基于Frenet标架的涡旋始端型线重构与几何特性分析

针对当前型线研究中尚未建立表征修正型线和主体型线固有特性统一模型的问题,建立了基于Frenet标架曲率半径函数的涡旋型线通用方程,分别采用零次曲线和一次曲线对涡旋始端型线进行重构.定量分析了型线参数对涡旋始端齿厚的影响,构建了基于母线曲率半径函数方程的涡旋压缩腔面积几何模型,研究了曲率半径函数参数对面积特性的影响.结果...     

一次曲率半径函数涡旋重构型线动力学特性

应用法向等距原理构建了基于始端一次曲率半径函数方程的涡旋型线;建立了基于母线参数的吸气腔、压缩腔和排气腔容积数学模型,得到了涡旋压缩机的轴向、切向和径向气体力随曲轴转角的动态变化历程,研究了一次曲率半径函数型线参数对压缩机动力学特性的影响。数值模拟结果表明：一次曲率半径函数始端重构型线的参数显著影响涡旋压缩机的动力学特性;母线始端一次曲线与基圆渐开线连接点处曲率半径的不连续性导致了径向气体力的波动和极性变化,进而对径向间隙的密封、泄漏损失和轴承寿命产生直接影响。     

基于边界层分离理论的低比转数离心泵设计

为研究边界层分离对低比转数离心泵水力性能的影响规律,由边界层不发生分离条件,结合离心泵湍流边界层理论,在不改变叶轮进出口几何参数的情况下,通过实际案例设计新的叶轮叶片型线,探索在水力设计中防止或抑制过流表面边界层分离的方法.叶轮叶片型线方程以叶片安放角β为变参数,引入速度系数kv作为中间因子.水力设计计算结果显示:边界层动量损失厚度随速度系数kv的增大而变厚,理论扬程随速度系数kv的增大而升高;在满足理论扬程的条件下,减小叶片型线方程中速度系数kv的取值,有利于抑制过流表面边界层的分离.数值模拟结果表明,低比转数离心泵叶轮叶片型线设计不合理是导致过流表面边界层分离的主要原因,边界层分离引起泵的水力性能下降,在设计工况下,改型泵的扬程比原型泵的扬程增加不明显,但水力效率有所提升;新的叶轮叶片型线对内流场状况有一定的改善作用,能有效防止回流与涡旋的产生和发展.     

双螺杆泵螺杆型线设计及分析

选择长幅外摆线和长幅内摆线的组合曲线作为双螺杆泵螺杆齿形型线,基于包络线法得到了螺杆的共轭齿形型线。纠正了以前型线方程中的错误,提出了更正后的型线方程。对其共轭型线及其接触线、啮合线进行了分析,得出了新的结论。两螺杆啮合线不封闭,接触线不连续,不能形成密封的工作基元。     

空间机构连杆的运动分析

建立了空间连杆机构的分析模型,利用矢量回转法确定了空间机构连杆上沿任一直线作匀速运动的动点轨迹矢量方程,即动点轨迹方程,并进一步地对矢量方程进行微分求出动点在任一瞬时时刻的速度和加速度;建立了空问机构连杆上任一直线的轨迹曲面方程,即连杆曲面方程;再应用MATLAB函数绘制了空间机构连杆上任一直线上动点的轨迹曲线、速度和加速度图以及连杆曲面图,为空间机构研究和机器人设计提供了理论基础.     

弹性体转子泵压力特性数值分析与试验

针对弹性体转子型线存在密封性能差和转子尖部容易发生粒子卡滑的缺陷,提出一种新型宽头刮边转子,其型线由宽圆弧ab、刮边圆弧bc、长幅内摆线cd和圆弧de组成.基于CFX浸入式实体技术和RNG k-ε湍流模型,通过转子泵全流场瞬态计算,研究了包角θ=5°,8°,11°,15°,18°和半径r=30.9,37.1,44.5,53.4 mm结构参数下转子腔内脉动特性.结果表明:包角和半径是影响转子泵性能的关键参数,随着包角增大,瞬时质量脉动率减小,半径对出口瞬时质量脉动率、进出口转子腔压力脉动无影响.进口啮合处汽蚀和出口啮合处压力随包角增大而增大;半径增加,进口啮合处汽蚀减小,出口啮合处压力减小.对θ=18°,r=53.4 mm新型转子泵及传统转子泵进行性能对比试验,试验表明新型转子型线性能优于传统转子型线,新型转子泵理论流量较传统转子泵小3.35%,新型转子泵容积效率较传统转子泵大1%~5%;新型转子泵整机效率较传统转子泵高1.5%~4.9%.     

基于特征线方程N—S方程非增量型分离算法

为克服传统有限元方法求解流场时由于对流项占优而引起的求解振荡和基函数选择困难的问题,推导了基于特征线方程的粘性不可压N-S方程的增量型和非增量型分离算法的公式及求解步骤,并讨论了两者的Babuska-Brezzi条件.沿着特征线方向,N-S方程的对流项消失,方程矩阵是自伴随矩阵,可以自动满足有限单元法中能量泛函最小的要求,并可以给出合理的粘性耗散项.动量方程的求解采用非增量型分离算法,压力和速度可以采用任意阶次的插值函数,离散后的方程自动满足Babuska-Brezzi条件.为验证算法的可靠性,采用T3P3空间等阶次U-p单元计算了方柱绕流.结果表明：基于特征线方程的非增量型分离算法可以很好地应用于粘性不可压流场的计算,与目前流行的其它方法相比,该算法有明显的优势.     

正弦指数曲线型开沟刀片结构参数优化

为获取正弦指数曲线型开沟刀片的最佳结构参数,依据正弦指数曲线方程和二次正交旋转中心组合设计方案,设计了15种型式的开沟刀片,并进行土槽试验。以弯折角、弯曲半径、切土角为影响因子,以功率消耗和沟深稳定性系数为响应值,利用Design-Expert 8.0.6软件进行回归分析和响应面分析,探求单因子及交互因子对响应值的影响效应,并结合非线性优化计算方法,对正弦指数曲线型开沟刀片的结构参数进行优化计算。结果表明:在土壤坚实度为0.29 MPa、土壤含水率16.2%的条件下,各因子对功率消耗的影响贡献由大到小为:弯折角、切土角、弯曲半径;对沟深稳定性系数的影响贡献由大到小为:切土角、弯折角、弯曲半径。优化所得正弦指数曲线型开沟刀片最佳结构参数:弯折角为86.75°,弯曲半径为12 mm,切土角为13.8°,此时功率消耗理论最小值为32.32 k W,沟深稳定性系数为95.6%,验证试验表明功率消耗最小值为34.27 k W,沟深稳定性系数为92.82%,理论值与试验值误差小于10%,验证了回归模型的正确性。将优化前、后和现有开沟刀片在2种不同土壤条件下进行对比试验,结果表明优化后刀片的功率消耗比优化前分别下降4.28 k W和4.23 k W,沟深稳定性系数分别提高7.12个百分点和7.02个百分点,比现有开沟刀片下降7.68 k W和6.91 k W,沟深稳定性系数提高14.34个百分点和8.34个百分点。研究成果为正弦指数曲线型开沟刀片的优化设计提供了理论参考。     

内环流活塞泵转子型线及运动仿真

以内环流活塞泵齿形型线为研究对象,对其啮合特性进行了研究.根据内环流活塞泵转子运动规律,基于内转子齿形型线为圆弧,建立动坐标系.假定外转子不动,内转子作相对运动,在国内首次推导出外转子齿形型线的计算式.通过实例计算及运动仿真分析,验证了齿形型线方程及计算公式的正确性.     

不等温下螺旋槽干气密封端面压力分布计算

以干气密封无限窄槽理论为基础,提出了不等温假设条件修正算法.利用机械密封端面温度分布近似算法求解干气密封端面温度分布函数,与液体介质情况不同的是,对于空气,其热传导角根据经验取为液体的3倍.为了更方便地求解Gabriel算法中的微分方程,采用线性曲线拟合方法获得与前面求得的温度分布函数近似的密封端面温径关系曲线T(r).将T(r)代入Gab-riel算法中代替原来的温度常量T,从而得到非等温条件下的螺旋槽干气密封端面压力分布微分方程.采用4阶龙格库塔法求解该微分方程,得到沿半径方向的端面压力分布.通过与文献结果对比发现,当膜厚分别为5.08,3.05,2.03μm时,采用非等温条件修正后的算法所得槽根处压力pg比原算法提高了6.8%,5.0%,2.7%.计算结果较好地反映了干气密封端面压力分布槽根处最高、外半径处次之、内半径处最小之一般规律.与有限元法相比,该算法应用更为便捷.