文档介绍
| 离心风机作为一种通用流体机械,广泛应用于电力、冶金、石化、煤炭和矿山等工业领域,是工业生产中提供气体动力的重要工艺设备。其中很大一部分离心风机在含颗粒的气-固两相流体介质中工作,气流中的颗粒会与风机叶片表面发生碰撞产生冲蚀,导致叶片磨损失效。目前提高离心风机叶片耐磨性的措施是对叶片表面进行适当的耐磨处理,或者采用耐磨性好的材料制作风机叶片。仿生学是近年来发展很快的一门前沿科学,其应用成果已经涉及到很广泛的工程技术领域。本文从仿生学的角度出发,寻求提高离心风机叶片抗冲蚀能力的方法。本文选取典型沙漠生物──黄肥尾沙漠蝎子(Androctonus australis)作为生物原型,利用体视显微镜对沙漠蝎子的体表形态进行分析,利用逆向工程方法对沙漠蝎子背板的横向和纵向截面轮廓线进行分析。总结出沙漠蝎子抗风沙冲蚀机理:沙漠蝎子体表抗冲蚀性能是其体表形态和柔性相互协调作用的结果。基于这种机理,结合耦合仿生思想,建立了三种仿生模型:凸包表面单元仿生模型、凹槽表面单元仿生模型和耦合仿生模型。本文对气-固两相流场中凹槽表面仿生试样、凸包表面仿生试样和光滑表面试样的冲蚀磨损情况进行了模拟。利用FLUENT软件的离散相模型(DPM)进行气-固两相流场两相间的耦合计算,得到了颗粒对试验样件的冲蚀磨损率。结果表明凹槽表面仿生试样的抗冲蚀能力优于凸包表面仿生试样和光滑试样。通过对连续相和颗粒相相关参数的统计分析,阐明了仿生试样的抗冲蚀机理。本文对凹槽表面仿生试样的冲蚀磨损性能进行了试验研究,得到了不同粒径磨粒、不同入射角度条件下,凹槽表面仿生试样的冲蚀失重量和相对冲蚀率。结果表明:在30°入射角下,凹槽表面仿生试样的抗冲蚀能力优于光滑试样。采用正交多项式回归试验考察了凹槽尺寸对凹槽表面仿生试样冲蚀率的影响。试验指标的极差分析结果表明:影响试样冲蚀率的凹槽尺寸主次顺序为凹槽间距(D)、凹槽宽度(W)、凹槽高度(H),最优组合为:D=2mm,W=5mm,H=4mm。通过回归分析,得到了所给试验条件下,相对冲蚀率和凹槽间距、凹槽宽度、凹槽高度之间的回归方程。仿生试样冲蚀磨损性能模拟和试验的研究结果表明,合理设计凹槽表面仿生试样的凹槽尺寸,能够提高试样的抗冲蚀能力,本文将这种方法应用于离心风机叶片的抗冲蚀设计。利用AUTOCAD和GAMBIT软件完成了风机各计算区域的建模和网格划分,利用FLUENT软件对离心风机的气-固两相流场进行了模拟,对比分析了仿生风机叶片和标准风机叶片的冲蚀磨损情况。结果表明:当颗粒粒径为20μm时,仿生风机叶片的抗冲蚀能力优于标准风机叶片。 |
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机械设计
