分流葉片周向位置對小型軸流風(fēng)扇性能的影響

朱立夫，金英子，李 昳

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，杭州310018）

分流葉片周向位置對小型軸流風(fēng)扇性能的影響

朱立夫，金英子，李 昳

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，杭州310018）

以五葉片的小型軸流風(fēng)扇為原型，設(shè)計出3種不同周向位置分流葉片的模型，采用RNG k-ε湍流模型進(jìn)行定常數(shù)值模擬，對比分析諸模型間的靜特性、葉片表面靜壓分布和渦量分布，選出靜特性最佳模型為最優(yōu)模型對其進(jìn)行非定常計算，研究其氣動噪聲性能。結(jié)果表明：小型軸流風(fēng)扇中適當(dāng)增加分流葉片可以提高靜壓系數(shù)和效率，3種帶分流葉片模型葉片表面靜壓分布均勻，分流葉片可以抑制原型葉片尾緣渦脫落，分流葉片的最優(yōu)的位置為流道中間，該最優(yōu)模型前方100 mm處的監(jiān)測點(diǎn)的A計權(quán)聲壓級在各個頻段均低于原型模型，功率譜密度峰值均出現(xiàn)基頻處，且最優(yōu)模型的峰值低于原型。研究結(jié)果可以為小型軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化和降噪提供依據(jù)。

小型軸流風(fēng)扇；分流葉片；周向位置；靜特性；噪聲

0 引 言

分流葉片技術(shù)是指在葉輪機(jī)械流道中添加分流葉片，分流葉片又稱為小葉片或短葉片。分流葉片技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于離心葉輪機(jī)械中，對于提高離心葉輪機(jī)械的整體性能，改善流場的分布具有積極的作用［1］。該技術(shù)在軸流式機(jī)械中的應(yīng)用起步較晚，20世紀(jì)70年代，Wennerstrom等［2-3］對于軸流式壓氣機(jī)的研究中，在流動容易出現(xiàn)分離的流道后半部分添加分流葉片，以此來抑制流動的分離，這樣可以免于增加全弦長的長葉片引起流動阻塞和性能下降，但是受到當(dāng)時技術(shù)水平的影響，這些研究沒有取得較大進(jìn)展。隨著計算流體力學(xué)軟件的不斷更新發(fā)展，進(jìn)入到20世紀(jì)90年代，在高載荷壓氣機(jī)中應(yīng)用分流葉片技術(shù)重新得到關(guān)注。金洪江等［4］通過對渦軸發(fā)動機(jī)進(jìn)行部件試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)，對采用分流葉片技術(shù)后發(fā)動機(jī)性能的改善進(jìn)行了分析，結(jié)果表明采用新型軸流壓氣機(jī)后，發(fā)動機(jī)流量增加7.27%，功率提高20.79%，充分驗(yàn)證了分流葉片技術(shù)的有效性。Tzuoo等［5］詳細(xì)分析研究了Wennerstrom所研究的轉(zhuǎn)子，使用先進(jìn)的設(shè)計方法重新設(shè)計分流葉片，結(jié)果表明重新設(shè)計的主葉片和分流葉片構(gòu)成的氣動布局形式可以有效地抑制Wennerstrom轉(zhuǎn)子中的流動分離現(xiàn)象。

目前分流葉片技術(shù)在軸流式葉輪機(jī)械中的應(yīng)用主要集中在高載荷壓氣機(jī)中，將該技術(shù)應(yīng)用于小型軸流風(fēng)扇中的研究很少。本文應(yīng)用三維繪圖軟件，以五葉片的小型軸流風(fēng)扇為原型，在原型流道的后半部分添加分流葉片，根據(jù)分流葉片周向位置不同設(shè)計出3種小型軸流風(fēng)扇，運(yùn)用計算流體力學(xué)方法數(shù)值模擬3種模型的流場，并與未添加分流葉片的原型的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出靜特性最優(yōu)的帶分流葉片的軸流風(fēng)扇模型，以定常計算的流場為初場進(jìn)行非定常計算，壓力穩(wěn)定后引入FW-H噪聲預(yù)測模型計算噪聲，計算結(jié)果使用FFT進(jìn)行處理，對A計權(quán)聲壓級和功率譜密度進(jìn)行分析。期望為小型軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化和降噪提供依據(jù)。

1 模型建立

本文研究的風(fēng)扇原型為模型A，如圖1（a）所示，其葉輪外徑為85 mm，輪轂比為0.72，葉片數(shù)為5，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，基頻為250 Hz，并且葉頂間隙為1.5 mm。在模型A的基礎(chǔ)上，根據(jù)分流葉片的周向位置的不同設(shè)計出3種不同的帶分流葉片的小型軸流風(fēng)扇，它們的分流葉片周向位置分別為：模型B位于中間，模型C偏向于吸力面18°（相對于中間），模型D偏向于壓力面18°。

分流葉片位于原型風(fēng)扇相鄰的主葉片所形成的流道的后半部分，這樣主要是為了抑制主葉片尾緣區(qū)域的流動分離。如圖2所示為帶分流葉片小型軸流風(fēng)扇葉柵示意圖，由圖2可見，分流葉片處在的流道為前一葉片的吸力面和后一葉片的壓力面形成，分流葉片的添加必將會改變原型風(fēng)扇的氣動布局。

圖1 風(fēng)扇幾何模型

圖2 帶分流葉片小型軸流風(fēng)扇葉柵示意

2 數(shù)值計算方法及網(wǎng)格劃分

本文定常計算部分采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬，風(fēng)扇的流場為不可壓縮且無粘性，湍流模型為RNG k-ε模型。為了提高數(shù)值模擬的計算精度，控制方程的離散化方法采用二階精度的迎風(fēng)差分格式，當(dāng)收斂的殘差低于10-3，并且進(jìn)出口流量的相對誤差小于0.5%，即認(rèn)為計算收斂。

定常計算的流場結(jié)果作為大渦模擬（LES）的初場去進(jìn)行非定常計算，壓力和速度耦合采用PISO格式；非定常計算的時間步長為2×10-5s，即相當(dāng)于1 000個時間步長對應(yīng)風(fēng)扇的一個旋轉(zhuǎn)周期。當(dāng)非定常計算壓力場穩(wěn)定后，引入FW-H噪聲模型進(jìn)行噪聲預(yù)測，計算結(jié)果使用快速傅里葉變換（FFT）處理，以此獲得頻譜分布。

為確保計算流場的穩(wěn)定性，對風(fēng)扇的進(jìn)口和出口需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)匮由欤鐖D3所示。計算域劃分為4個區(qū)域，分別是進(jìn)口延長段、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)區(qū)、葉頂間隙區(qū)和出口延長段，風(fēng)扇的中心設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)。葉輪的旋轉(zhuǎn)區(qū)采用參考坐標(biāo) MRF，風(fēng)扇的進(jìn)口邊界條件為質(zhì)量流量進(jìn)口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，壁面區(qū)域采用無滑移邊界條件。

圖3 計算域劃分

葉頂間隙區(qū)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)區(qū)采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距設(shè)置為1，如圖4所示為帶分流葉片的小型軸流風(fēng)扇網(wǎng)格圖。進(jìn)口延長段和出口延長段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距為3，這樣便于計算的收斂，如圖5所示。此外通過前期數(shù)值模擬計算以及相關(guān)研究表明，目前的網(wǎng)格數(shù)目對于模擬結(jié)果影響較小。

圖4 帶分流葉片小型軸流風(fēng)扇網(wǎng)格

圖5 進(jìn)出口延長段網(wǎng)格

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 性能曲線

靜特性是反映小型軸流風(fēng)扇性能的重要指標(biāo)，為此對原型風(fēng)扇和3種帶分流葉片的風(fēng)扇進(jìn)行定常的數(shù)值模擬，得到能體現(xiàn)靜特性的靜壓-流量（Ψ-Φ）無因次曲線和效率-流量（η-Φ）無因次曲線，這兩種曲線均為無量綱特性曲線。Φ為質(zhì)量流量系數(shù)，Ψ為靜壓系數(shù)。

這里Qm為質(zhì)量流量，D為風(fēng)扇外徑，u為風(fēng)扇外緣的圓周速度。

圖6為4種模型的靜壓-流量無因次（Ψ-Φ）曲線。圖6可見，4種模型的靜壓系數(shù)總體均隨著質(zhì)量流量系數(shù)的增加而降低，盡管模型B、模型C和模型D均為帶分流葉片的小型軸流風(fēng)扇，但是此趨勢未隨著分流葉片的添加發(fā)生變化；當(dāng)質(zhì)量流量系數(shù)Φ＜0.072時，模型D的靜壓較模型A要小，當(dāng)Φ＞0.072時，模型D的靜壓系數(shù)較模型A有所提升；在整個流量段里，模型C的靜壓系數(shù)基本均高于模型A，但是相差的值不明顯，然而模型B的靜壓系數(shù)在整個流量段里，均高于模型A，并且也要高于另外兩種添加分流葉片的風(fēng)扇模型C和模型D。分析表明添加分流葉片的3種模型在高流量段的靜壓系數(shù)要高于原型，在低流量段中，模型B和模型C的靜壓系數(shù)高于原型；分流葉片放置于原型模型的長葉片流道中間的模型B的靜壓系數(shù)，總體要好于將分流葉片偏向壓力面和吸力面放置的兩種模型；分流葉片的添置對于風(fēng)扇靜壓系數(shù)的提升有明顯作用，尤其表現(xiàn)在進(jìn)口流量系數(shù)比較大的情況下，這也正好印證了目前分流葉片為何廣泛應(yīng)用于高載荷、高流量的大型壓氣機(jī)中。

圖7為4種模型的效率-流量無因次（η-Φ）曲線。從圖7中可以看出，4種模型的效率最高點(diǎn)均在流量系數(shù)Φ為0.064 65（Qm=0.006 kg/s）時獲得；對比4種模型的效率值，模型B的效率在高流量段時要高于模型A，且為四種模型的中效率最好的。在整個流量段，模型C的效率均低于模型A，模型D的效率在高流量段略高于原型模型A，但對于效率提升的效果不夠明顯。對比分析3種添加分流葉片的風(fēng)扇模型，模型B要好于其他兩種，尤其在高流量段，對于效率的提升效果更為明顯。說明分流葉片的添加位置對于風(fēng)扇的效率有一定的影響，在本文研究的原型模型中，在流道的中間位置添加分流葉片為最優(yōu)選擇。

圖6 靜壓-流量無因次曲線

圖7 效率-流量無因次曲線

3.2 葉片表面靜壓分布

圖8和圖9分別為4種模型風(fēng)扇葉片表面壓力面和吸力面的靜壓分布云圖，均在風(fēng)扇最佳設(shè)計流量點(diǎn)Q=0.006 kg/s獲得。對比圖8中4種模型的壓力面靜壓分布可知，原模型A的壓力面有很大區(qū)域的高壓區(qū)，添加分流葉片后，長葉片壓力面表面靜壓變小，并且分布更為均勻，這在一定程度上可以增加葉片的載荷，而且靜壓分布均勻，在一定程度上可以使得湍流邊界層變小，流動損失變小，使得流動較為順暢，同時依據(jù)氣動噪聲產(chǎn)生機(jī)理，靜壓分布均勻可以使氣動噪聲降低。對比3種帶分流葉片模型的壓力面靜壓云圖，分流葉片越遠(yuǎn)離吸力面，壓力面的高壓區(qū)域越大，模型C因?yàn)榉至魅~片偏向吸力面，離壓力面較遠(yuǎn)，所以高壓區(qū)域均較其他兩個模型要大。結(jié)合圖9中的吸力面的靜壓分布，可以看出原模型A的壓力面和吸力面的靜壓差均要高于其他三個模型，提示分流葉片的添加可以抑制從壓力面到吸力面的回流，尤其在葉片的前緣和葉頂區(qū)域，減小能量損失，抑制回流和渦流的產(chǎn)生。

圖8 壓力面靜壓云圖

圖9 吸力面靜壓云圖

3.3 S1流面渦量分布

渦量來源于流場中的速度梯度，是流體微元的旋轉(zhuǎn)角速度的物理表征，渦量和流動分離、氣動噪聲均有關(guān)，因此它是研究流體內(nèi)部流動的重要物理量［6］。如圖10所示為選取的S1流面的幾何位置，S1流面即為風(fēng)扇徑向的回轉(zhuǎn)面，這里選取1/3葉高位置的S1流面為研究對象［7］，該流面的半徑為R= 34.5 mm。

圖10 S1流面（R=34.5 mm）幾何位置

圖11為4種模型在設(shè)計工況點(diǎn)下的S1流面（R =34.5mm）渦量分布。根據(jù)渦動力學(xué)理論，渦量高度集中的流動區(qū)域可以被認(rèn)為是渦［6］，從圖11可以看到，模型A的尾緣區(qū)域存在渦量高度集中，并且發(fā)生渦脫落現(xiàn)象，然而模型B、模型C和模型D均未發(fā)生較為明顯的渦脫落現(xiàn)象，并且渦量分布較為均勻。根據(jù)渦聲理論的相關(guān)結(jié)論，渦脫落現(xiàn)象的產(chǎn)生會造成氣動噪聲的增大，因此分流葉片的添置對于改善氣動性能具有一定的作用。對比分析3種帶分流葉片小型軸流風(fēng)扇的S1流面渦量分布，模型C的分流葉片的尾緣區(qū)域分布不均勻，模型D在尾緣區(qū)域也有一定程度的渦脫落，相比以上兩種模型，模型B的渦量分布情況比較好。這也一定程度上說明模型B的內(nèi)部流動情況較另外兩種帶分流葉片的模型好。

3.4 噪聲特性

根據(jù)以上的研究，分流葉片的周向位置位于流道中間的模型較其他兩種不同周向位置的模型在性能上有一定提升。為了進(jìn)一步研究分流葉片的周向位置位于流道中間對風(fēng)扇性能的影響，進(jìn)行非定常計算，引入FW-H噪聲預(yù)測模型計算噪聲，并對模型B和模型A的噪聲特性進(jìn)行對比分析。

圖11 S1流面（R=34.5 mm）渦量分布

選取出口延長段離坐標(biāo)原點(diǎn)距離100 mm的位置作為監(jiān)測點(diǎn)，如圖12所示為該監(jiān)測點(diǎn)處兩種模型的1/3倍頻圖。從圖12可以看出，模型B基本在各個頻段的A計權(quán)聲壓級均低于模型A。圖13為功率譜密度分布圖，可反應(yīng)噪聲的能量。從圖13可知，兩種模型的功率譜密度的峰值均出現(xiàn)在基頻處，模型B沒有因?yàn)樘砑臃至魅~片，而發(fā)生基頻的改變，變，另外模型B的在基頻處的功率譜密度明顯要低于模型A，這也進(jìn)一步凸顯模型B在添加分流葉片后對于改善原型模型的氣動噪聲特性的作用。

圖12 監(jiān)測點(diǎn)1/3倍頻圖

圖13 功率譜密度分布圖

4 結(jié) 論

設(shè)計了3種不同周向位置上添加分流葉片的小型軸流風(fēng)扇，并結(jié)合原型風(fēng)扇，對這四種模型進(jìn)行定常計算研究靜特性和內(nèi)部流動情況，引入FW-H噪聲模型進(jìn)行非定常計算，并用FFT處理計算結(jié)果對噪聲特性進(jìn)行研究，可以得到如下結(jié)論。

a）3種添加分流葉片的小型軸流風(fēng)扇在高流量段的靜壓系數(shù)均要高于原型模型，在低流量段，分流葉片偏向吸力面以及位于中間位置的兩種模型，靜壓系數(shù)基本高于原型，位于中間位置更明顯。位于中間位置的模型的效率在高流量段高于原型，低流量段變化不明顯，偏向壓力面和吸力面的兩種模型沒有原型高?？傮w而言分流葉片位于中間位置的模型的靜特性在3種添加分流葉片的模型中最優(yōu)，且明顯好于原型。

b）3種帶分流葉片小型軸流風(fēng)扇模型的葉片表面的靜壓比原型分布更均勻，高壓區(qū)域明顯變小，減小葉片表面邊界層，使得氣體流過葉片流道更為順暢。3種模型壓力面和吸力面的靜壓差小于原型，可以一定程度上抑制回流和漩渦的產(chǎn)生，尤其在葉頂和前緣區(qū)域。相比而言分流葉片位于中間位置的模型的分布情況優(yōu)于其他模型。

c）分流葉片可以抑制尾緣渦脫落現(xiàn)象的產(chǎn)生，使得渦量分布更為均勻，依據(jù)渦聲理論，分流葉片可以降低氣動噪聲產(chǎn)生。相比分流葉片偏向壓力面和吸力面的兩種模型，位于中間位置的渦量分布更優(yōu)，偏向壓力面的模型有一定程度的渦脫落，偏向吸力面的模型分布不夠均勻。

d）分流葉片位于中間位置的模型的總體噪聲較原型降低，各個頻段A級聲壓級均降低，功率譜密度的峰值均出現(xiàn)在基頻處，分流葉片位于中間位置的模型沒有因?yàn)榉至魅~片的添加而使得基頻值發(fā)生變化。

［1］張金鳳，袁野，葉麗婷，等.帶分流葉片離心葉輪機(jī)械研究進(jìn)展［J］.流體機(jī)械，2011，39（11）：38-44.

［2］Wennerstrom A J，F(xiàn)rost G R.Test of a supersonic axial compressor stage incorporating splitter vanes in the rotor，ARL-TR-75-0165［R］.United States Air Force Systems Command，1975.

［3］Wennerstrom A J，F(xiàn)rost G R.Design of a rotor incorporating splitter vanes for a high pressure ratio supersonic axial compressor stage，ARL-TR-74-0110［R］.U-nited States Air Force Systems Command，1974.

［4］金洪江，葉志鋒，龔繼鵬.軸流壓氣機(jī)大小葉片特性試驗(yàn)［J］.航空動力學(xué)報.2009，24（8）：1813-1817.

［5］Tzuoo K L，Hingorani SS，Sehra A K.Optimization of a highly-loaded axial splittered Rotor Design［J］.Revue Francaise de Mecanique，1992，12（3）：235-246.

［6］吳介之，馬暉揚(yáng)，周明德.渦動力學(xué)引論［M］.北京：高等教育出版社，1993：2-10.

［7］Zhang Li，Jin Yingzi，Jin Yuzhen.An investigation on the effects of irregular airfoils on the aerodynamic performance of small axial flow fans［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27（6）：1677-1685.

Research on lnfluence of Circumferential Position of Splitter Blade on Performance of Small Axial Flow Fan

ZHU Li-fu，JIN Ying-zi，LI Yi
（School of Mechanical Engineering&Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

With five-blade small axial flow fan as prototype，this paper designs models of three splitter blades with different circumferential positions，uses RNG k-εturbulence model for steady numerical simulation，conducts comparative analysis on static characteristics，static pressure distribution on the surface of blade and vorticity distribution of these models，selects the model with optimal statistic characteristics as the optimal model，conducts nonsteady calculation for it and studies its aerodynamic noise performance. The result shows that static pressure coefficient and efficiency can be improved by increasing splitter blades in small axial flow fan appropriately；in three models with splitter blade，static pressure distribution on the surface of blade is uniform；splitter blade can restrain the vortex on the trailing edge of prototype blade from falling off；the optimal position of splitter blade is in the middle of flow channel.A weighting sound pressure level at the monitoring point 100 mm ahead of this optimal model is lower than the prototype model in each frequency range.The peak value of power spectral density occurs in fundamental frequency and the peak value of the optimal model is lower than that of the prototype.The research result can provide basis for structure optimization and noise reduction of small axial flow fan.

small axial flow fan；splitter blade；circumferential position；static characteristics；noise

TM925.11

A

（責(zé)任編輯：張祖堯）

1673-3851（2014）03-0241-06

2013-07-03

國家自然科學(xué)基金（51076144），浙江省科技計劃項(xiàng)目（2011C16038，2009C13006）

朱立夫（1990-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事機(jī)電設(shè)備性能測試分析的研究。

金英子，電子郵箱：jin.yz@163.com