是影响空化的最主要的因素，其次为微通道出口压力大小；采用多孔结构的微通道布局可以有效缩小低压区面积并抑制空化规模。综合对比发现，翼型来流速度15 m/s，微通道出口压力1.01×10⁵ Pa，采用单排方孔状的微通道出口结构的翼型为本文的最优方案。优化方案与原翼型相比空化面积减少90%以上，低压区面积减少一半，且流场与原始翼型的流场基本无变化。本试验结果对其他流体机械采用微通道抑制空化方法具有一定的参考价值。
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  环形间隙密封泄漏率计算方法研究

  胡琼, 肖洋, 卢迪, 曹志康, 王旭华, 王衍

  流体机械. 2021, 49(12): 49-54,61. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.008

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  为了提高环形间隙密封在封油时的泄漏率计算精度和效率，通过网格无关性检验和试验验证获得了较准确的数值计算方法，并基于此开展了不同关键因子（表面粗糙度、轴向锥度、偏心量和周向线速度）影响下的理论计算研究。结果显示：工业应用中，间隙内油液流动多为层流，油膜网格层数不小于4层，纵横比取1～1.5时，数值计算结果稳定；层流时，表面粗糙度对泄漏率没有影响，而紊流时，粗糙度越大，泄漏率越小；间隙的收敛或发散几乎不影响泄漏，将综合膜厚乘以2修正，理论泄漏率与数值结果十分吻合；两种方法间的计算偏差随偏心量的增大而增加，偏心量不大于0.2 mm时，吻合较好；泄漏率随转速的上升而明显减小，与一般结论不同。
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  IHV变截面涡旋型线等效齿厚计算模型与几何性能分析

  刘涛, 冯志国, 孙永吉

  流体机械. 2021, 49(12): 55-61. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.009

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  针对等截面涡旋型线压缩比小和效率低的问题，提出一种由基圆渐开线-高次曲线-变径基圆渐开线（IHV）组合成的变截面涡旋型线，以发挥各类曲线的优点。依据法向等距线法建立了涡旋数学模型，综合考虑基圆半径、变径基圆变径系数以及型线连接点渐开角等几何参数提出IHV型线涡旋齿等效齿厚计算模型，得到齿厚随渐开角变化规律并定量分析了各参数对型线齿厚的影响。建立IHV型线行程容积、压缩比和泄漏线长度等性能指标计算模型并对其性能进行评估。研究结果表明：变径系数时，与圆渐开线构成的等截面型线相比，IHV涡旋型线行程容积增大5.82%，压缩比增加6.95%，径向泄漏线长度缩短26.80%；与常见的IHI变截面型线相比，行程容积和压缩比分别提高6.57%，7.85%。
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  空气源热泵换热器沙尘冲蚀磨损模拟研究

  马广兴, 孙煜光, 杜聪, 武振东, 杨伟杰

  流体机械. 2021, 49(12): 62-69. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.010

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  针对沙尘对空气源热泵平直管翅式换热器表面冲蚀磨损问题，以平直管翅式换热器为研究对象，建立换热器单一进气单元模型，运用数值模拟方法，采用SST k-ω湍流模型、拉格朗日随机轨道模型、DPM模型，研究气流速度、颗粒物粒径和浓度对换热器表面磨损规律。结果表明：随着气流速度增大，换热器表面平均磨损率呈正相关递增；随着颗粒物粒径的增大，换热器表面平均磨损呈先增大后减小最后趋于平缓的趋势，在10～30 μm的粒径区间内换热管的磨损率出现峰值；随着颗粒物浓度增大，换热器表面磨损率呈线性递增；在上述3个影响因素中，大粒径颗粒物产生冲蚀磨损受气流速度的影响大于粒径的影响，浓度的影响程度最小；但小粒径和峰值粒径区间颗粒物引起的冲蚀磨损中，粒径对冲蚀的影响大于风速的影响。
应用技术
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  多级降压调节阀阀芯流阻特性及参数分析

  王冠, 邓建飞, 寇琳媛, 金鹏飞, 朱学军, 马玉山

  流体机械. 2021, 49(12): 70-77. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.011

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  为了系统研究节流结构参数对调节阀降压性能的影响，对串式多级降压调节阀阀芯的内流与节流特性进行了研究，分析了不同结构参数对其内部流动特性的影响规律。结果表明，多级降压调节阀整体流量系数随着开度的增大而增大；流道倾角对节流结构控压性能有重要影响，当节流结构流道倾角设置为48°时，可以获得最低的紊流度；倒角能够显著减少涡流的产生；在流道倒角位置采用6 mm倒角时较无倒角方案平均湍动能降低73%，同时能够有效降低湍流耗散率，减小出口处分配的压降，避免汽蚀的发生。研究结果能够为串式多级降压调节阀的结构设计与优化提供理论支持。
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  往复压缩机管路系统气固耦合振动特性研究

  赵杰, 姚冉, 王雯昕, 周晶, 王博阳

  流体机械. 2021, 49(12): 78-85,94. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.012

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  基于瞬时动力学和流体力学理论，采用双向流固耦合数值模拟计算方法，对往复压缩机管路进行气固耦合分析、模态分析和谐响应分析，预测气固耦合和非耦合作用下管路振动响应，并与试验台测量获得的振动响应数据进行对比。研究结果表明：该机组振动超标的原因是在2阶9倍频下发生共振，考虑气固耦合作用下的管路振动响应预测相对精确（耦合作用误差率为9.8%，非耦合作用的误差率为52.5%），试验与仿真结果的比对也进一步验证了用仿真手段研究和预测气固耦合作用下往复压缩机管路振动特性分析的正确性。进而预测考虑耦合作用下高压和超高压工况对管道固有频率的影响，预测结果表明：当气体压力在0.6～195 MPa之间，管道的固有频率基本不会随着工况的改变而改变，为固有频率的平稳区，在195～300 MPa之间时管道的固有频率进入上升区，研究结果为往复压缩机管路系统振动特性研究中是否需要考虑流固耦合作用提供参考。
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  汽车空调离心风机噪声的检测与优化

  李明, 侯高林, 束磊, 韦长华, 马纯强

  流体机械. 2021, 49(12): 86-94. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.013

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  为满足人们对汽车内环境舒适性的高要求，解决某汽车空调离心风机噪声对舒适性的影响，针对离心风机在高转速225 Hz处的异响，利用有限元对离心风机的气动噪声和机械噪声进行仿真分析。研究结果表明：造成风机异响的主要原因是扇叶区域的气动噪声，内部流域最大噪声达到82.076 dB，最终对法兰添加深度0.5～2 mm，直径5 mm，间隔7～20 mm的凹槽，有效稳定了扇叶区域气流，消除了异响。
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  工业厂房中旋流型屋顶通风器作用下自然通风特性研究

  孟晓静, 徐扬帆, 付林志, 康思远

  流体机械. 2021, 49(12): 95-100. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.12.014

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  为了提升旋流型屋顶通风器作用下的工业厂房自然通风效果，通过数值模拟的方法研究了工业厂房中旋流型屋顶通风器作用下，自然通风系统在不同室外风速条件下的通风量、气流组织及温度分布规律。结果表明：在一定热源强度条件下，室外风速小于0.6 m/s时工业厂房以热压通风为主，室外风速大于1.4 m/s时以风压通风为主；厂房内垂直温度随室外风速的增加先稍有升高后降低。研究结果为工业厂房中旋流型屋顶通风器作用下自然通风系统优化设计提供了参考。