客機通風系統(tǒng)中風扇流量特性數(shù)值模擬與研究

趙昱舒

(航空工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，南京 211100)

0 引 言

隨著飛機電子設備的不斷增加，設備艙的冷卻已成為環(huán)控系統(tǒng)的首要任務。電子設備所產(chǎn)生的熱量一旦超出系統(tǒng)的制冷能力，其可靠性將大幅降低[1]。離心風扇作為通風系統(tǒng)中的一個重要部件，其工作情況對整個系統(tǒng)具有重要影響。有關離心風扇的研究成果已有很多，主要是圍繞噪聲與性能參數(shù)兩個方面展開討論。風扇本體的噪聲主要包括氣動噪聲和機械噪聲兩大類[2], 目前的研究主要集中在風扇氣動噪聲[3-6]上，而有關風扇性能參數(shù)方面的研究相對較少，主要有：Y.Fan等[7]研究了多級離心風扇內(nèi)部流場的變化，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的曲線可為減少工況變化對風機性能的影響，進而提高風機效率提供參考；王瑞[8]利用 NUMECA 軟件對某型離心風扇進行仿真并改型，數(shù)值模擬結果顯示改型后的風扇在相同質量流量下靜壓提高了約 2%，并發(fā)現(xiàn)風扇葉片數(shù)對靜壓的影響大小與質量流量有關。

目前大多數(shù)文獻對于離心風扇的研究都是用于空調(diào)、車輛、電機等非航空領域，應用于航空環(huán)控系統(tǒng)的較少。本文以客機上某型離心風扇為研究對象，采用數(shù)值模擬方法計算不同流量下風扇的壓升、效率、功率等參數(shù)，總結各性能參數(shù)隨流量的變化趨勢，并與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證模擬的準確性。

1 風扇流場數(shù)值模擬

氣流在葉輪機內(nèi)部的流動是粘性、非定常的三維流動，流動情況非常復雜。多數(shù)工況下存在流動分離，激波、附面層相互干擾，葉頂隙氣流泄漏和各種形式的二次流等。因此，以現(xiàn)有的測試手段想要利用試驗精確描述葉輪機內(nèi)部的流動極其困難[9-11]。隨著CFD軟件的成熟應用，基于數(shù)值模擬的葉輪機設計和分析的方法被廣泛應用到各個領域[12-14]。

為了研究某型風扇流量的最佳范圍并總結一般性的規(guī)律，進行機理分析，本文對其在不同流量下工作時的流場用商用CFD軟件ANSYS CFX進行數(shù)值模擬。該型風扇的幾何外形如圖1所示。風扇的形式為斜流，通流形式介于軸流與離心之間，斜流風扇的葉輪讓空氣既做軸向運動又做離心運動，具有高壓升、高效率、結構緊湊等特點。

圖1 風扇幾何模型圖Fig.1 Geometric model diagram of fan

在風扇下游有靜子葉片，起到整流的作用。為了使數(shù)值模擬更接近于真實的流動情況，對風扇下游整流葉片中的流體域進行計算。整個流體的計算域如圖2所示。

圖2 計算域Fig.2 Computational domain

風扇是旋轉的，而其后面的靜葉靜止不動，故要把整個流場分為兩個區(qū)域，即風扇葉片所在的旋轉域和靜葉所在的靜止域。本文采用定常模擬，旋轉域和靜止域之間采用frozen rotor邊界。在旋轉域中，設置介質為25 ℃空氣，相對壓力為一個大氣壓，轉速為固定值；靜止域中設定區(qū)域是靜止的，其余設置同旋轉域。邊界條件給定入口相對壓力0 Pa，總溫298 K和出口流量。不同工況下，出口設置不同的流量。模型中的輪轂、葉片等表面均設置為無滑移壁面。兩個區(qū)域間用交界面相連接進行計算中的數(shù)據(jù)傳遞。

2 風扇性能試驗

試驗中風扇進口的壓力保持在101±1 kPa，進口溫度保持在25±1 ℃,轉速為11 500 r/min。試驗臺主要由交流電源、風扇和管路組成，各類傳感器與測量儀器測量風扇前后的物理參數(shù)。試驗示意圖如圖3所示。

圖3 試驗示意圖Fig.3 Test schematic diagram

在734±10 kg/h(約0.2 kg/s)流量下進行14組試驗，風扇壓升的平均值為4.64 kPa。

3 變流量工況下的風扇性能參數(shù)曲線及分析

一般情況下，風扇的壓升和效率是受關注比較多的參數(shù)，總壓效率公式為：(總壓升×體積流量)/輸入功率。總壓升與體積流量的乘積可以看作有用功率。在風扇穩(wěn)定工作時，輸入功率等于轉矩與角速度的乘積。不同流量下風扇的性能曲線如圖4～圖7所示，數(shù)據(jù)點采用質量流量，但在計算時用體積流量，忽略不同流量下氣體密度變化產(chǎn)生的影響。

圖4 總壓效率隨流量變化曲線Fig.4 Total pressure efficiency-flow rate curve

圖5 軸功率隨流量變化曲線Fig.5 Shaft power-flow rate curve

圖6 有用功率隨流量變化曲線Fig.6 Useful power-flow rate curve

圖7 總壓升隨流量變化曲線Fig.7 Total pressure rise-flow rate curve

從圖4可以看出：隨著流量的增大，效率有所增加但增長速率越來越緩慢直至增加到一個最高點，當流量繼續(xù)增加時，效率會大幅下降。其原因是當流量很小時，風扇輸入功率得不到充分利用，流量很小時壓升較高(如圖7所示)，但由于流量乘以壓升即氣體獲得的總的壓力能很小(如圖6所示)，效率依然處于較低的水平；而當流量超過某一值后，氣流堵塞，攻角變化導致的沖擊損失及分離損失使得效率急劇下降，風扇效率在0.3 kg/s時達到最大值。

當風扇穩(wěn)定工作時，轉軸輸入的扭矩應與葉輪所受到的氣動力的力矩相等，即軸功率等于風扇受到的氣動力矩與轉速的乘積。從圖5可以看出：隨著流量的增大，軸輸入的功率有增大的趨勢，但在流量為0.16 kg/s處出現(xiàn)了最低點，在此流量下，風扇葉輪所受的氣動力矩最小，這可能與風扇葉片葉型曲線和輪轂形狀有關。

氣體經(jīng)過風扇增壓而獲得的壓力能可以用流量與總壓升的乘積來表示，這也代表了風扇做的有用功。從圖6可以看出：在最高點之前，有用功率隨流量增加而增大，當流量超過某一值時迅速下降，其變化趨勢與總壓效率曲線類似，但在0.16 kg/s處出現(xiàn)最低點。

從圖7可以看出：在流量很小時，氣體獲得了較大的壓升，隨著流量的增加壓升逐漸降低之后達到一個局部最低點，之后壓升不斷，當流量達到某一值之后，氣體壓升將會一直下降；在流量等于0.28 kg/s時壓升最大。事實上，圖7曲線的趨勢可以從圖4與圖5中推算得到，因為總壓效率等于流量與總壓升的乘積與輸入功率的比值。

流量為0.2 kg/s時，計算結果顯示壓升為4.76 kPa，與試驗結果4.64 kPa非常相近，誤差小于5%，可以認為用數(shù)值模擬方法具有一定的可行性與準確性。需要說明的是，由于穩(wěn)態(tài)模擬的局限性，計算工況點的流量與壓升是動葉和導葉在某一相對位置時得到的結果，而實際試驗條件下的結果為平均值。這種差異造成的計算誤差在可接受范圍內(nèi)。

4 三維流場數(shù)值模擬結果及分析

4.1 總壓分布情況

不同流量下風扇流場的總壓分布如圖8所示，可以看出：每個流量下總壓分布的大體趨勢是一樣的，進口處的空氣經(jīng)過旋轉的風扇增壓后，總壓有了很大提高。在流入整流葉片時，由于產(chǎn)生了沖擊損失和摩擦損失，總壓有所下降；隨著流量的增大，風扇葉輪后氣流總壓增加，并且風扇葉片尾緣附近的局部高壓區(qū)逐漸消失，表明流量增大后葉輪內(nèi)流場越來越均勻，效率也會相應提升。

(a) 0.138 kg/s

(b) 0.200 kg/s

(c) 0.260 kg/s

(d) 0.300 kg/s圖8 風扇流場總壓分布圖Fig.8 Total pressure distribution of fan flow field

4.2 葉片表面極限流線

不同流量下風扇葉片吸力面上的極限流線如圖9所示，可以看出：在低流量(0.16 kg/s)時(如圖9(a)所示)，吸力面上半部分的流線出現(xiàn)了向下傾斜的趨勢，上半部分的一塊區(qū)域流線稀疏并且混亂，表示該區(qū)域上氣流已經(jīng)分離，并伴有分離后低能流體產(chǎn)生的漩渦甚至倒流現(xiàn)象；隨著流量的增大，這種現(xiàn)象逐漸減弱；當流量增大時，攻角減小，吸力面上氣流的分離受到了抑制，并且氣流的速度增大使得其抵抗分離的能力變強，流動狀況得到了改善；當流量為0.28 kg/s時，吸力面表面的流線非常規(guī)則，完全沒有低流量時流線混亂的區(qū)域，表明此時沒有氣流的分離現(xiàn)象。

(a) 0.16 kg/s

(b) 0.20 kg/s

(c) 0.24 kg/s

(d) 0.28 kg/s圖9 風扇吸力面上的極限流線Fig.9 Limit streamline on suction surface of fan

風扇壓力面上的極限流線如圖10所示，可以看出：與吸力面相反，壓力面上的極限流線在低流量時比較規(guī)則，隨著流量的增大，壓力面下半部分出現(xiàn)氣流分離，流量增大時，攻角由正到負，壓力面上逐漸產(chǎn)生了分離；大流量時氣流速度較快，抗分離能力較強，出現(xiàn)倒流現(xiàn)象的可能性也較小，故壓力面上分離造成的損失比吸力面上小得多。這也是最高效率點在較大流量下(0.28～0.30 kg/s)的原因。

(a) 0.16 kg/s

(b) 0.20 kg/s

(c) 0.24 kg/s

(d) 0.28 kg/s圖10 風扇壓力面上的極限流線Fig.10 Limit streamline on fan pressure surface

4.3 流場中的漩渦結構

為了探究流量對流場中氣流流動的影響，分析不同流量時漩渦的分布情況。流量變化時風扇葉輪中流場的三種典型漩渦結構如圖11所示。

(a) 0.16 kg/s

(b) 0.22 kg/s

(c) 0.30 kg/s圖11 不同流量下風扇流場內(nèi)漩渦結構Fig.11 Vortex structure in fan flow field at different flow rates

從圖11(a)可以看出：當流量較低時，流場中尾緣附近的漩渦占主導地位，這可能是從吸力面上半部分和尾緣脫落的低能流體在軸向的逆壓力梯度和旋轉葉片的誘導下卷起形成的，由于分離的位置在吸力面上半部分，脫落的氣流所受離心力大于流道徑向上的壓力梯度，漩渦有逐漸向外發(fā)展的趨勢[15-16]。

從圖11(b)可以看出：流量繼續(xù)增加時，首先，葉片前緣出現(xiàn)明顯的渦系，其產(chǎn)生原因是攻角變小，氣流撞擊到吸力面而產(chǎn)生部分低能流體，同時，靠近吸力面葉根的位置也出現(xiàn)了漩渦，這是低流量時沒有出現(xiàn)的。根據(jù)對極限流線的分析，流量變大時壓力面下半部分會出現(xiàn)氣流分離的情況，這部分流體在流道中壓力面指向吸力面的壓力梯度作用下向吸力面方向遷移，并在吸力面與輪轂組成的角落位置形成漩渦。由于漩渦位置靠近葉根，氣流所受離心力不足以抵抗徑向壓力梯度，漩渦位置被限制在葉根處。其產(chǎn)生原因可能為流量逐漸增大時，流道內(nèi)橫向壓力梯度逐漸增大，在橫向壓力梯度作用下，葉片吸力面附面層低能流體被卷吸而形成漩渦[15-16]。

從圖11(c)可以看出：流量繼續(xù)增加時，氣流分離的程度加大，漩渦尺寸不斷增大，圖11(c)中的旋渦尺寸已經(jīng)增大到與尾緣處的漩渦連接在一起。

流場中的各種渦系對通流能力和增壓能力都有一定的影響。尾緣附近的漩渦會極大地影響風扇出口的流場分布，造成出口氣流壓力分布不均，影響風扇效率并增大氣流在整流葉片中的損失。優(yōu)化葉片型面形狀可以在一定程度上抑制氣流的分離，從而減小漩渦的尺寸。另外，適當修改尾緣形狀也可以抑制尾緣附近渦系的形成[17-18]。

4.4 葉片型面靜壓力分布

不同流量下葉展中部靜壓力分布曲線如圖12所示，上方的曲線為壓力面曲線，下方的為吸力面曲線，可以看出：吸力面上的壓力梯度要大于壓力面。

葉片所受的氣動力為吸力面與壓力面的壓差，即圖12中兩條曲線圍成的面積大致正比于葉片所受的氣動力，也正比于葉輪的轉矩(轉速相同時也正比于功率)。

(a) 0.138 kg/s

(b) 0.160 kg/s

(c) 0.180 kg/s

(d) 0.200 kg/s

(e) 0.220 kg/s

(f) 0.240 kg/s

(g) 0.260 kg/s

(h) 0.280 kg/s

(i) 0.300 kg/s圖12 不同流量下葉展中部截面輪廓線上靜壓曲線Fig.12 Static pressure curve on the profile of the middle part of the blade at different flow rates

對比圖12與圖5，可以看出：功率變化與圖12中曲線圍成的面積大小變化趨勢相同，0.160 kg/s流量時曲線圍成的面積小于0.138 kg/s時的面積，對應圖5中功率下降，隨著流量增加，靜壓曲線圍成的面積逐漸增加，對應圖5中功率不斷增加。

5 結 論

(1) 對于斜流風扇，其性能參數(shù)隨流量變化而有較大變化。在流量較低時，風扇輸入功率得不到有效的利用，軸功率因為沖擊損失、摩擦損失等方式轉化成熱能被耗散掉，導致效率較低。當流量增大時，效率有所提升，但效率存在一個最大值，流量超過該最大值點后效率降低。在流量為0.30 kg/s時效率最大，而在0.28 kg/s時有最大的壓升。

(2) 流量變化對流場結構影響較大，隨著流量的不斷增大，葉輪流場中的漩渦結構發(fā)生了較大變化，其主要原因是流量變化導致的攻角變化。

(3) 葉展中部靜壓力曲線所圍成的面積可以大致表示葉片所受氣動力，計算結果顯示，葉輪所受轉矩在低流量時存在一個最小值。