導(dǎo)流罩長度對農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)性能的影響

丁 濤 趙 洋,2 施正香,3 王朝元,3

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083； 2.北京市供水管網(wǎng)與安全節(jié)能中心， 北京 100083；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

軸流風(fēng)機(jī)在畜禽舍和溫室通風(fēng)降溫工程中應(yīng)用廣泛[1-3]，其低壓和大風(fēng)量的特性適合農(nóng)業(yè)通風(fēng)的要求。農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)多以風(fēng)量和能效比為性能評價指標(biāo)，其性能直接影響農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境調(diào)控和節(jié)能的效果。農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)通常安裝在建筑墻體上，按照有無出口擴(kuò)散筒可分為兩類，現(xiàn)有研究證明出口擴(kuò)散筒能夠有效提升風(fēng)機(jī)性能[4]，若不設(shè)出口擴(kuò)散筒，則會在葉輪周邊安裝較短的導(dǎo)流罩，構(gòu)成半開式軸流風(fēng)機(jī)。葉頂泄漏渦是該類風(fēng)機(jī)葉頂區(qū)域最主要的流動特征，其產(chǎn)生、發(fā)展及耗散與軸流風(fēng)機(jī)的氣動性能密切相關(guān)[5-7]。JANG等[8-10]研究了空調(diào)室外風(fēng)機(jī)葉頂區(qū)域的渦流結(jié)構(gòu)，指出通過優(yōu)化導(dǎo)流罩形狀，可以控制葉頂區(qū)域的旋渦流動。導(dǎo)流罩長度的變化將影響葉頂區(qū)域的流場。因此，研究導(dǎo)流罩長度對風(fēng)機(jī)性能的影響，是優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能的可行途徑。

王巍雄等[11]和陸志偉[12]對比了固定長度的導(dǎo)流罩位于葉輪不同相對軸向位置時的空調(diào)室外風(fēng)機(jī)性能，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流罩出口邊與葉片后緣齊平時風(fēng)機(jī)風(fēng)量最大。丁國良等[13]、王正等[14]通過模擬試驗(yàn)分別發(fā)現(xiàn)了空調(diào)室外風(fēng)機(jī)和冰箱冷凝風(fēng)機(jī)的導(dǎo)流罩軸向長度存在最佳值，使風(fēng)機(jī)出口相對湍流強(qiáng)度最低。王嘉冰[15]研究了空調(diào)室外風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩在出口位置不變時，導(dǎo)流罩進(jìn)口位置變化對風(fēng)機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨導(dǎo)流罩軸向長度的增加而增大并逐漸趨于平穩(wěn)。

目前針對軸流風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩長度的研究主要集中在空調(diào)、冰箱等家電用風(fēng)機(jī)領(lǐng)域，受限于該類風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，目前尚缺乏在導(dǎo)流罩進(jìn)口邊位置固定時，其出口邊位置變化對軸流風(fēng)機(jī)性能影響的研究。本文通過密閉風(fēng)室試驗(yàn)測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)的導(dǎo)流罩進(jìn)口邊位置固定時其長度變化對風(fēng)機(jī)內(nèi)外特性的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 原型風(fēng)機(jī)

本文研究對象為山東省青島市某公司生產(chǎn)的鍍鋅鐵皮風(fēng)機(jī)，如圖1所示。其基本參數(shù)為：葉輪直徑 1 268 mm，葉片數(shù)6，葉片厚度1.2 mm，葉片材料不銹鋼，外框尺寸330 mm×1 375 mm×1 375 mm，百葉窗葉片數(shù)10，百葉窗單個葉片尺寸1 305 mm×130 mm。電動機(jī)位于外框右上角(從進(jìn)風(fēng)側(cè)看)，電動機(jī)型號YJD90S-4，額定功率1.1 kW，電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min，電動機(jī)通過帶傳動帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)膠帶輪減速后葉輪額定轉(zhuǎn)速為450 r/min。原型風(fēng)機(jī)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能測試，風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺如圖2所示[16]。

1.2 風(fēng)機(jī)模型與計(jì)算域

利用加拿大CREAFORM公司生產(chǎn)的Handy SCAN3D型掃描儀對原型風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行三維激光掃描，得到葉片三維模型，在建模過程中對葉片上的沖壓凹槽和鉚釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理，如圖3所示。

圖1 原型風(fēng)機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Entity of prototype fan

圖2 風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺Fig.2 Fan test bench

圖3 利用三維掃描得到的葉片模型與最終生成的風(fēng)機(jī)葉輪及導(dǎo)流罩幾何模型Fig.3 Blade model obtained by 3D scanning and finally generated geometry model of fan impeller with shroud

導(dǎo)流罩由一個與外框連接的豎直壁面以及一個與該壁面呈θ=85°的圓錐面組成(圖4)，兩個面之間由r=20 mm的圓角過渡，導(dǎo)流罩的豎直壁面與葉頂部分的進(jìn)風(fēng)側(cè)位于同一軸向位置。導(dǎo)流罩長-葉寬比K定義為

(1)

式中L——導(dǎo)流罩整體軸向長度

B——葉頂軸向?qū)挾?/p>

原型風(fēng)機(jī)L=80 mm，K=0.78。保持導(dǎo)流罩的豎直壁面位置以及r、θ參數(shù)不變，通過改變K的取值來研究導(dǎo)流罩長度對風(fēng)機(jī)性能的影響。

圖4 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of shroud

如圖5所示，將密閉風(fēng)室畢托管靜壓測量點(diǎn)的位置作為計(jì)算域進(jìn)口。進(jìn)口面尺寸為風(fēng)室截面尺寸，即2 740 mm×2 740 mm。風(fēng)機(jī)模型為通過三維掃描重構(gòu)的幾何模型，省略了電動機(jī)、膠帶輪和支撐架等結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)出口接5 500 mm×5 500 mm×5 500 mm的開放域。如圖6所示，風(fēng)機(jī)外框被導(dǎo)流罩的豎直壁面分割為前后兩部分，進(jìn)口側(cè)外框與風(fēng)室合并造型為進(jìn)口域，出口側(cè)外框與開放域合并造型為出口域。

圖5 整體計(jì)算域及邊界設(shè)置Fig.5 Overall calculation domain and boundary settings

1.3 邊界條件設(shè)置

如圖6所示，邊界條件設(shè)置如下：相對壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口，進(jìn)口相對靜壓與性能測試時所測工況點(diǎn)的進(jìn)口相對靜壓保持一致，即0、-9.8、-19.6、-29.4、-39.2、-49.0、-58.8 Pa，共7個工況點(diǎn)；出口設(shè)為開放邊界，由于直接與大氣相接，且涉及到射流卷吸，故相對開放壓力設(shè)為零，選用卷吸模型；葉輪、風(fēng)機(jī)外框、導(dǎo)流圈、百葉窗和地面等設(shè)為無滑移壁面。

1.4 網(wǎng)格劃分

如圖7所示，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于流動復(fù)雜的葉輪部分應(yīng)適當(dāng)網(wǎng)格加密。建立總網(wǎng)格數(shù)約為380萬、620萬和1 100萬的3套網(wǎng)格，計(jì)算得到進(jìn)口靜壓為-29.4 Pa時的原型風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別為35 962、36 512、37 102 m3/h， 1 100萬網(wǎng)格與620萬網(wǎng)格相比，風(fēng)量變化低于2%。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算資源，選擇總網(wǎng)格數(shù)約為620萬的網(wǎng)格劃分策略，如圖8所示，其中進(jìn)口域網(wǎng)格單元數(shù)約50萬，旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格單元數(shù)約360萬，出口域網(wǎng)格單元數(shù)約210萬。

圖6 風(fēng)機(jī)計(jì)算域Fig.6 Calculation domain of fan

圖7 整體網(wǎng)格劃分Fig.7 Overall meshing

圖8 葉輪網(wǎng)格劃分(局部)Fig.8 Impeller meshing (partial)

1.5 數(shù)值計(jì)算方法

利用ANSYS CFX 15.0軟件采用全隱式耦合求解技術(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，選用RNGk-ε湍流模型，已有研究表明該湍流模型對低壓軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能模擬效果最佳[17]，RNGk-ε湍流模型通過采用解析式計(jì)算湍動能及湍流耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)，代替了標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型中固定不變的湍流普朗特經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，提高了該湍流模型的模擬精確度；同時在湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程中加入耗散能修正項(xiàng)Rε有利于對卡門常數(shù)的估算[18]。動量方程對流項(xiàng)和湍流輸運(yùn)方程對流項(xiàng)采用高階精度格式。求解殘差達(dá)到10-4量級且趨于穩(wěn)定時認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

由于在農(nóng)業(yè)風(fēng)機(jī)中，相比于風(fēng)機(jī)的壓升，風(fēng)量更直接影響農(nóng)業(yè)設(shè)施的通風(fēng)換氣效率，因此風(fēng)量是用戶最為關(guān)注的農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)性能指標(biāo)。在農(nóng)業(yè)風(fēng)機(jī)領(lǐng)域，習(xí)慣上用能效比E表征風(fēng)機(jī)的能效，表示單位耗電量所產(chǎn)生的風(fēng)量。能效比越高，節(jié)能效果越佳，其計(jì)算公式為

(2)

式中q——風(fēng)量，m3/h

p——電機(jī)輸入功率，W

模擬相對誤差δ為

(3)

式中Δ——模擬值與試驗(yàn)值的差值

T——試驗(yàn)值

將K=0.78的原型風(fēng)機(jī)風(fēng)量數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)臺測試結(jié)果對比，如圖9所示，7個工況點(diǎn)的風(fēng)量模擬相對誤差在-4.6%～-0.7%之間，平均誤差-2.77%。模擬風(fēng)量與試驗(yàn)風(fēng)量的相對誤差較為穩(wěn)定，兩條曲線的趨勢較為一致。

圖9 原型風(fēng)機(jī)風(fēng)量模擬值與試驗(yàn)值對比Fig.9 Comparison of simulated and experimental values of air volume about prototype fan

由于風(fēng)機(jī)傳動結(jié)構(gòu)緊湊，無法布置扭矩儀測量軸功率，能效比的試驗(yàn)值由試驗(yàn)風(fēng)量除以電動機(jī)輸入功率得到，而數(shù)值模擬中只能得到葉輪軸功率。為了使數(shù)據(jù)更具可比性，將數(shù)值模擬中的葉輪軸功率修正到電動機(jī)輸入功率，其中電動機(jī)效率取GB 18613—2012規(guī)定的二級能效限定值84.1%，普通V型膠帶傳動效率取89%，主膠帶輪的軸承效率取94%[19]。

如圖10所示，7個工況點(diǎn)的能效比模擬相對誤差在-2.5%～1.9%之間，平均誤差-0.2%。模擬能效比與試驗(yàn)?zāi)苄П鹊南鄬φ`差較為穩(wěn)定，兩條曲線的趨勢較為一致。

圖10 原型風(fēng)機(jī)能效比模擬值與試驗(yàn)值對比Fig.10 Comparison of simulated and experimental values of air volume about prototype fan

上述原型風(fēng)機(jī)風(fēng)量、能效比的模擬值與試驗(yàn)值對比，兩者存在較小的誤差。數(shù)值模型對傳動部分和葉片沖壓凹槽、鉚釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，并且傳動部分的效率通過查詢手冊資料得到，這可能是誤差產(chǎn)生的原因。總體可以認(rèn)為模擬值與試驗(yàn)值吻合度較好，該數(shù)值模型能夠反映風(fēng)機(jī)的實(shí)際性能特性。后續(xù)模擬試驗(yàn)將以該數(shù)值模型為基礎(chǔ)，研究導(dǎo)流罩長度對風(fēng)機(jī)性能的影響。

2.2 導(dǎo)流罩長度對風(fēng)機(jī)外特性的影響

在數(shù)值模擬中K取0.50、0.78、0.90、1.0、1.1、1.2、1.5、2.0共8個值。如圖11所示，在不同的靜壓工況下，風(fēng)量隨導(dǎo)流罩長-葉寬比K的增加普遍呈現(xiàn)出先升高再緩慢下降并趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律。

圖11 不同靜壓時風(fēng)量隨K的變化曲線Fig.11 Changing curves of air volume with K when static pressures were different

為了進(jìn)一步消除單個模擬值波動誤差的影響，更好地觀察風(fēng)量隨能效比的變化規(guī)律，將7個進(jìn)口靜壓工況的風(fēng)量取平均值；另外，由于-40～-20 Pa是農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)的常用工作區(qū)，因此將-19.6、-29.4、-39.2 Pa這3個進(jìn)口負(fù)壓工況的風(fēng)量取平均值進(jìn)行分析。如表1所示，隨著導(dǎo)流罩長-葉寬比K由0.50提升到1.0，風(fēng)量有較為明顯的提升，在K取值1.0～1.1之間時，風(fēng)量處于最高水平，在K從1.2升至2.0的過程中，風(fēng)量相比最高值略有下降，并逐漸趨于平緩。K=1.0與K=0.78時相比，7個工況點(diǎn)平均風(fēng)量提升10.1%，常用工作區(qū)3個工況點(diǎn)平均風(fēng)量提升9.2%。

表1 不同K的平均風(fēng)量Tab.1 Changes of average air volume with K m3/h

圖12 不同靜壓時能效比隨K的變化曲線Fig.12 Changing curves of energy efficiency ratio with K when static pressures were different

探究K變化對風(fēng)機(jī)能效比的影響，如圖12所示，在不同進(jìn)口靜壓工況下，能效比隨導(dǎo)流罩長-葉寬比K的增加，普遍呈現(xiàn)出先升高再下降的變化規(guī)律，能效比多在K=1.0或K=1.1時達(dá)到最大值。將7個靜壓工況取平均值，并對位于常用工作區(qū)的-19.6、-29.4、-39.2 Pa這3個工況的能效比取平均值。如表2所示，導(dǎo)流罩長-葉寬比K在0.50和0.78時，風(fēng)機(jī)能效比處于較低水平,K由0.78提升到1.0，風(fēng)機(jī)能效比有較大幅度的提升，K取值1.0～1.1之間時，能效比處于相對的最高水平，從K=1.2開始，能效比隨K值的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。K=1.0與K=0.78時相比，7個工況點(diǎn)平均能效比提升10.7%，常用工作區(qū)3個工況點(diǎn)平均能效比提升9.6%。

2.3 導(dǎo)流罩長度對風(fēng)機(jī)流場特性的影響

2.3.1旋轉(zhuǎn)域葉頂泄漏渦的Q準(zhǔn)則識別

為了進(jìn)一步研究K的變化對風(fēng)機(jī)內(nèi)特性的影響，選取農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)常用工作區(qū)(-40～-20 Pa)的中間值，即進(jìn)口相對靜壓為-29.4 Pa時的不同K值案例的內(nèi)部流場對比分析。

表2 不同K的平均能效比Tab.2 Changes of average energy efficiency ratio with K m3/(h·W)

利用渦辨識方法顯示數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果中渦流的三維結(jié)構(gòu)，目前常用的渦辨識方法有多種[20]，本文選用Q準(zhǔn)則識別渦結(jié)構(gòu)，相比于渦量識別方法，Q準(zhǔn)則能夠避免由壁面強(qiáng)剪切引起的渦結(jié)構(gòu)的錯誤識別。

λ3+Pλ+Qλ+R=0

(4)

HUNT等[21]基于式(4)的第二變量提出Q準(zhǔn)則，定義為

(5)

(6)

(7)

式中Ωij、Sij——旋轉(zhuǎn)率張量、應(yīng)變率張量

uij、uji——速度張量

Q準(zhǔn)則反映了旋轉(zhuǎn)率和應(yīng)變率的關(guān)系。Q表示轉(zhuǎn)動速率的ΩijΩij超過應(yīng)變率SijSij的程度。在Q>0的位置，轉(zhuǎn)動速率ΩijΩij占主導(dǎo)地位，即在該區(qū)域渦旋結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位[22]。

圖13 風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)域Q準(zhǔn)則等值面圖(Q=4×104 s-2)Fig.13 Isosurface of Q criterion at fan rotating domain (Q=4×104 s-2)

如圖13所示，在葉輪旋轉(zhuǎn)域，如紅圈中黃色Q準(zhǔn)則等值面所示，Q準(zhǔn)則能夠識別出位于葉頂處的間隙泄漏渦。葉頂泄漏渦起始于葉頂背面前緣，并沿葉頂背面發(fā)展。K=0.50時，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的泄漏渦在葉片背面發(fā)展成一條超出導(dǎo)流罩出口邊的不規(guī)則渦帶；K=0.78時，該渦帶在導(dǎo)流罩出口邊出現(xiàn)斷裂傾向，以導(dǎo)流罩出口邊為界，分裂為上下游兩處渦帶；K=0.90時，導(dǎo)流罩出口邊下游渦帶體積明顯減小；K=1.0時，導(dǎo)流罩出口邊下游的渦帶完全消失，僅剩位于葉片背面的渦帶，該渦帶在導(dǎo)流罩出口邊附近停止發(fā)展，葉頂泄漏渦帶的總體積在所有案例中最?。籏=1.1時，葉片背面渦帶長度明顯增加，但未超出導(dǎo)流罩出口邊；K=1.2、K=1.5時，隨著導(dǎo)流罩長度的增加，渦帶長度略有增加。K=2.0時，該增長趨勢不再明顯。

2.3.2葉頂區(qū)域流線圖及軸向速度云圖

為了觀察更為詳細(xì)的流場細(xì)節(jié)，過葉輪軸線沿豎直方向做截面，該截面接近葉頂后緣區(qū)域，圖13的分析表明，該區(qū)域葉頂泄漏渦發(fā)展較為充分且K=0.78時葉頂泄漏渦在該區(qū)域發(fā)生了分裂，因此該截面的流場信息能夠反映不同案例的流場特性。故取該截面的葉頂部分作對比分析(圖14)，截面位置及觀察視角如圖15所示，圖14中各線條含義參見圖16。

圖14 葉頂位置的流線和軸向速度云圖Fig.14 Clouds of streamlines and axial velocity at tip of blade

圖15 圖14截面位置和視角示意圖Fig.15 Sketch of section position and observation direction of Fig.14

圖16 圖14中各線條含義Fig.16 Meaning of each line in Fig.14

如圖14所示，K=0.50時，葉頂處的泄漏渦由于缺少導(dǎo)流罩的阻擋，發(fā)展至外框區(qū)域，形成了較大的渦旋；K=0.78時，該泄漏渦被導(dǎo)流罩截?cái)酁閮刹糠?，一部分成為位于葉頂與導(dǎo)流罩之間的葉頂渦，另一部分發(fā)展為位于外框區(qū)域的外框渦；K=0.90時，葉頂渦繼續(xù)存在，但由于導(dǎo)流罩對從葉頂進(jìn)入外框的氣流進(jìn)行了有效的阻隔，引導(dǎo)空氣沿軸向流出，從而導(dǎo)致外框渦消失，但此時導(dǎo)流罩對葉頂氣流的軸向引導(dǎo)能力不足，從葉頂流出的氣流與葉輪軸線呈較大角度；K=1.0時，從葉頂流出的氣流與葉輪軸線所呈角度明顯減小，葉頂渦的強(qiáng)度在所有案例中最小，從軸向速度云圖可以看出，此時葉頂渦處軸向低速區(qū)明顯小于其它案例，葉頂漩渦區(qū)的阻塞效應(yīng)明顯減輕，導(dǎo)流罩有效流通面積增加，這可能是K=1.0時風(fēng)機(jī)風(fēng)量最大的原因之一；K=1.1時，葉頂渦較K=1.0時有所增強(qiáng)，從葉頂流出的氣流與葉輪軸線所呈夾角與K=1.0時相比也有所增大，這種氣流擴(kuò)散度的增大可能是由增強(qiáng)的葉頂渦所導(dǎo)致的；K=1.2時，由于導(dǎo)流罩長度的增加，從葉頂流出的氣流與葉輪軸線所呈夾角有所減小，說明導(dǎo)流罩的加長在K=1.2時開始抵消葉頂渦對擴(kuò)散度的增大作用，使得出口氣流的擴(kuò)散度有所減??；K=1.5時，導(dǎo)流罩出口氣流的擴(kuò)散被進(jìn)一步控制，葉頂渦對氣流擴(kuò)散度的影響基本被消除；K=2.0時，在外框區(qū)域的出口呈現(xiàn)出一定程度的不規(guī)則流動，這可能是由導(dǎo)流罩過長導(dǎo)致的外框出口面積減小所致。圖14所反映的流場渦結(jié)構(gòu)隨K值的變化規(guī)律與圖13所示較為一致，表明了Q準(zhǔn)則在葉頂泄漏渦結(jié)構(gòu)識別方面的有效性。

2.3.3外框渦的Q準(zhǔn)則識別

通過對圖14的分析可知，導(dǎo)流罩長度變化不僅影響葉頂渦的強(qiáng)度，對外框區(qū)域的渦強(qiáng)度也有較大影響。由于圖14只展示了單個截面的流場信息，為了全面觀察導(dǎo)流罩長度變化對整個外框區(qū)域渦強(qiáng)度的影響，圖17采用與圖14相同的觀察方向，利用Q準(zhǔn)則等值面圖顯示了整個外框區(qū)域與百葉窗附近的渦結(jié)構(gòu)。將外框、導(dǎo)流罩和葉輪做不同程度半透明淡藍(lán)色處理，外框用紅線圈出，黃色部分為Q準(zhǔn)則等值面。

圖17 外框與百葉窗區(qū)域Q準(zhǔn)則等值面圖(Q=2×104 s-2)Fig.17 Isosurface of Q criterion at outer frame and shutter domain (Q=2×104 s-2)

如圖17所示，不論K如何變化，百葉窗附近均存在不同程度的渦結(jié)構(gòu)，這些渦結(jié)構(gòu)將會影響降低風(fēng)機(jī)有效流道面積，導(dǎo)致風(fēng)量降低，這與現(xiàn)有試驗(yàn)研究[23]一致。K=0.50時，在外框區(qū)域呈現(xiàn)出大量不規(guī)則的渦結(jié)構(gòu)；K=0.78時，外框區(qū)域的渦結(jié)構(gòu)體積明顯減??；K=0.90時，外框渦開始集中在導(dǎo)流罩出口邊的下游，而在導(dǎo)流罩出口邊的上游已沒有明顯的外框渦；從K=0.90至K=2.0，外框渦均能夠被較好地控制在導(dǎo)流罩出口邊的下游。圖17顯示的渦分布與圖14的分析較為一致，導(dǎo)流罩的加長能夠明顯降低外框渦的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)導(dǎo)流罩的長度變化對風(fēng)機(jī)外特性有明顯影響，導(dǎo)流罩長-葉寬比K最佳值在1.0～1.1之間，此時風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和能效比均處于最佳水平，導(dǎo)流罩過短(K<0.90)會導(dǎo)致風(fēng)量和能效比快速下降，導(dǎo)流罩過長(K>1.1)并不能提升風(fēng)量和能效比，反而使風(fēng)量和能效比在一定程度上有所降低。K=1.0時，常用工作區(qū)平均風(fēng)量和平均能效比較原型風(fēng)機(jī)(K=0.78)均有10%左右的提升。

(2)通過Q準(zhǔn)則能有效識別出葉頂泄漏渦的結(jié)構(gòu)，與流線及軸向速度云圖所反映的流場特征具有較好的一致性。

(3)導(dǎo)流罩過短(K=0.50)時，葉頂泄漏渦將從葉頂處無阻礙地發(fā)展至風(fēng)機(jī)外框區(qū)域，引起外框區(qū)域渦結(jié)構(gòu)的增多。導(dǎo)流罩加長過程中(K=0.78)，葉頂泄漏渦被導(dǎo)流罩分裂成存在于葉頂以及外框區(qū)域的兩部分，即葉頂渦與外框渦。導(dǎo)流罩加長至K≥0.90后，葉頂渦將經(jīng)歷衰減和再發(fā)展的過程，同時外框渦強(qiáng)度有所降低，且其能夠被較好地控制在導(dǎo)流罩出口邊下游。導(dǎo)流罩長-葉寬比K取值1.0時葉頂泄漏渦的強(qiáng)度最低，葉頂泄漏渦強(qiáng)度的降低能增大風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩有效流通面積，有利于風(fēng)量的提升。K≥1.1之后，外框渦雖已得到有效控制，但是葉頂渦強(qiáng)度增大，并隨著導(dǎo)流罩的加長而在葉片出口側(cè)下游貼合著導(dǎo)流罩內(nèi)壁繼續(xù)發(fā)展。