貫流風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)的模擬研究

舒朝暉，張 強(qiáng)，段亞雄

貫流風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)的模擬研究

舒朝暉，張 強(qiáng)，段亞雄

（華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

貫流風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能有著決定性的影響，基于某企業(yè)提供的原型葉輪，通過(guò)二維穩(wěn)態(tài)模擬探討了葉輪前后緣半徑Ri與Ro、葉片傾角a以及葉片彎度角γ 等3個(gè)重要葉片參數(shù)對(duì)空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)和性能的影響。結(jié)果表明，葉片前后緣半徑比對(duì)葉片壁面邊界層分離存在較大影響，當(dāng)Ri/Ro＞1時(shí)，通常能夠較好地抑制邊界層分離，得到較大的出口流量；對(duì)于原型葉片而言，其傾角a的最佳取值范圍介于25°到30°之間，且隨a增大，葉輪入口流場(chǎng)波動(dòng)減?。粡澏冉铅迷酱?，葉輪對(duì)氣流做功越多，γ 為90°時(shí)，取得最大流量值716.47m3/h，相比原葉輪，流量提升4.04%。

貫流風(fēng)機(jī)；葉輪參數(shù)；流場(chǎng)特性；風(fēng)機(jī)性能

1 前言

貫流風(fēng)機(jī)（crossflowfan）作為空氣輸送裝置被廣泛應(yīng)用于空調(diào)領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于分體壁掛式空調(diào)中，其送風(fēng)性能和噪聲特性備受關(guān)注。由于其流場(chǎng)極其復(fù)雜，目前仍然沒(méi)有通用的設(shè)計(jì)理論。

葉輪是貫流風(fēng)機(jī)最關(guān)鍵的送風(fēng)部件，其結(jié)構(gòu)很大程度上決定了貫流風(fēng)機(jī)的性能。前人對(duì)貫流風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)做了一系列研究［1～6］。2003年，ALazzaretto總結(jié)前人的研究成果，提出并定義了葉輪和外殼的詳細(xì)形狀和位置參數(shù)，確定了能夠獲得較好性能和效率的各參數(shù)的取值范圍［6］。ALazzaretto提出的葉輪特征參數(shù)包括葉輪軸向長(zhǎng)度與外徑之比L/D2、葉輪內(nèi)外徑之比D1/D2、葉片數(shù)Z、葉片入口角b1和出口角b2，主要特征參數(shù)的取值范圍為 0.7 ≤ D1/D2≤ 0.85；20°≤β2≤45°；70°≤β1≤130°。其后，張師帥等以葉片出入口角、葉片中部厚度、葉片端部厚度、葉片斜扭角度以及葉片圓周分布角等為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了貫流風(fēng)機(jī)葉輪幾何建模的參數(shù)化［7］。另外，很多學(xué)者研究了葉片扭曲角、葉片斜度、葉片分布以及葉片邊緣形狀（如鋸齒邊）等葉輪參數(shù)對(duì)貫流風(fēng)機(jī)性能的影響［8～17］。

前人對(duì)葉輪橫截面參數(shù)的研究多集中在葉輪入口角β1和出口角β2上，鮮有學(xué)者研究葉片兩端厚度對(duì)性能的影響。另外，由于氣流兩次貫穿葉片，氣流相對(duì)葉片并沒(méi)有固定的入口角和出口角，所以，從葉片幾何設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，本文參考Mcnally繪制雙圓弧葉片串列葉柵的形位參數(shù)，設(shè)定了一組葉片特征參數(shù)：外徑D2、弦長(zhǎng)C、前后緣半徑Ri與Ro、最大厚度TM、彎度角γ和傾角a。結(jié)合某風(fēng)機(jī)廠家提供的空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)原型葉輪，本文維持參數(shù)D2和C不變，通過(guò)二維數(shù)值模擬的方法，分別探討葉片前后緣半徑Ri與Ro、彎度角γ和傾角a的改變對(duì)貫流風(fēng)機(jī)性能的影響，為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考［18］。

2 貫流風(fēng)機(jī)特征及其物理模型

本文研究的貫流風(fēng)機(jī)位于壁掛式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的下游，主要由蝸殼、蝸舌以及前彎葉片葉輪構(gòu)成（如圖1）。與軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)不同的是，貫流風(fēng)機(jī)氣流由徑向進(jìn)入，兩次貫穿葉片后從出口流出，其流場(chǎng)最典型的特點(diǎn)是，葉輪尾緣會(huì)產(chǎn)生大量的脫落渦，這些渦不斷破碎、擴(kuò)散和組合，最終在蝸舌附近（圖1中虛線(xiàn)方框）形成一個(gè)較穩(wěn)定的偏心渦，其位置、大小和強(qiáng)度決定著貫流風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)特性。

圖1 空調(diào)室內(nèi)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

葉片橫截面型線(xiàn)和各參數(shù)如圖2所示，圖（a）為由葉片角β1、β2和內(nèi)外徑定義的等厚葉片（T為厚度），其中角β1與β2的頂點(diǎn)分別為葉片中弧線(xiàn)與葉輪內(nèi)外圓的交點(diǎn)。圖（b）為由本文設(shè)定的特征參數(shù)確定的葉片。

圖2 葉片橫截面示意

本文的物理模型由企業(yè)提供的原型機(jī)簡(jiǎn)化而來(lái)，如圖1所示，葉片型線(xiàn)與圖2（b）相同。蝸舌間隙4.6mm，蝸殼間隙3.7mm，葉片不等距分布，葉輪主要特征參數(shù)列于表1中。

表1 企業(yè)提供的貫流風(fēng)機(jī)葉輪主要特征參數(shù)

葉輪轉(zhuǎn)速為1205r/m in，葉輪外緣速度為5.94m/s，馬赫數(shù)Ma＜0.02，以葉片弦長(zhǎng)為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)Re=4838，可視為不可壓湍流模型。且葉片都為直葉片，貫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)具有良好的軸向一致性。綜上，實(shí)際模型可簡(jiǎn)化為二維不可壓湍流模型。

3 數(shù)值模型

3.1 網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示，計(jì)算域?yàn)榘霃綖?0D2的半圓區(qū)域，外圍圓環(huán)區(qū)域（圖中標(biāo)記A，B）采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其它區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（葉輪區(qū)域D為三角形網(wǎng)格），并對(duì)葉輪、蝸舌和蝸殼附近進(jìn)行加密處理。在進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，最終選取的全局網(wǎng)格數(shù)約為19.5萬(wàn)（改變?nèi)~片參數(shù)后葉輪區(qū)域網(wǎng)格會(huì)微小變化），其中葉輪區(qū)域D約10萬(wàn)，外圍結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)為15520，換熱器區(qū)域C為7920，葉輪壁面邊界層為15層。轉(zhuǎn)子圓環(huán)寬度d以及圓環(huán)內(nèi)外圓與鄰近葉尖的間歇對(duì)流場(chǎng)模擬結(jié)果影響較大，未見(jiàn)對(duì)其大小設(shè)置作嚴(yán)格規(guī)定的相關(guān)理論。本文中，如無(wú)特殊說(shuō)明，則區(qū)域D的內(nèi)外徑保持不變，分別為71.582mm和96.152mm，即分別與企業(yè)提供的原型葉輪內(nèi)外葉尖間隔1mm。

圖3 網(wǎng)格示意

3.2 模擬條件設(shè)置

邊界條件設(shè)置：室內(nèi)機(jī)外圍進(jìn)出口（圖3（a））分別設(shè)置為壓力進(jìn)出口，表壓均為0Pa；圖3中交界邊1，2，5和6設(shè)置為Interface邊界；交界邊3，4，7，8以及蝸舌加密區(qū)的兩端邊線(xiàn)設(shè)置為Interior邊界；其它邊界均設(shè)置為壁面Wall；換熱器區(qū)域C設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域；葉輪區(qū)域D采用多坐標(biāo)參考系MRF，即設(shè)置為Fram eMotion；葉片壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面。

其它條件設(shè)置：空氣密度根據(jù)通風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài)設(shè)定為1.2kg/m3，選取RNGk-e湍流模型，壁面采用Scalab leWall模型，壓力速度耦合采用SIMPLEC格式。壓力采用標(biāo)準(zhǔn)差分格式，其它空間離散設(shè)置為二階迎風(fēng)格式。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 前、后緣半徑的影響

原葉輪前、后緣半徑分別為Ri=0.218mm、Ro=0.268mm，為了探究前、后緣半徑的影響，保持其它葉片橫截面特征參數(shù)不變，分別改變Ri，Ro（D1會(huì)隨其微小變化，具體值將列出）進(jìn)行二維穩(wěn)態(tài)計(jì)算，不同條件的性能參數(shù)變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 不同前、后緣半徑情況的性能參數(shù)變化

葉輪功率：

式中P——葉輪功率，W

T——單位長(zhǎng)度的葉輪轉(zhuǎn)矩，N·m

ω——葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

全壓效率：

式中Pe——風(fēng)機(jī)有效功率，Pe=ΔPeQ

ΔPe——風(fēng)機(jī)全壓，Pa

Q——出口風(fēng)量（注意軸向長(zhǎng)度），m3/h

各序號(hào)對(duì)應(yīng)的前后緣半徑值如表2所示（為方便表述，令常數(shù)a=0.218mm，a～1.23a表示0.218～0.268mm），其中序號(hào)4對(duì)應(yīng)原葉片，同時(shí) 附上對(duì)應(yīng)的葉片角β1，β2以供參照。

表2 不同前后緣半徑的流量變化和對(duì)應(yīng)的葉片角

由圖4和表2可得，固定Ri=a時(shí)，當(dāng)Ro從2.1a（此時(shí)后緣直徑已十分接近于葉片最大厚度TM）逐漸減小到a時(shí)（序號(hào)1到5），風(fēng)機(jī)出口流量、葉輪功率和全壓效率均小幅增大，說(shuō)明這一過(guò)程中葉輪對(duì)氣流做功增多且流動(dòng)損失相對(duì)減?。还潭≧o=a時(shí)，當(dāng)Ri從a逐漸增大到2.1a時(shí)（序號(hào)5到9），風(fēng)機(jī)流量逐漸減小，但變化程度十分微小，葉輪功率基本不變，全壓效率呈微小的減小趨勢(shì)，說(shuō)明流量的微小變化主要由流動(dòng)損失的增大所致。

總體而言，隨葉片前后緣半徑變化，3個(gè)性能參數(shù)均先微小增大（序號(hào)1到5）后基本不變（序號(hào)5到9），都在序號(hào)5處取得最大值。流量最大值相對(duì)于流量極低值（序號(hào)1）增大2.42%，相對(duì)于原風(fēng)機(jī)（序號(hào)4）增大0.58%。

圖5，6依次給出了a～1.8a，a～a和2.1a～a 3種葉片入口和出口局部渦量云圖。

圖5 葉片入口局部渦量云圖

圖6 葉片出口局部渦量云圖

由圖可知，隨葉片前緣半徑增大（Ri/Ro增大），入口葉片吸力面上的渦量更加貼近壁面，吸力面附近尾渦區(qū)稍有減小（參見(jiàn)圖中橢圓標(biāo)記），這是因?yàn)?，根?jù)翼型理論，葉片入口端大出口端?。▓A頭尖尾）能夠有效減小壁面逆壓梯度，從而抑制邊界層的分離或使分離點(diǎn)后移，使得尾渦減小，流動(dòng)阻力與損失減?。欢隹谌~片上的渦量分布則剛好與入口情況相反，只是沒(méi)有入口明顯，仔細(xì)觀察出口葉片尾緣（圖中圓形標(biāo)記），可以發(fā)現(xiàn)，隨前緣半徑增大，葉片尾緣附近的渦量范圍略有增大且尾緣附近渦量強(qiáng)度很大。即隨葉片前緣半徑增大（或后緣半徑減?。灹黠L(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)口流道的流阻減小而出口流道的流阻增大。因此，理論上存在一組最佳的前后緣半徑值，使得整個(gè)葉輪流道的流阻最小，從而使得風(fēng)機(jī)流量最大。由以上9組模擬結(jié)果可知，當(dāng)Ri≥Ro時(shí)，一般都能獲得較大的出口風(fēng)量，且此時(shí)全壓效率和葉輪功率基本不變。

綜上可知，葉片前、后緣半徑Ri，Ro對(duì)貫流風(fēng)機(jī)性能的影響較小。一般而言，可使用Ri略小于Ro的葉片來(lái)適當(dāng)降低葉輪功率，而為獲得較大的流量值和全壓效率最好使得Ri≥Ro。

4.2 葉片傾角α的影響

由于葉片傾角改變時(shí)，葉輪內(nèi)徑發(fā)生較大變化，為保證轉(zhuǎn)子區(qū)域D的網(wǎng)格質(zhì)量，本節(jié)把區(qū)域D（圖3）的內(nèi)徑由71.582mm改為70mm。不同葉片傾角時(shí)貫流風(fēng)機(jī)性能參數(shù)變化情況如圖7所示，虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)原葉片。不同情況的具體流量值和葉片角示于表3中。

圖7 不同傾角α?xí)r的性能曲線(xiàn)

表3 不同葉片傾角的流量變化和對(duì)應(yīng)的葉片角

需要特別說(shuō)明的是，當(dāng)傾角為15°、20°和23°時(shí)，風(fēng)機(jī)出口流量模擬值存在比較明顯的波動(dòng)，流量值無(wú)法收斂，推測(cè)這3種情況下風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)十分紊亂。為便于對(duì)照，本文選取從8000步到10000步的模擬結(jié)果的流量平均值作為這3種情況對(duì)應(yīng)的參考流量。下文將對(duì)傾角為20°的流場(chǎng)予以分析。另外，對(duì)于葉片彎度角為45°和60°的情況，本文也采取了相同的處理方式，后文將不再說(shuō)明。

由圖7和表3可知，傾角α由25°增大到30°的過(guò)程中，風(fēng)機(jī)各性能參數(shù)的變化都十分微?。◣缀醪蛔儯?。當(dāng)α由30°變?yōu)?5°時(shí)，各性能參數(shù)均明顯減小。

圖8給出了不同傾角時(shí)貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的靜壓云圖和流線(xiàn)分布。

圖8 不同傾角靜壓云圖和流線(xiàn)分布

結(jié)合圖7和圖8可知，隨傾角α增大，偏心渦位置越靠近蝸舌，這是因?yàn)閮A角越大，渦核下游附近氣流以更大的負(fù)攻角通過(guò)葉片流道，下游葉片壓力面產(chǎn)生的脫落渦更多，對(duì)偏心渦的誘導(dǎo)作用更大。而一般渦心越靠近蝸舌，出口回流區(qū)域越小，風(fēng)機(jī)流量趨于增大；偏心渦位置向蝸舌移動(dòng)使得入口氣流方向發(fā)生明顯改變，氣流在入口葉片吸力面產(chǎn)生的脫落渦減少，因而入口流場(chǎng)紊亂程度明顯減小，流動(dòng)損失減少，風(fēng)量和效率趨于增大。另外，渦核壓力隨傾角增大而變大，這導(dǎo)致渦核對(duì)流場(chǎng)的誘導(dǎo)作用減小，從而使風(fēng)機(jī)整體流量趨于減小?？偟膩?lái)說(shuō)，可以推測(cè)，傾角為15°、20°和23°時(shí)，葉輪入口流場(chǎng)的紊亂性對(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈擾動(dòng)，使得出口流量無(wú)法收斂；傾角由25°增大到35°的過(guò)程，一方面由于偏心渦靠近蝸舌使得風(fēng)機(jī)流量趨于增大，另一方面由于渦心壓力變大導(dǎo)致流量趨于減小，當(dāng)前者趨勢(shì)大于后者時(shí)，風(fēng)機(jī)流量增大，反之就減小。同時(shí)，由于傾角越大，風(fēng)機(jī)葉輪入口流場(chǎng)波動(dòng)越小，所以在流量變化不大時(shí)，可以選擇較大的葉片傾角。

4.3 葉片彎度角γ

圖9給出了不同葉片彎度角時(shí)貫流風(fēng)機(jī)各性能參數(shù)的變化情況，虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)原葉片，不同情況的具體流量值和葉片角示于表4中。

圖9 不同彎度角γ時(shí)的性能曲線(xiàn)

由圖9和表4知，出口流量隨彎度角γ 增大先增大后減小，當(dāng)γ＞75.49°后出口流量增大趨勢(shì)明顯減小，當(dāng)γ=90°時(shí)取得流量最大值716.47m3/h，相對(duì)原葉輪（γ=75.49°），風(fēng)機(jī)流量提升4.04%；葉輪功率隨γ 增大近于線(xiàn)性增大，當(dāng)γ＞90°后增大幅度減小，γ=90°時(shí)的葉輪功率相比原葉輪功率增大14.87%；全壓效率隨γ 增大先逐漸增大，當(dāng)γ＞75.49°后基本不變，當(dāng)γ＞90°后，開(kāi)始減??；γ=90°時(shí)的全壓效率與原葉輪基本相同。這說(shuō)明，隨彎度角增大流量的增大主要得益于葉輪對(duì)氣流做功增多；當(dāng)γ＞75.49°后流量的增量遠(yuǎn)小于葉輪功率的增量且全壓效率基本不變，說(shuō)明這一過(guò)程流動(dòng)損失并沒(méi)有明顯變化，葉輪對(duì)氣流做功主要使得出口氣流的全壓大幅提升而對(duì)氣體輸送量的提升并不十分明顯。

圖10不同彎度角速度云圖和流線(xiàn)分布

圖10 給出了彎度角為45°、90°、100°3種情況的流線(xiàn)圖和速度云圖。由圖可知，葉輪內(nèi)的低速區(qū)主要出現(xiàn)在偏心渦區(qū)域和葉輪入口部分湍動(dòng)嚴(yán)重的葉片尖端。隨γ增大，葉輪入口低速區(qū)域和旋渦區(qū)域明顯減小，結(jié)合流線(xiàn)圖可以看出這主要得益于葉輪入口尾渦減小；并且葉輪出口高速區(qū)域明顯增大，說(shuō)明彎度角的增大提升了葉輪對(duì)氣流的做功能力，這與圖9中性能曲線(xiàn)的變化情況相符合。另外，結(jié)合流線(xiàn)圖和速度云圖可以明顯看出，彎度角的改變使偏心渦渦心位置發(fā)生了變化，一方面，隨彎度角增大，渦心位置逐漸向右移動(dòng)，越來(lái)越靠近蝸舌，出口回流區(qū)域明顯減??；另一方面，彎度角越大，渦心位置越靠近葉輪軸心，偏心渦上游循環(huán)區(qū)域明顯增大。因此，存在一個(gè)最佳的葉片彎度角γ，使循環(huán)區(qū)域盡可能小，從而使得風(fēng)機(jī)出口流量盡可能大。由模擬結(jié)果可知，在不考慮風(fēng)機(jī)效率的情況下，這一最佳彎度角應(yīng)在90°附近取得。渦心位置的改變以及入口尾渦減小的原因與“4.2葉片傾角α的影響”中的分析相同。

5 結(jié)論

（1）葉片前后緣半徑Ri與Ro、彎度角γ和傾角α等葉片參數(shù)對(duì)貫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)有著重要影響，它們與葉片表面邊界層的分離息息相關(guān)，一定程度上決定了偏心渦的位置、大小和強(qiáng)度。

（2）葉片前后緣半徑比Ri/Ro主要影響著葉片壁面的邊界層分離以及葉輪尾渦區(qū)域的大小，一般而言，Ri/Ro值越大，葉輪總體尾渦區(qū)域越小，流動(dòng)損失越小。

（3）葉片傾角α 越大，偏心渦越靠近蝸舌，出口回流區(qū)域越小，但渦心壓力越來(lái)越大，不利于渦核對(duì)氣流的吸引誘導(dǎo)。對(duì)于原型葉輪，當(dāng)α≤23°時(shí)，葉輪入口渦脫落摻混十分嚴(yán)重，貫流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)無(wú)法穩(wěn)定，出口流量不能收斂；當(dāng)α＞30°時(shí)，風(fēng)機(jī)流量和全壓效率均明顯下降；對(duì)企業(yè)提供的貫流風(fēng)機(jī)而言，最佳葉片傾角范圍為25°≤α≤30°。

（4）葉片彎度角γ越大，葉輪對(duì)氣流做功越多。當(dāng)γ＞75.49°后，葉輪對(duì)氣流做功主要使得出口氣流的全壓大幅提升而對(duì)氣體輸送量的提升并不明顯。就本文而言，若考慮風(fēng)機(jī)的綜合性能，最佳彎度角應(yīng)在75.49°附近取得；若只是為了獲得較大的出口流量，則彎度角γ可取為90°，此時(shí)取得最大流量值 716.47m3/h。

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Numerical Investigations on the Impeller Parameters of the Cross Flow Fan

SHU Zhao-hui，ZHANG Qiang，DUAN Ya-xiong
（Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Impeller parameters have great effect on the performance of the cross flow fan. Based on the blade provided by a company，the influences of several important blade parameters such as leading radiu（Ri），rear radiu（Ro），blade tilt angle（a） and camber angle（γ） on the flow field and performance of the cross flow fan，has been studied by two-dimensional steady simulation.The results show that，the ratio of Riand Ro has great effect on boundary-layer separation of the blade surface，the boundary layer separation is inhibited and higher outlet flow rate is obtained when Ri/ Ro＞1. Blade tilt angle a of the prototype blade can be chosen in the ranges 25°≤a≤30°，and in which range，the fluctuation of the impeller inlet flow decreases with a increases. The greater the camber angle γ，the more the impeller works on the airflow. Moreover，when γ is equal to 90°，the flow rate achieves the maximum of 716.47 m3/h，enhanced 4.04% compared to the original impeller.

cross flow fan；impeller parameters；flow field characteristics；fan performance

TH43

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.005

1005-0329（2017）11-0022-07

2016-11-24

2017-04-19

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B090600061）

舒朝暉（1970-），男，博士，副教授，主要從事制冷空調(diào)及其節(jié)能技術(shù)、高效熱交換設(shè)備與技術(shù)等方面的研究,通訊地址：430074湖北武漢市華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院化工裝備與技術(shù)研究所，E-m ail：shuzhaohui@hust.edu.cn。