叶轮机械前沿

叶轮机械在车用动力的应用及发展趋势摘要：叶轮机械作为一种重要的机械广泛应用于各行各业，包括汽车业。

由于其重要性，本文主要讨论叶轮机械在车用动力中的应用与前沿技术，分为竞赛类与非竞赛类两大部分，对其进行归纳与总结，并对叶轮机械在车用动力中应用的未来进行展望。

关键词：叶轮机械增压涡轮应用发展趋势1 叶轮机械在车用动力的应用叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，实现流体工质与轴动力之间的能量转换的动力机械，比如喷气式发动机就是叶轮机械的一种。

其使用非常广泛，在电力、航空、轮船等方面，叶轮机械都做出了很大的贡献。

而在车用动力上，叶轮机械也有其一席之地，而且可以说在汽车完全步入电动汽车时代之前，都将有其相当大的用武之地。

这一章节，主要谈叶轮机械在车用动力中的应用。

1.1 作为车用动力单元辅助的叶轮机械车用动力单元的核心部件是发动机，而当今汽车发动机的主流是往复式活塞发动机，叶轮式引擎因为其技术含量较高，工作效率较低，且汽车并不需要叶轮式引擎如此强大的动力性，以至其在车用动力单元中似乎并无可建树之处。

然而，事实并非如此，作为叶轮机械的增压器就是车用动力单元的强大辅助。

瑞士的Alfred J. Buchi博士在1905年发明了涡轮机驱动压缩机，并申请了专利，世界上第一台废气驱动的轴流式涡轮增压器也由他在1909至1912年间开发，又在1915年第一次将涡轮增压器与柴油动力机共同使用。

1954年，增压技术开始在民用车辆上使用，1970年时已成大规模应用趋势。

1975年，相当经典的保时捷911轿车面世，搭载了带盖瑞特废气门的KKK涡轮增压器。

1977年萨博-99的动力性可以与搭载无涡轮增压的3.0L发动机的同类车相媲美，但实际上使用的是一个带涡轮增压器的2.1L汽油发动机。

于是，涡轮增压技术被大众认识，并得到了大部分人的接受。

现在，增压技术可谓是引擎的好助手，不仅仅增加了引擎的动力性，还能节能减排，符合当下流行的趋势。

叶轮机械内部流动研究进展叶轮机械在能源、航空、航天等领域具有广泛的应用，其内部流动特性是影响设备性能的关键因素。

近年来，随着计算能力提升和实验技术的进步，叶轮机械内部流动研究取得了一定的进展。

本文将概述叶轮机械内部流动研究的主要成果、不足，以及未来研究方向。

在叶轮机械内部流动研究中，数值模拟和实验研究是两种主要的方法。

数值模拟可以较为精确地预测流场特性，但需要合适的湍流模型和精确的初始条件。

实验研究可以通过测量实际流动参数，对数值模拟结果进行验证，但受实验设备和测量技术限制，实验结果可能存在误差。

近年来，研究人员针对叶轮机械内部流动进行了大量实验研究。

通过测量速度、压力和温度等参数，对流场特性进行了深入分析。

基于实验数据，研究人员还开展了理论分析，提出了多种描述叶轮机械内部流动特性的模型和算法。

这些模型和算法可以较好地解释实验数据，并为工程应用提供了依据。

通过对实验和数值模拟结果的分析，研究人员发现叶轮机械内部流动具有复杂的非线性特性和不确定性。

流场中的涡结构、叶片表面分离和尾迹现象等对设备性能产生重要影响。

流动特性还受到转速、攻角、湍流度等因素的影响。

叶轮机械内部流动研究取得了一定的进展，为提升设备性能提供了有益的参考。

然而，由于叶轮机械内部流动的复杂性和不确定性，仍存在许多需进一步探讨的问题。

未来研究可以以下几个方面：1）发展更精确的数值模拟方法；2）完善实验技术和测量设备；3）深入研究流动特性的物理机制；4）考虑多尺度、多物理场耦合效应。

叶轮机械是工业领域中广泛应用的设备之一，例如在能源、航空、交通等领域。

然而，叶轮机械在工作过程中会产生气动噪声，这不仅会引发噪音污染，影响人体健康，还会降低设备效率，增加能源消耗。

因此，对叶轮机械气动噪声进行研究具有重要意义。

本文将介绍叶轮机械气动噪声的产生机理、研究现状、研究方法以及未来的研究方向。

叶轮机械气动噪声的产生机理主要包括叶片的绕流特点、声源的分布特征以及噪声的传播途径。

叶轮机械在车用动力的应用及发展趋势叶轮机械是一种以液体或气体作为工作介质，通过叶片的运动来完成转动或压力的转换的机械装置。

在车辆动力领域，叶轮机械有着广泛的应用，包括涡轮增压器、离心式压缩机和涡轮发电机等。

这些设备能够提供更高的效率和更强的动力输出，同时减少油耗和排放。

首先，叶轮增压器是汽油发动机和柴油发动机中常见的动力增加装置。

它通过排气流动产生的动能来驱动叶轮，进而带动压气机将压缩空气送入气缸中，实现进气增压。

叶轮增压器能够提高发动机的输出功率和扭矩，使发动机在高转速和高负载下仍能保持较高的效率。

在现代车辆中，叶轮增压器已经成为提高动力性能和提高燃油经济性的重要技术。

其次，离心式压缩机是压缩制冷和空调系统中的关键设备。

它通过转子的旋转产生离心力，使气体被压缩并提高温度。

离心式压缩机具有简单结构、高效率和紧凑型的特点，得到了广泛的应用。

在车辆制冷系统中，离心式压缩机不仅能够提供稳定的冷气供应，还能降低系统的能耗和噪音。

此外，涡轮发电机是一种将流体动能转换为电能的设备。

它通过涡轮机械的转动驱动发电机产生电能。

涡轮发电机广泛应用于混合动力和电动汽车中，通过回收排气能量或刹车能量来提高能源利用效率。

涡轮发电机可以在车辆行驶过程中持续为电池充电，延长电动汽车的续航里程。

车用叶轮机械的发展趋势主要集中在以下几个方面：1.高效能：随着环保意识的提高和能源问题的日益突出，车辆动力系统需要更高效率和更低排放。

叶轮机械需要不断改进和优化，以提高能量利用效率和减少能量损失。

2.轻巧化：车辆需要更轻巧、更紧凑的动力系统以满足节能和减重要求。

叶轮机械的结构和材料也需要不断改进，以减少重量，提高系统的整体效能。

3.智能化：随着智能化技术的发展，车辆动力系统将越来越多的融入智能控制和自适应技术。

叶轮机械需要具备更高的自适应性和智能化，能够根据不同的工况和需求自动调节工作状态。

4.多能源结合：未来车辆动力系统将不再依赖单一能源，而是多能源结合。

五轴加工巅峰竞技，欧美日各尽洪荒之力展示叶轮叶片加工绝技叶轮叶片，是航空发动机、汽轮机等装置核心的部件。

叶轮既指装有动叶的轮盘，又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。

在航空发动机中的涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，而被称为第一关键零件。

由于其复杂的曲面结构，以及近乎苛刻的应用环境，使得叶轮叶片成为最为典型的难加工结构件。

叶轮叶片加工，素有“五轴加工的巅峰竞技场”之说，可见其在机加工技术上的典型代表作用，其先进的加工方案，深受国内外技术达人们的关注与追捧。

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叶片式流体机械数字化制造技术及其发展趋势综述张华培学号：〔西华大学机械工程与自动化学院成都610039〕【摘要】本论文就叶片式流体机械数字化技术这一机密机械设备做了主要论述。

论文首先简述了叶片式流体机械数字化制造技术的发展概况，对其工作原理进行简要介绍，对国内外叶片式流体机械数字化制造技术的应用和发展状况进行了分析，并指出了目前叶片式流体机械数字化技术在使用过程中存在的问题及一些相应的解决方案，最后对叶轮类流体机械数字化技术以后的发展前景进行了概述。

【关键词】：叶片式流体机械数字化设计制造技术0 前言叶片式流体机械是通过叶轮实现能量转换的一类特殊机械，与其他机械相比，在制造工艺技术方面也有明显的不同。

在过流部分的制造方面，不仅要考虑一般机械零部件制造所涉及的问题，而且必须考虑流体动力性能方面的要求。

在产品数字化开发中，必须考虑数字化设计与制造的并行工程的要求。

叶轮类等复杂零件时流体机械数字化制造技术开发的重点和难点，而数控加工是数字化制造的主要实现手段。

本论文主要根据叶轮类等复杂零件，对其如何实现数字化进行了详细的研究。

近20年来,电脑辅助技术在流体机械中的应用取得了巨大的进步，大大的减少了设计中的几何建模与工程图纸所需要的时间。

在叶片式流体机械设计技术方面已经历了数字化图纸、数字化模型阶段，现正在经历数字化过程、预测工程阶段，并朝着基于知识驱动的设计自动化方向发展。

总之，数字化技术已成为叶片式流体机械技术创新的主要手段。

数字化设计与制造技术作为流体机械产品数字化开发技术的主题，已成为行业中重点的研究开发领域。

随着对数字化技术研究开发的不断深入，叶片式流体机械的数字化设计与制造技术也逐步成熟和系统化，并将彻底改变传统的流体机械产品开发方式[1]。

为了加强叶片式流体机械的数字化设计和制造技术的研究开发，并促进其在行业中的推广应用，我们必须对其进行更加系统的分析。

1 叶片式流体机械数字化制造技术的发展概况叶片式流体机械数字化制造技术在国外的发展历程在人类社会进入知识经济和信息时代的21世纪，知识化是创新的资源，数字化是创新的手段。

叶轮轴加工工艺创新叶轮轴加工工艺创新叶轮轴是一种重要的机械零件，广泛应用于各种涉及流体传动的设备中。

为了提高叶轮轴的加工质量和效率，需要不断创新加工工艺。

下面将从步骤思维的角度，介绍叶轮轴加工工艺的创新。

第一步：材料选择在进行叶轮轴加工之前，首先需要选择合适的材料。

常见的叶轮轴材料包括碳钢、合金钢、不锈钢等。

根据叶轮轴的使用环境和要求，选择具有高强度、良好耐磨、耐腐蚀等特性的材料。

第二步：设计和模拟在加工叶轮轴之前，需要进行详细的设计和模拟。

通过使用CAD/CAM软件，将设计好的叶轮轴模型转化为加工路径，并模拟加工过程。

这有助于确定最佳的工艺参数和工具路径，提高加工效率和质量。

第三步：切割和成形根据叶轮轴的尺寸和形状，采用合适的加工方法进行切割和成形。

常见的加工方法包括车削、铣削、钻削等。

切割和成形过程需要合理选择切削速度、进给量和切削深度，以保证加工质量和工具寿命。

第四步：热处理为了提高叶轮轴的强度和硬度，需要对其进行热处理。

常用的热处理方法包括淬火、回火等。

通过控制加热温度和保温时间，使叶轮轴获得理想的组织结构和性能。

第五步：精密加工在完成初步成形后，需要进行精密加工。

这包括外径磨削、内孔加工、表面抛光等。

通过采用精密加工技术，可以提高叶轮轴的尺寸精度和表面质量。

第六步：质量检测在加工完成后，需要进行质量检测。

常用的检测方法包括尺寸测量、硬度测量、表面质量检查等。

通过质量检测，可以确保叶轮轴的加工质量符合要求。

第七步：装配和调试最后，将加工好的叶轮轴进行装配和调试。

将叶轮轴与其他零部件进行组装，并进行运转试验。

通过调试，可以确保叶轮轴与其他部件的配合良好，运转平稳。

通过以上步骤思维的方法，可以不断创新叶轮轴的加工工艺。

在材料选择、设计和模拟、切割和成形、热处理、精密加工、质量检测以及装配和调试等方面进行创新，可以提高叶轮轴的加工质量和效率，满足不同应用领域的需求。

第27卷　第3期力　学　进　展Vol127　No13 1997年8月25日ADVANCES IN MECHAN ICS Aug125,　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;・・237(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Vθr分布及厚度分布,求叶片的几何形状.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为反问题.目前二维叶片设计中广泛应用第(1)种反问题设计方法,其主要优点是可以控制叶片表面边界层的发展,以期得到损失较小的叶型.但给定的速度分布需满足一定的约束条件,首先应满足环量约束,实际设计中它可以通过调整叶栅稠密度l/t来实现;另一方面必须确保叶片闭合,这可以通过修正叶片的速度及形状来满足,但这样得到的叶片与初始给定的速度分布一般是不完全一致的.为了克服方法(1)的限制,人们提出了(2)、(3)两种给定参数的方法.第(2)种方法可以保证叶片满足刚强度要求,因为按方法(1)设计的叶片有时很薄甚至为负,这显然不合理.方法(2)、(3)的缺点是不能控制叶片正面的速度分布及边界层发展,尽管如此,这两种方法能较灵活地给定叶片上下游的速度分布.对于三维问题,给定叶片面上的速度分布或压力分布是十分困难的,如转轮下环上的压力分布不仅受上冠压力分布影响,而且还受流道曲率影响,因此,它们不能单独给出;另一方面,在叶片设计中,通常要求沿各条流线的环量差相等,而给定速度分布难以满足这个条件.由于给定速度分布引出的限制条件及困难难以解决,因此,在三维叶片设计中,未见有应用方法(1)的报道.对于方法(4)目前的研究不多,它也存在难以控制叶片边界层发展及速度分布的缺点,对于三维问题要保证各条流线等功也较困难,其优点是不存在约束,计算方便.至于方法(5),虽然叶片速度分布及边界层发展也不好控制,但它易于控制叶片表面上的负荷分布.目前的三维反问题计算,大多采用给定Vθr分布及厚度分布的设计方法.3　基于两类流面的准三维反问题计算 50年代初,吴仲华提出了S1和S2流面的概念,在此基础上建立了求解三维流动的普遍理论,从而奠定了流体机械流动理论的研究基础.S1/S2两类相对流面迭代计算叶轮机械内部流场的方法广泛应用于叶轮机械的设计和分析计算.目前国内外流体机械叶轮的设计方法绝大多数是以该理论为基础发展起来的.精确求解S1和S2流面的流动比较复杂,通常将它们简化成一个平均S2m流面与一组S1旋成流面而构成准三维问题.对正问题,文献[7, 8]对各种方法已进行了较为详尽的研究,模型和方法都较为完善.相对来讲,准三维的反问题研究还不足,在反问题计算中,可将准三维问题分为基于平均S2m流面的反问题和基于S1流面的反问题.311　基于平均S2m流面的反问题计算在图1正交曲线坐标(q1,q2,q3)中,S2m流面方程为q3=θ(q1,q2)(1)・・373则其流线方程为V 3-ωr =H 3H 15θ5q 1W 1+H 3H 25θ5q 2W 2(2)连续方程和运动方程分别为55q 1(W 1H 2rB f )+55q 2(W 2H 1rB f )=0 (3)-5(V 3r )H 25q 25θH 15q 1+5(V 3r )H 15q 15θH 25q 2+1H 1H 25(H 2W 2)5q 1-5(H 1W 1)5q 2制叶+1W 15H 25q 2(E i -ωλi )=0(4)其中偏导数符号上的横线表示流面上的偏导数;E i 、λi 分别为进口总能量和速度矩;H 1,H 2,H 3为拉梅系数;ω为角速度;r ,θ为柱坐标(r ,θ,z )的径向和周向分量;W ,V 分别为相对速度和绝对速度;B f 为叶片排挤系数;下标1、2、3分别表示正交曲线坐标(q 1,q 2,q 3)方向的分量.在方程(2)、(3)和(4)中,共有4个未知量:θ,W 1,W 2,W 3.对于正问题,θ(q 1,q 2)为已知,方程组封闭;对于反问题,θ(q 1,q 2)为待求量,为使方程组封闭,需引入补充条件:给定V 3r 或给定轴面流速W m .因此,基于S 2m 流面的反问题又可分为给定速度矩V 3r (即V θr )分布和给定轴面流速W m 分布两种方法.图1　正交曲线坐标31111　给定V θr 的设计方法反问题计算与正问题计算是紧密相连的.正问题中,S 2m 流面流动的解法有解速度梯度方程的流线曲率法和解流函数泊松方程的有限元法和差分法.与正问题一样,给定V θr 分布的反问题计算方法也是用这两种方法.3111111　解速度梯度方程的流线曲率法以轴面流线m 为正交曲线坐标的q 1坐标线,引入与流线准正交的曲线l ,则S 2m 流面的速度梯度方程为d W m d l =aW m +b +c W m (5)式中a ,b ,c 为系数.在给定V θr 条件下,式(2)和(5)构成封闭方程,用流线迭代法求解式(5),积分法解式(2),给定叶片的厚度分布规律和V θr 的分布规律迭代求解式(5)和(2)即可实现叶片的反问题计算.Wright 和Novak [9]在给定V θr 和厚度分布规律的条件下,应用流线曲率法进行了风机设计.Jansen 和K irschner [10]针对离心叶轮的设计,提出了应用流线曲率法进行S 2m 流面反问题计算的给定载荷(W s -W p )设计方法.首次提出了通过控制叶轮内流场来设计扭曲叶片,再利用流动计算修正叶片形状的设计方法.苗永淼和王尚锦[11]在Jansen 设计思想的基础上,提出利用流线曲率法反问题的公式解决径、混流式三维叶片的设计,并逐步建立了通过对叶轮内全流场的控制来设计叶片的“全可控涡”设计方法.也就是控制V θr 分布以得・473・到期望的叶片形状,并且与S 1流面上的流动分析和损失预估相结合进行叶片的初选.该方法已用于离心压缩机的改型设计[12].流线曲率法以其公式简单紧凑,物理意义明确在流体机械叶轮的正反问题中得到广泛应用.其不足之处是计算的稳定性差,对有旋流动尤为如此.3111112　解流函数泊松方程的方法(1)有限元方法Hirsch 和Warzee [13]最早提出了S 2m 流面正问题的有限元解法,引入流函数Ψ,由S 2m 流面的运动方程得流函数Ψ的泊松方程,它用有限元方法求解极为方便.高忠信[14]在给定V θr 分布条件下,建立了有限元方法解S 2m 流面反问题的设计模型,在不计叶片厚度条件下对混流式叶轮进行了初步设计.吴景春[15]也应用这一方法对离心泵叶轮进行了设计,但设计中仅给出进出口的V θr 分布,转轮区的V θr 分布由S 1流面计算确定.与流线曲率法相比,应用有限元计算更为稳定,且对各种形式的流道均适用,值得推广用于工业设计.(2)差分法流函数的泊松方程,也可用差分法求解,Marsh [16]建立了S 2m 流面上的通流矩阵法,朱荣国[17]建立了使用任意非正交曲线坐标和非正交速度分量的S 2流面反问题计算的差分松弛解法.汪庆桓等人[18,19]应用文献[17]建立的数学模型对中心S 2m 流面进行反问题计算,并和一组S 1旋成流面迭代进行叶片的准三维设计.S 2m 反问题计算中,给定叶轮前后的V θr 分布,叶轮内V θr 分布用系数ζV θr 确定,即V θr =(V θr )in +ζV θr [(V θr )out -(V θr )in ] ζV θr 由S 1流面计算确定,接着使用普遍S 1/S 2流面交替迭代,对设计出来的叶片进行全三维流场分析,最后应用该方法对两级轴流压气机进行了设计计算.31112　给定W m 的反问题计算以q 1坐标线为流线,S 2流面的方程是一个对函数θ的二阶准线性双曲型偏微分方程,其特征方程为:d q n =0,对应的特征线为q 2=const 的轴面流线,是已知的,它有全导数d θd m =V θr -ωr 2V m r 2(6)式中V m 为轴面流速(V m =W m ),d θ=0,对应的特征线为θ=const 的叶片轴面截线,是未知的,它有全导数d V θr d q 2=F (q 1,q 2)V m r 2V θr -ωr 2(7)通常叶片出口边为一条θ=const 的特征线,而且给定了V θr ,上冠或下环流线为q 2=con 2st 的特征线,也给定了V θr ,这样叶片设计归结为求解(6)、(7)的G oursat 初值问题,用特征线法求解.陈乃祥等人[20]按上述理论建立了混流式转轮特征线法的反问题计算方法.对给定、均匀及有势3种轴面流场进行了反问题计算.在势流情况与二维势流设计方法计算结果完全重合,说明它为本方法的特例.有关给定W m 的特征线法,发表的论文极少,显然研究不够,可能是双曲方程的解较椭元方程的收敛性和稳定性都差所致.另外,给定W m 分布不但要满足连续性条件,还应满足・573・流体动力学条件,由于流体与叶片是相互作用的,后者的理论依据较少.因此,要准确给出所期望的叶轮的W m分布是十分困难的,它比给定Vθr分布更具经验性.该方法在工程设计中未见应用.目前,在水力机械转轮设计中广泛应用的是给定Vθr的设计方法.312　基于S1流面的反问题计算在流体机械的流动分析中,一般认为来流是轴对称的.S1相对流面上的绝对运动是无旋的,其反问题归结为求解任意回转面上变厚度流层叶栅的绝对无旋流动反问题.这一问题的求解方法主要有:奇点分布法,当量源法,变域变分有限元法,流函数-势函数平面法和差分法等.31211　奇点分布法奇点分布法在解决各种绕流问题中是应用较早并获得广泛应用的一种数学解析方法.基本出发点是应用一系列源、汇、涡代替物体对流场的作用.其正反问题可通过坐标变换将S1流面的绕流问题转换成平面上具有连续奇核的第二类Fredholm积分方程来求解[21].反问题计算中,一般根据初始的翼型及骨线,采用诱导速度叠加方法及叶片表面速度与叶片相切的条件构成代数方程,通过逐次逼近达到给定的厚度分布和速度分布,实现S1回转面上的准三维设计.1973年Kashiwabara[22]在S1流面上应用奇点法对离心泵叶轮进行了设计计算. S2流面的计算没有考虑叶片力的作用,也未进行S1和S2流面的迭代计算.奇点分布法发展得较早,数学基础严密,也很容易收敛.该方法对于无厚叶片的设计计算具有较高的精度,但对于有厚叶片及挠度较大的叶片的设计有待进一步研究和完善. 31212　当量源法1985年Cedar和Stow[23]结合流动计算提出了S1流面反问题计算的当量源方法.其基本思想是:与边界层计算的当量源法一样,在设计计算中不修正叶片的几何边界,而是用置于叶片表面的面源来模拟其叶片表面的修正,使计算网格不变,并与正问题计算相结合构成给定速度分布的反问题计算模型.Jennions和Stow[24,25]应用当量源法建立了一套完整的基于S1流面反问题计算的准三维设计系统.它由S2流面流动计算、S1流面的反问题计算、边界层计算及叶片积迭组成.S2流面流动采用流线曲率法计算,在计算中考虑了叶片排挤、叶片力的作用、叶片流道内流动不均匀性以及损失等对S2流面流动的影响.在给定速度分布条件下,对一组S1流面进行正反问题迭代计算设计叶片,并辅以边界层分析对方案进行优选.应用这一系统对压缩机和透平机的叶栅、叶轮进行了设计,证明了该系统的功能.当量源法将流动计算、反问题计算和边界层分析结合起来,计算十分灵活方便,设计过程计算网格不需变动,对计算十分有利.另一优点是设计中能保证翼型的闭合.不足的是当初始叶型和最终叶型相差较大时,计算精度要降低且易产生不光滑.31213　变域变分有限元法刘高联[26]建立了旋成面叶栅各类杂交命题统一的变域变分原理.利用泛函的变域变分公式来构造叶面上的边界条件,建立以流函数(或势函数)和叶型几何坐标为未知量的泛函,通过求泛函极值得到流函数(或势函数)及叶型坐标的非线性代数方程组,迭代求解即可实现叶栅的反问题计算.该方法中,叶栅边界条件提法灵活多样,能考虑流层厚度的变・・376化,公式简单,且易推广至三维设计.因此,是一种实用的新方法.郭齐胜[27,28]建立了A型和B型杂交命题的变分原理,并用于二维直列叶栅的叶片设计.Liu和Yan[29]建立了求解回转面上A型杂交命题和离心叶轮的三维杂交命题的变域变分有限元计算模型,并进行了设计计算.该方法不足的是代数方程为非线性方程,求解不易收敛.31214　流函数-势函数平面法这一方法首先是用于通道的流动计算,后来发展用于叶栅的设计.它选(Ψ,Φ)为坐标,Ψ为流函数,Φ为势函数.Bonataki[30]将它发展并用于回转面的叶栅设计.由连续方程和无旋条件导出相对速度W和流动角β以(Ψ,Φ)为坐标的方程 A1(ln W)ΦΦ+A2(l n W)2Φ+A3(l n W)Φ+A4(l n W)ΨΨ+ A5(l n W)2Ψ+A6(l n W)Ψ+A7(l n W)ΦΨ+A8(l n W)Φ(l n W)Ψ+A9=0(8) 5β5Φ=F1(W,β,R,h)(9) 5β5Ψ=F2(W,β,R,h)(10)式中A12A9为系数,h为流层厚度.方程中只有W、β两个未知数,方程(8)、(9)或(10)构成封闭方程组.在适当的边界条件下,迭代求解该方程组形成S1旋成面的反问题计算.Bonataki应用该方法分别对离心叶轮、静列叶栅进行设计,证明该方法的有效性.该方法的最大优点是不需给出初始叶型,且在设计中很容易保证翼型的闭合性,不足的是变换后计算公式稍复杂.最近,Chaviaropoulos等人[31,32]又将该方法推广应用于三维通流部件有势流动的反问题计算.31215　差分法葛满初[33,34]从欧拉方程出发,导出了S1流面上以计算网格的非正交曲线坐标为独立变量的流函数方程反问题通用控制方程组,提出了流函数有旋方程直接反问题的数学物理模型,给定叶片表面的速度及周向厚度的分布规律,对亚音速、跨音速的S1流面的反问题应用差分方法进行了研究,并对典型的压气机叶栅进行计算.葛满初[35]和王正明[36]在无粘正问题和反问题计算的基础上,用分区的物理模型,发展了考虑粘性作用的S1流面的反问题计算方法.31216　正反问题迭代法笔者[37]基于S2m/S1流面流动迭代计算的准三维正问题分析,提出了一种简单实用的S1流面上叶片迭代修正的准三维设计方法.基本的思路是:以 Vθr和厚度分布为已知条件,通过比较S1流面计算的 Vθr与给定的 Vθr的差别修正叶片,最终使给定的 Vθr分布与设计叶片所实现的 Vθr分布完全一致.叶片修正方程为f(n+1)=f(n)+Δf(n+1) d(Δf(n+1))d m=-( Vθr)计算+( Vθr)给定W m r2・773・式中f为叶片中面坐标,n为迭代次数,m为流线坐标.计算表明,该方法可以得到设计者给定的负荷分布与厚度分布,提高了设计者对叶片性能的可控性.设计中给定 Vθr较文献[23]中给定叶片表面速度分布更为灵活.它可用于轴流式、混流式和离心式等叶片式流体机械叶轮的设计.4　全三维反问题计算全三维的问题较之准三维问题,对流动的假设减少了,能够更好地模拟流动的空间特性,这对于空间几何形状十分复杂的叶轮来说是极为重要的.但在三维问题中,为避免产生病态问题,给定设计参数时需增加一些约束条件,比如设计中沿上冠和下环的压力分布不能毫无关联地给出;此外,三维问题本身比二维、准三维问题更为复杂,所需的计算机内存和时间都大,正是这些原因,使这一问题研究还不多.主要的计算方法可分为:奇点法、泰勒级数法、变域变分有限元法、混合谱方法、拟流函数法和欧拉方程法,前三种方法只能用于有势流动,后三种方法可用于有旋流动.411　奇点分布法Okuroumu和McCune[38]早在1974年就研究了轴流叶栅的三维计算问题.假定叶片无限薄且挠度较小,对叶栅内部流动作线性化处理,叶片对流场的作用用涡面来代替,绕流叶栅的环量Γ给定为r的函数,根据叶片表面速度与叶片骨面相切的条件和给定的涡量分布规律设计叶片.计算中发现,在轮缘轮毂处存在奇异性,需进行处理,要求dΓ/d r在轮缘轮毂处为零.对亚音速和跨音速作了两个设计算例(分等功和不等功两种情况进行了设计计算),指出在不等功设计中如何考虑尾涡面的作用是很重要的.Falco[39]应用升力面理论,对倾斜叶片的三维设计进行了研究,给定叶片的环量分布规律并假定叶片无限薄且挠度较小,他证明叶片与边界的相交处具有奇异性,并认为这一奇异性仅对相交处的局部区域的流动有影响,采用外推的方法解决这一数值困难是最好的方法.412　混合谱方法1983年Tan等人[40]将不可压无粘无旋无厚度平面叶栅的设计方法发展为叶轮机械全三维的反问题计算方法.它的基本思想是假定叶轮内部的流动理想无旋,用置于叶片中心的涡面代替叶片对水流的作用.应用有旋流动的Clebsch变换,将速度分解为有势部分和有旋部分后分别处理.设叶片骨面方程为s(r,θ,z)=θ-f(r,z)(11)由此导出叶片附着涡的表达式为Ω=( Vθr×)δp(s)(12)s计算中将叶轮内部流速分解成周向平均流速 V和周向脉动流速 V即V= V+ V(13)V= Φ+r Vθ s(14)・・378V = ~Φ-T (s ) V θr(15)式中Φ为周向平均势函数; Φ为周向脉动的势函数;T (s )=∑j =+∞j =-∞j ≠0e ijB θ/ijB ,B 为叶片数;物理量上的横线表示周向平均量,波浪线表示周向脉动(下同).由连续性条件得周向平均的流函数Ψ方程和周向脉动的势函数方程为52Ψ5r 2-1r 5Ψr +52Ψ5z 2=-r Ωθ(16) 2 Φ= ・[T (s ) V θr ](17)由叶片边界条件得叶片方程V z 5f z + V r 5f r = V θr - V bl ・ s (18)式中 V bl 为叶片表面周向脉动流速.它们构成了理想无旋无厚度三维叶片设计的基本方程组,在适当的边界条件下,解上述方程即可实现叶片的全三维设计.Tan [40]首次用特殊函数求解了上述方程组,设计了一轴流叶轮机叶栅.周向速度用富氏级数表示,径向速度用Besel 级数表示,叶片角坐标f 用Chebyshev 函数和余弦级数表示.指出为了便于数值计算,要求f 和 V θr 在轮缘和毂处满足法向梯度5f /5n =0和5 V θr/5n =0的条件.Borges [6]在他的博士论文中,应用这一方法对低速离心叶轮进行了全三维设计.其基本方程与Tan 的方程完全一样,但解法不同.他采用贴体坐标技术处理不规则区域和方程变换,应用差分法离散方程,为加快收敛速度用了多重网格技术,使计算更为通用.较为仔细地研究了该方法存在的问题即由于叶片与轮盘、轮盖非正交,在边界上存在奇异性,为便于计算需作两个近似处理:在盘盖附近略去叶片方程中的准正交线方向的分量,并假定盘盖上的法向脉动速度为零.在相同设计条件下用常规方法和全三维方法设计了两个叶轮,并进行了试验,结果是全三维方法得到的叶轮较常规叶轮弯扭更大,但具有较高的效率和较宽的高效区,出口流动也较常规叶轮均匀.显示了全三维设计的优越性.Ghaly [41]在他的博士论文中也采用这一方法设计了一离心风机,设计计算中考虑了流体的可压缩性及叶片排挤的作用.Zangeneh [42]在他的博士论文中也采用这一方法,但与Borges 不同的是他用两种方法研究了可压缩性对流场的影响,一种是略去密度周向变化的简化方法,另一种是考虑密度变化的真实情况,其方程与Ghaly 用的方程相像.他采用与Borges 相同的数值方法,设计完成后,用Euler 程序进行了计算,给定的 V θr 与计算值接近,证明该方法的有效性.Dang [43]又将这一方法推广到跨声速三维离心和轴流压缩机叶轮的设计.其周期性流动采用有限体积法求解.最近Zangeneh [44]在该方法中应用粘性与无粘性迭代引入粘性作用的影响,粘性计算采用Dawes [45]发展的三维粘性算法,分别应用排挤系数和附加粘性涡项来考虑粘性的作用.最后将该算法应用于Eckardt ’s 的后弯30o 叶轮的设计,证明了该方法的有效性.在水力机械的叶轮设计中,Bando [46]应用Tan 的方法,对一个三叶片的水泵叶轮进行了设计.计算中给定叶片的厚度分布规律和叶片正背面的负荷(即正背面的压力差ΔP )分布・973・规律.与上述不同的是其厚度用方程2Φ=Q(19) 2Φ=q(20)来描述,使设计更为灵活.其中q =2Q Re∑∞j =1exp (ijB α) (21)Q =B 2πr 55r ( W 3r t θ)+55z(W 3z r )(22)式中上标星号表示叶片中面上的参量,下标r ,z 表示柱坐标r ,z 方向上的分量.用差分法解控制方程.叶生海[47]用与Borges 相同的方程和方法对混流式水轮机转轮进行了初步设计.笔者[48]应用上述思想,从三维欧拉方程导出周向平均流动的流函数Ψ的控制方程55r 1r 5Ψ5r 5+55z 1r 5Ψ5z 18=F (r ,z )+R (r ,z )(23)式中F (r ,z )为来流涡和叶片涡的周向分量和,R (r ,z )代表叶片内周向脉动速度对轴面流场的作用,它们的详细表达式见文献[37].这样它与方程(21)、(22)构成了可以考虑来流有旋叶片有限厚的全三维反问题计算模型,文献[37]结合中、高比速混流式转轮的设计对这一模型进行了详细的研究,为设计性能良好的转轮提供了有益的经验.它可用于轴流式、混流式和离心式等叶片式流体机械转轮的设计.413　泰勒级数展开方法1952年Wu [4]提出叶轮机械的三维反问题计算可以通过已知的叶片流道中间S 2m 流面的流动沿周向进行泰勒级数近似展开来实现.即流道中任一流动参数q (θ)可以表示为中间S 2m 流面θm 的泰勒级数近似展开q (θ)=q (θm )+(θ-θm )q ′(θm )+(θ-θm )22q ″(θm )+ (24)Zhao [49]利用这一思想,选择与S 2m 流面重合的坐标面,提出了一种简单的三维反问题的计算方法.设计中给定S 2m 流面的 V θr 分布规律及周向厚度分布规律以及叶轮的子午面形状.计算中仅采用二阶泰勒展开,流动参数在S 2m 流面的周向导数由无旋和等熵条件导出.叶片的压力面和吸力面可以从S 2m 流面展开求得,即Ψ=Ψm +(Ψ2-Ψ2m )5θ5Ψ2r 程m+12(Ψ2-Ψ2m )252θ5Ψ22解.m +…(25)也可以直接展开得到即　Ψ=Ψm +(Ψ2-Ψ2m )B m +12(Ψ2-Ψ2m )25B 5Ψ2an m +16(Ψ2-Ψ2m )352B 5Ψ22结m+…(26)・083・。

叶轮市场分析报告1.引言1.1 概述概述部分内容：叶轮作为一种重要的机械设备，广泛应用于工业生产和能源领域。

近年来，叶轮市场呈现出持续增长的趋势，受益于工业化和能源需求的不断增加。

本报告旨在对叶轮市场进行深入分析，包括市场概况、发展趋势和竞争格局，为相关行业和企业提供参考和指导。

同时，通过对叶轮市场的研究，总结出叶轮市场的发展前景和发展建议，帮助行业发展和企业决策。

1.2 文章结构文章结构包括引言、正文和结论三部分。

在引言中，概述叶轮市场的主要情况，介绍文章的结构和目的，以及对叶轮市场进行总结。

在正文部分，主要包括叶轮市场的概况、发展趋势和竞争格局的分析。

在结论中，展望叶轮市场的发展前景，提出发展建议，并对整个文章进行总结。

1.3 目的目的部分的内容可以包括对撰写该报告的目的进行解释和阐述，可以明确指出撰写该报告的目的是为了深入了解叶轮市场的概况、发展趋势和竞争格局，为相关企业和投资者提供可靠的市场分析数据和发展建议。

另外可以说明撰写该报告的目的是为了帮助读者更好地了解叶轮市场的现状和未来发展趋势，从而能够做出更明智的决策和规划。

1.4 总结总结部分:本报告对叶轮市场进行了全面的分析，从市场概况、发展趋势，到竞争格局，都进行了深入的探讨。

通过对市场数据和发展趋势的分析，我们可以看到叶轮市场的潜力和发展空间。

同时，我们也发现了一些市场竞争的挑战和机遇。

在未来，叶轮市场有望迎来更多的发展机遇，但同时也需要面对激烈的竞争压力。

根据分析结果，我们提出了一些建设性的发展建议，希望能为叶轮市场的发展提供一些参考。

在全文的总结中，我们对叶轮市场的前景展望进行了评估，并对未来的发展进行了展望。

希望本报告能为相关行业的从业者和决策者提供一些有益的信息和参考意见。

2.正文2.1 叶轮市场概况叶轮市场概况叶轮是一种重要的机械传动装置，广泛应用于风力发电、水泵、空调、压缩机等领域。

叶轮市场在全球范围内具有巨大的发展潜力，特别是在新能源、节能环保等领域的需求驱动下，叶轮市场呈现出持续增长的势头。