幅流風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)對(duì)內(nèi)流特性的影響研究

刁 雷，李慧林，趙 京，王銘昭

（1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州航航科技有限公司，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

幅流風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于軌道交通客車領(lǐng)域，用于改善車廂氣流，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速動(dòng)態(tài)化。葉輪是幅流風(fēng)機(jī)重要的送風(fēng)部件，其設(shè)計(jì)理論有待進(jìn)一步討論，風(fēng)機(jī)舒適性能、送風(fēng)性能和噪聲特性是研究重點(diǎn)。幅流風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)整機(jī)的性能產(chǎn)生重大的影響。張強(qiáng)［1］結(jié)合CFD 技術(shù)對(duì)貫流風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。2005 年Govardhan 等［2］通過(guò)對(duì)不同葉片角度及半徑比進(jìn)行對(duì)比研究，得出一定葉片數(shù)量不同葉片角時(shí)的性能并進(jìn)一步得出了最優(yōu)葉片角度。2011 年龐佑霞等［3］對(duì)貫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)正交設(shè)計(jì)進(jìn)行了組合研究，提出了參數(shù)組合最優(yōu)的研究方法。舒朝暉等［4］對(duì)貫流風(fēng)機(jī)參數(shù)通過(guò)二維穩(wěn)態(tài)模擬探討了葉輪前后緣半徑葉片傾角以及彎度角3 個(gè)葉片參數(shù)對(duì)流場(chǎng)和性能的 影響。

在貫流風(fēng)機(jī)研究的基礎(chǔ)上，鮮有人結(jié)合彎度和葉片厚度作為研究對(duì)象。前人主要對(duì)幅流風(fēng)機(jī)自主驗(yàn)展開(kāi)討論［5-7］，鮮有幅流風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)深入研究。研究幅流風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)對(duì)出口風(fēng)量的影響，旨在討論葉輪不同參數(shù)的最優(yōu)參數(shù)及組合，探析風(fēng)機(jī)復(fù)雜的內(nèi)流機(jī)理，從內(nèi)流理論上尋求風(fēng)機(jī)最優(yōu)送風(fēng)效率。

1 風(fēng)機(jī)模型及參數(shù)理論

1.1 風(fēng)機(jī)模型

幅流風(fēng)機(jī)主要由葉輪、風(fēng)罩、集風(fēng)器、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和支架組成。建立單軸風(fēng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉片呈等距分布，葉輪主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 幅流風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)Fig.1 Simplified structure of disturbance flow fan

表1 葉輪特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of impeller

1.2 基本理論

McNally 在NASA 報(bào)告中提出雙圓弧設(shè)計(jì)理論，通過(guò)葉型圓弧中心線與弦長(zhǎng)及彎度配合，葉型表面均是圓弧與前緣小圓及后緣小圓相切，且滿足最大厚度，相對(duì)定位。串列葉柵理論［10］雙圓弧葉型串列葉片一節(jié)中，修正了雙圓弧中弧線是圓弧的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，論證了雙圓弧中弧線為橢圓。其雙圓弧設(shè)計(jì)理論解決了葉片設(shè)計(jì)形位參數(shù)的確定、葉片參數(shù)定位困難的問(wèn)題。如圖2（b）所示，應(yīng)用其雙圓弧葉型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則于幅流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中。根據(jù)其修正的計(jì)算方法有：

式中 Pe——葉輪功率，W；

Psh——軸功率，W。

圖2 葉片截面示意Fig.2 Schematic diagram of the blade section

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

葉輪外緣速度為5.95 m/s，馬赫數(shù)Me＜0.02，以葉片弦長(zhǎng)為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)Re=4 227。因此流場(chǎng)為不可壓縮湍流模型。葉片扭曲角為5°，需建立三維模型穩(wěn)態(tài)仿真。

如圖3 所示，計(jì)算域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，旋轉(zhuǎn)域非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，加密葉輪近壁面網(wǎng)格，保證數(shù)值計(jì)算的有效性和準(zhǔn)確性。如圖4 所示，對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定全局網(wǎng)格413 萬(wàn)。流體域A，旋轉(zhuǎn)域B 網(wǎng)格數(shù)分別約為119 萬(wàn)，294 萬(wàn)。進(jìn)口如圖3（b）3 個(gè)面為進(jìn)口面，延長(zhǎng)出口，避免回流對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖3 幅流風(fēng)機(jī)計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of disturbance flow fan

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

2.2 FLUENT 邊界條件

對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，控制方程為基于節(jié)點(diǎn)的格林-高斯，湍流計(jì)算選用Realizable k-ε， 近壁方程采用標(biāo)準(zhǔn)壁面，壓力速度耦合選用SIMPLEC，壓力采用PRESTO!，其他方程采用二階迎風(fēng)格式。分別設(shè)置壓力進(jìn)出口，設(shè)置表壓為0，即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。圖3（b）中面1，2，3，4 設(shè)置為交界面；其他邊界均設(shè)置為wall；采用Framc Motion 模型設(shè)定旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 模型可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型可行性，對(duì)原模型進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下的數(shù)值模擬，對(duì)比企業(yè)提供的不同轉(zhuǎn)速幅流風(fēng)機(jī)風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)。如圖5 所示，仿真結(jié)果高于實(shí)際測(cè)試2%～3%。這是由于風(fēng)罩部分輕量化（半遮蓋）后，進(jìn)口流流體域較大，部分渦流從風(fēng)罩進(jìn)口端流出。仿真限制了風(fēng)機(jī)進(jìn)口流體域，故仿真值高于測(cè)試值。

圖5 幅流風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速出口風(fēng)速測(cè)試仿真對(duì)比Fig.5 Simulation and comparison of outlet wind speeds of disturbance flow fan at different speeds

3.2 彎度角的影響

模擬原型葉輪出口風(fēng)量對(duì)比該測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差為2%。模擬不同彎度角葉輪，不同條件的性能參數(shù)變化如圖6 所示。

圖6 不同彎度角參數(shù)性能Fig.6 Performance of different camber angle parameters

在圖6 中當(dāng)葉片彎度角α=80°時(shí)，相對(duì)原葉輪風(fēng)量提升了4.3%。風(fēng)量隨彎度角減小先減小后增大。彎度角α ＞80°時(shí)，全壓效率隨彎度角α增大總體趨勢(shì)呈振蕩，α ＜80°時(shí)，全壓效率隨彎度角α減小而減小。葉輪效率隨α增大呈線性增大。由上可知，出口風(fēng)量提升的主要原因是葉輪效率提升。全壓效率大于29.78%，葉輪做功使全壓效率提升。風(fēng)機(jī)風(fēng)抗是當(dāng)葉輪做功時(shí)，處于靜止的狀態(tài)氣流在剪切力作用下連續(xù)發(fā)生變形，氣流產(chǎn)生流動(dòng)，流體內(nèi)部產(chǎn)生抗剪切變形，從宏觀的角度，氣流阻礙葉輪做功，即克服流體層摩擦力等產(chǎn)生的抗性。風(fēng)機(jī)風(fēng)抗取決于靜壓大小。取x-y 平面分析。圖7 示出了4 組彎度角的靜壓-速度流線圖。隨彎度角增大，靜壓減小，風(fēng)抗減小，動(dòng)壓增大，風(fēng)量增大。低速區(qū)域主要在進(jìn)口及偏心渦附近。葉尖處?kù)o壓隨彎度角增大而增大，說(shuō)明葉尖端處風(fēng)抗較大，使得偏心渦逐漸靠近葉輪軸心，產(chǎn)生較小回流，大部分空氣由出口排出，其余繞渦心流動(dòng)，形成回流。而α=99.93°時(shí)，風(fēng)罩左側(cè)風(fēng)抗過(guò)大導(dǎo)致氣流減少。α=80°時(shí)從速度云圖分析葉尖下部氣流緊貼左側(cè)風(fēng)罩流出，回流較少。當(dāng)因此存在一個(gè)彎度角使回流盡可能的小?？紤]葉輪效率及風(fēng)量，取彎度角α=80°最佳。

圖7 不同彎度角靜壓-速度云圖Fig. 7 Static pressure velocity nephogram at different camber angles

3.3 厚度的影響

保持彎度角α=80°研究厚度的影響。不同條件的性能參數(shù)變化如圖8 所示。

圖8 不同厚度參數(shù)性能Fig.8 Performance of blades with different thickness parameters

由圖8 中風(fēng)機(jī)性能參數(shù)隨葉片厚度增大線性遞減，流動(dòng)損失過(guò)大。T=0.2 mm 時(shí)，相對(duì)于原型風(fēng)機(jī)風(fēng)量提升了18%。隨著葉片厚度減小流量增大主要得益于全壓效率增大，即葉輪做功的增加。T=0.8 mm 時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)，是葉片厚度局部最優(yōu)參數(shù)?？梢?jiàn)葉片厚度為幅流風(fēng)機(jī)敏感參數(shù)。設(shè)風(fēng)機(jī)葉片厚度與風(fēng)機(jī)風(fēng)量函數(shù)Q=p1T+p2，由Matlab 擬合函數(shù)得：

由此得出葉片厚度與此風(fēng)機(jī)的風(fēng)量初步預(yù)測(cè)模型。

由圖9 中葉輪上方靜壓整體相近，葉片厚度增大，右側(cè)及左上方風(fēng)罩部分靜壓逐漸增大，左上方的風(fēng)抗決定了更多氣流順著左側(cè)流道流下，右側(cè)風(fēng)抗增大，阻止了回流，進(jìn)入出口流道的流線密度更大。一般渦心越接近風(fēng)罩，出口回流越小，風(fēng)機(jī)流量趨于增大而渦心負(fù)壓與風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化趨勢(shì)相同，渦心的負(fù)壓變化也是幅流風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化的原因之一。

圖9 不同厚度時(shí)靜壓-速度云圖Fig.9 Static pressure velocity nephogram with different thicknesses

3.4 端部圓半徑R 的影響

不同R 時(shí)渦量-靜壓云圖如圖10 所示。

圖10 不同R 渦量-靜壓云圖Fig.10 Nephogram of different R vorticity static pressure

取T=0.8 mm，圖10 中，左側(cè)入口處葉片的渦量隨R 的增大而較少，溢出渦量減少，更多渦量進(jìn)入流道，致風(fēng)量增大。另一方面，流體繞過(guò)葉片后緣尖點(diǎn)流動(dòng)到葉背，在葉片后緣產(chǎn)生高速流動(dòng)，壓力很低，流體由葉片尾緣流向吸力面時(shí)形成很大逆壓梯度，使邊界層分離，形成起動(dòng)渦不斷向下脫落形成氣流流出。隨著R 增大，葉片吸力面附著渦增加，起動(dòng)渦脫落加速，尾渦減少表示抑制邊界層分離嚴(yán)重及逆壓梯度滯留少，流動(dòng)阻力及損失減少。這是氣流二次貫穿葉輪流量增大，風(fēng)量增大的主要原因。同時(shí)右側(cè)風(fēng)罩風(fēng)機(jī)靜壓等級(jí)逐漸增大，風(fēng)抗增大，即隨R 增大，進(jìn)口流阻力減少，出口右側(cè)流阻增大，增大進(jìn)流，減少回流。因此存在一個(gè)R 使得出口風(fēng)量最佳。R=0.3 mm 時(shí)，吸，壓力面彎度角接近80°，相對(duì)原風(fēng)機(jī)風(fēng)量增大了12.09%。實(shí)際生產(chǎn)中，葉片端部設(shè)計(jì)可適當(dāng)減少R，增大風(fēng)量。

4 結(jié)論

（1）葉片彎度角一定程度決定了風(fēng)機(jī)風(fēng)抗，風(fēng)量隨彎度角減小先減小后增大。

（2）葉片厚度減小抑制風(fēng)機(jī)回流，風(fēng)機(jī)性能參數(shù)隨葉片厚度增大線性遞減。

（3）部分減少葉片端部圓半徑R，更多氣流參與二次貫穿葉片。R=0.3 mm 葉型性能最優(yōu)。