葉根倒角對小型軸流風扇靜特性的影響

吳文軍，金英子，王艷萍，儲 微，余輔波

（浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018）

葉根倒角對小型軸流風扇靜特性的影響

吳文軍，金英子，王艷萍，儲 微，余輔波

（浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018）

以小型軸流風扇為原型，對其壓力面?zhèn)热~根沿中弧線的不同方位進行倒角，分別建立了1/3倒角模型（距離前緣1/3中弧線）、2/3倒角模型（距離前緣2/3中弧線）和全倒角模型（沿整個中弧線）。采用RNGκ-ε湍流模型、SIMPLE算法、二階精度的迎風差分格式等數(shù)值方法分析風扇的內部流場特性。結果表明：1/3倒角和2/3倒角模型會提高風扇的靜壓和效率，但1/3倒角模型的性能更優(yōu)；全倒角對風扇的靜壓沒有多大影響，但是會使風扇效率降低；壓力面?zhèn)鹊娜~根局部倒角促使流道中流體再分配，從而改善了吸力面?zhèn)热~頂和葉根的低壓區(qū)以及壓力面?zhèn)热~根附近的高壓區(qū)，進而避免了產生二次流的可能性；同時葉根倒角會增加壓力面葉中附近的高壓區(qū)面積，使風扇的做功能力增強。

軸流風扇；葉根倒角；內部流場特征；數(shù)值模擬

0　引 言

電子產品的不斷小型化和高性能化，需要更高要求的小型軸流風扇與其相匹配，而氣動性能和噪音是影響小型軸流風扇性能和壽命的決定性因素。研究人員不僅要深入研究和設計影響小型軸流風扇性能的主要部件（如葉片和流道等），也需要關注其次要部位（如頂隙和倒角等）的影響，然而目前對于其次要部位的研究還相對比較少。盡管測試方法在不斷改善，但是對于次要部位進行詳細試驗還非常困難，因而計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）技術成為分析這些因素對小型軸流風扇性能影響的重要手段。目前，國內外關于葉頂間隙對小型軸流風扇氣動性能影響方面的研究較多，但這些研究都忽略了葉根倒角對小型軸流風扇氣動性能的影響。

朱立夫等［1］研究了在不同周向位置添加分流葉片的小型軸流風扇，發(fā)現(xiàn)分流葉片會抑制原型葉片尾緣的渦脫落，進而降低風扇的噪音。康順等［2］、孫麗萍［3］研究了有無葉根倒角對離心葉輪內部流場特性的影響，發(fā)現(xiàn)葉根倒角會減小葉輪的流量、效率和壓比。王大磊等［4］研究了有無葉根倒角對渦輪葉柵氣動性能的影響，發(fā)現(xiàn)葉根倒角會改變流道渦的結構，使流道內的流體再分配，從而降低了渦輪的工作效率，同時發(fā)現(xiàn)隨著倒角半徑的增大，葉根前緣的分離程度先略微增加后減小，導致馬蹄渦和下通道渦的強度先增加后減小，而上通道渦則先減小后增大。石龑等［5］研究了有無倒角結構對透平級渦輪氣動性能的影響，發(fā)現(xiàn)葉根倒角會使上、下通道渦向葉中移動，同時增大端壁處的角渦強度和次流損失。Sauer等［6］發(fā)現(xiàn)在渦輪葉片前緣添加不同厚度的凸起，會增大馬蹄渦在吸力面?zhèn)鹊姆种?，從而使通道渦與其相遇并遠離吸力面，同時引起來流附面層增加。Zess等［7］發(fā)現(xiàn)在渦輪的葉柵前緣端壁處添加倒角，可以消弱馬蹄渦的強度并推遲通道渦的形成。Mahmood等［8-9］研究了有無倒角對渦結構的影響。

目前國內外對葉根倒角的研究主要針對渦輪氣動性能的影響與改善，但是對小型軸流風扇氣動性能的影響卻幾乎沒有。本文以某一小型軸流風扇為研究對象，通過數(shù)值模擬和實驗詳細研究葉根倒角對小型軸流風扇內部流場特性的影響。

1　計算模型與數(shù)值方法

1.1倒角設計及計算模型

本文研究的小型軸流風扇的幾何參數(shù)如表1所示。

表1　原型風扇模型的參數(shù)

為了研究葉根倒角對小型軸流風扇性能的影響，本文對三種不同方位的葉根倒角進行研究。風扇原型如圖1（a）所示；在距離前緣1/3中弧線的壓力面?zhèn)鹊箞A角，其圓角半徑為1 mm，寬為2 mm，稱為1/3倒角，如圖1（b）所示；在距離前緣2/3中弧線的壓力面?zhèn)鹊箞A角，其圓角半徑為1 mm，寬為2 mm，稱為2/3倒角，如圖1（c）所示；在整個中弧線的壓力面?zhèn)鹊箞A角，圓角半徑為1 mm，稱為全倒角，如圖1（d）所示。

圖1　風扇模型

1.2數(shù)值計算方法

流道截面上的網格部分情況如圖2所示，整個計算域被劃分為四個部分：進口延長區(qū)、葉頂間隙區(qū)、旋轉流體區(qū)和出口延長區(qū)；由于進、出口延長區(qū)和葉頂間隙區(qū)的形狀較為規(guī)則，所以應用結構網格（O型網格）進行劃分；對于形狀不規(guī)則的風扇形狀，采用結構型網格劃分得到的網格質量反而沒有采用非結構型網格進行劃分的質量高，因此采用非結構型網格對旋轉流體區(qū)進行劃分并在倒角附近進行適當?shù)募用堋τ嬎阌虻木W格進行網格無關性驗證后，得出網格總數(shù)為240萬左右時計算結果較為準確，并且無量綱參數(shù)y+小于25。

圖2　流道截面上的網格部分情況

本文采用質量流量入口和壓力出口作為進出口的邊界條件；風扇的葉片表面及輪轂采用固壁無滑移為邊界條件；為了便于劃分網格，在區(qū)域間設置交界面。

本文定常計算采用RNGκ-ε湍流模型；使用SIMPLE算法進行壓力-速度耦合；采用非耦合隱式求解器（segregated）求解方程；采用二階精度的迎風差分格式對控制方程進行離散，以提高計算精度；在風扇旋轉區(qū)動靜界面的數(shù)據(jù)通過運動參考系MRF（moving reference frame）進行傳遞，從而將非定常流動作為定常流動進行計算。通過迭代前后的殘差及監(jiān)測面上流量和壓力的相對誤差來判斷計算是否收斂，當?shù)昂蟮臍埐罴氨O(jiān)測面上流量和壓力的變化誤差小于0.5%并且基本保持不變時認為收斂，本文中的殘差全部小于10-3。

2　靜特性實驗

2.1靜特性實驗

本文的風扇靜特性測試實驗在浙江理工大學風洞實驗室進行，風洞實驗臺主要用于小型軸流風扇的性能測試，主要測試原型風扇的靜壓-流量（ψ-Φ）無因次曲線。圖3為實驗結果和數(shù)值模擬結果的對比圖。從圖3中可以看出，實驗值均在一定程度上低于數(shù)值模擬的結果，這主要是由于實驗中一些不可避免的因素而引起的誤差；同時發(fā)現(xiàn)，實驗結果和數(shù)值模擬的結果吻合的比較好，這可以說明本文中的數(shù)值模擬具有較好的可靠性。

圖3　靜壓—流量（ψ-Φ）無因次曲線

3　數(shù)值計算結果及分析

3.1靜特性

對三種不同方位倒角的風扇和原型風扇進行定常計算的數(shù)值模擬，得到靜壓-流量（ψ-Φ）無因次曲線和效率-流量（η-Φ）無因次曲線，如圖4和圖5所示。Φ為質量流量系數(shù)，ψ靜壓系數(shù)，可由式（1）和式（2）得到：

其中：Qm為質量流量，D為風扇外徑，u為風扇外緣的圓周速度。

圖4　靜壓—流量（ψ-Φ）無因次曲線

圖5　效率—流量（η-Φ）無因次曲線

由圖4可知：在整個流量段，1/3倒角的靜壓都高于原型風扇的靜壓；2/3倒角除了在Φ=0.11（Qm=0.01 kg/s）處的靜壓高于原型風扇的靜壓外，其它流量點處的靜壓值均低于原型風扇；當Φ＜0.065（Qm=0.006 kg/s）時，全倒角的靜壓都低于原型風扇的靜壓，當Φ＞0.065時，全倒角和原型風扇的靜壓值相當。當Φ=0.075（Qm=0.007 kg/s）時，因為風扇工作不穩(wěn)定，能量損失較大，所以其靜壓突然減小。

由圖5可知：a）當Φ＜0.097以及0.13＜Φ＜0.15時，1/3倒角和原型的效率相同，但是在0. 097＜Φ＜0.13時，1/3倒角的效率較原型的效率大；b）當Φ＜0.075與0.13＜Φ＜0.15時，2/3倒角和原型的效率相同，但是在0.075＜Φ＜0.13時，除了Φ=0.11附近的效率比原型的效率大以外，其余各點的效率都比原型的效率小；c）在整個流量段，全倒角和原型風扇的效率相同。

綜合性能曲線特征表明：2/3倒角的靜特性僅在額定工況點略優(yōu)于原型，而在額定工況點附近流量點所對應的靜壓則略低；全倒角和原型的靜壓相同，但是其效率會降低；在整個流量段，1/3倒角的靜壓和效率相對優(yōu)于原型，且相對其它不同方位倒角模型的性能更優(yōu)。

3.2軸向截面的壓力分布

為了研究不同方位倒角在額定工況點（Φ=0.11）對風扇性能的影響，本節(jié)分析了不同風扇模型的三個軸向截面的靜壓等值線圖，分別是Z=-6（流道進口處）、Z=0（流道中間）、Z=6（流道出口處），它們可以反映增加倒角后流道內的流動變化情況。

對比圖6—圖9可知：a）在流道進口處，原型、1/3倒角和2/3倒角在靠近吸力面?zhèn)鹊娜~頂和葉根附近的壓力等值線圖幾乎沒有改變，只有全倒角模型在吸力面?zhèn)热~頂和葉根附近的低壓區(qū)面積有明顯的減小，其距離前緣明顯小于1/3中弧線，說明倒角可以改變吸力面?zhèn)热~頂和葉根附近的低壓區(qū)；b）在流道中間，有倒角的風扇模型在靠近吸力面?zhèn)热~頂附近的低壓區(qū)分離，其面積也隨之減小，而且1/3倒角和2/3倒角在葉頂附近的最低壓力相對原型都有明顯減小，1/3倒角和2/3倒角在靠近壓力面?zhèn)热~中附近的高壓區(qū)面積相對原型都有所增大，而全倒角模型的高壓區(qū)面積則有所減小，說明局部倒角會使靠近吸力面?zhèn)热~頂附近的低壓增大，壓力梯度減小，產生二次流的可能性也隨之減小，壓力面?zhèn)鹊母邏簠^(qū)面積增大，風扇的做功能力也隨之增大；c）在流道出口處，1/3倒角和2/3倒角在靠近壓力面?zhèn)热~中附近的高壓區(qū)面積相對原型有所增大，而全倒角模型的高壓區(qū)面積則明顯減小，1/3倒角和2/3倒角在靠近吸力面?zhèn)热~頂附近的低壓區(qū)面積相對原型明顯降低。

圖6　原型風扇不同軸向截面的壓力等值線

圖7　1/3倒角風扇不同軸向截面的壓力等值線

圖8　2/3倒角風扇不同軸向截面的壓力等值線

圖9　全倒角風扇不同軸向截面的壓力等值線

綜合分析流體沿流道流動的壓力分布情況可知：1/3倒角和2/3倒角模型的低壓區(qū)面積明顯減小，其數(shù)值增大，同時高壓區(qū)的面積變大，說明增加倒角會促使流道中的流體重新分布，以至于低壓區(qū)的面積減小，其數(shù)值增大，從而減小了形成渦的可能性，在壓力面?zhèn)热~中附近的高壓區(qū)面積增大，使風扇的做功能力進一步的提升。

3.3葉頂局部壓力分布

為了進一步了解風扇的內部流動特性，本節(jié)分析了不同風扇模型在額定工況點（Φ=0.11）的子午面（X=0）壓力等值線圖，并選取葉頂處靜壓分布的局部放大圖進行研究，結果如圖10所示。

圖10　葉頂局部壓力等值線圖

從圖10可以看出，在吸力面?zhèn)鹊娜~根附近，1/3倒角和全倒角模型的低壓區(qū)面積會減小，但全倒角模型的低壓區(qū)面積減小更大，意味著在該位置的壓力梯度在不斷的減小，從而改善了風扇吸力面?zhèn)热~根附近的壓力分布情況，同時也說明壓力面?zhèn)鹊娜~根倒角可以改善吸力面?zhèn)热~根附近的低壓區(qū)；在壓力面?zhèn)鹊娜~根附近，2/3倒角的低壓區(qū)面積相對原型有所減小，而1/3倒角和全倒角模型則不會出現(xiàn)低壓區(qū)，從根本上抑制了二次流產生的可能。

從圖10中也可以看出，在流道中的低壓區(qū)面積及大小明顯減小，說明流體在經過倒角時會產生二次流，并隨著風扇的不斷旋轉與流道渦相遇，從而在一定程度上減小了流道渦的形成，使流道中的低壓區(qū)面積減小、大小增大。

在吸力面?zhèn)热~中附近，1/3倒角的壓力梯度明顯小于全倒角的壓力梯度，產生渦的可能性也隨之降低；在壓力面?zhèn)热~中附近，1/3倒角的高壓區(qū)面積明顯要比其它模型大，說明1/3倒角會提高風扇靜壓。綜合以上葉頂局部壓力等值線圖的分析，1/3倒角模型的內部流動特性相比其它模型更優(yōu)。

3.4葉頂局部速度分布

為了更清楚的了解風扇在額定工況點（Φ=0.11）的內部流動特征，本節(jié)對不同倒角模型在子午面（X=0）的速度流線圖進行分析，結果如男圖11所示。

圖11　葉頂局部速度流線圖

從圖11可以看出，三種倒角模型在流道中都會形成兩個旋向相反的渦。相比原型，在1/3倒角模型的流道中，小渦向機匣內壁運動，并且逐漸衰減，說明有部分渦在接觸到機匣內壁時可能產生渦破裂，而另外一個大渦的位置沒有變化，但是其大小有明顯地減??；在2/3倒角模型的流道中，小渦的位置和大小幾乎沒有發(fā)生變化，大渦有移動的趨勢，但是其衰減不明顯；在全倒角模型的流道中，相對原型，小渦消失，大渦衰減，說明增加倒角可以使通道渦減小，與之前在分析壓力等值線圖時得出的結論一致。

綜合分析不同方位倒角的速度流線圖可知，1/3倒角模型的速度分布最好，更利于流體的流動和風扇性能的提升。

4　結 論

本文對小型軸流風扇不同方位的倒角模型進行了數(shù)值分析，得到以下結論：

a）葉根局部倒角會使小型軸流風扇的靜壓和效率有所提升，全倒角風扇的靜壓不變，但其效率會降低，同時可以發(fā)現(xiàn)，1/3倒角模型的性能明顯優(yōu)于其余模型的性能；

b）葉根倒角有助于改善小型軸流風扇流道中低壓區(qū)的面積及大小，尤其在靠近吸力面?zhèn)热~根和葉頂附近的低壓區(qū)，同時也改善了壓力面?zhèn)热~根附近的高壓區(qū)；

c）局部葉根倒角使流道中流體流動更流暢，改善了壓力梯度較高的區(qū)域，進而避免了產生二次流的可能性。

基于目前對有無倒角小型軸流風扇內部流場特性的研究，說明壓力側的葉根倒角對小型軸流風扇的氣動性能有一定的影響，后續(xù)還需要研究壓力側葉根倒角對小型軸流風扇氣動噪音的影響。

［1］朱立夫，金英子，李 昳.分流葉片周向位置對小型軸流風扇性能的影響［J］.浙江理工大學學報，2014，31（3）：241-246.

［2］康 順，孫麗萍.葉根倒角對離心葉輪氣動性能的影響［J］.工程熱物理學報，2009，30（1）：41-43.

［3］孫麗萍.葉根倒角及邊界層轉捩對離心葉輪氣動性能的影響［D］.保定：華北電力大學，2008：5-61.

［4］王大磊，樸 英，陳美寧.葉根倒角對軸流渦輪轉子氣動性能的影響［J］.航空動力學報，2011，26（9）：2075-2081.

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Effect of Blade Root Fillet on Static Characteristics of Small Axial Fans

WU Wen-jun，JIN Ying-zi，WANG Yan-ping，CHU Wei，YU Eu-bo
（School of Mechanical Engineering&Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

Small axial fan served as the prototype，and blade root at the side of pressure surface was filleted along the different locations of central arced curve to establish 1/3 root fillet model（leading edge 1/ 3 central arced curve），2/3 root fillet model（leading edge 2/3 central arced curve）and the whole root fillet model（along the whole central arced curve）.Characteristics of internal flow field of the fan were analyzed by RNGκ-εturbulence model，SIMPLE algorithm and second order accurate upwind difference scheme. The results show that 1/3 root fillet model and 2/3 root fillet model increase the static pressure and efficiency of the fan，but the performance of the former is better；the whole root fillet model influences static pressure of the fan little，but fan efficiency decreases；the local root fillet at the pressure side makes the fluid in the passageway redistribute to improve the low pressure area near the blade tip and root of the suction side and the high pressure area near the blade root at the pressure side，so that the possibility of secondary flow is avoided；simultaneously，root fillet increases the high pressure area of 1/2 blade height near the pressure side and reinforce power capability of the fan.

axial fan；blade root fillet；internal flow field characteristics；numerical simulation

TH421

A

1673-3851（2015）06-0812-06

（責任編輯：康 鋒）

2015-01-26

國家自然科學基金項目（51276172）；浙江省自然科學基金項目（LZ14E050004）

吳文軍（1989-），男，甘肅酒泉人，碩士研究生，主要從事流場測試及計算方面的研究。

金英子，E-mail：jin.yz@163.com