箱式無蝸殼風機箱體的優(yōu)化設計

侯佳鑫 趙 琛 謝軍龍 吳 鑫

（華中科技大學能源與動力工程學院）

0 引言

箱式無蝸殼風機是一種新型離心風機，也是新風機組的重要組件，主要用于空調設備和建筑通風等領域[1]。與有蝸殼風機相比，箱式無蝸殼風機具有結構簡單、靜壓效率高、噪聲低、體積小、出風方向任意等優(yōu)點，且符合風機設備向低能耗、低噪聲、小體積的變化趨勢[2]，具有廣闊的應用前景。但箱式無蝸殼風機能效差，相對于傳統(tǒng)離心風機，箱式無蝸殼風機出口靜壓低，總效率最高為58%～63%，無法達到傳統(tǒng)離心風機的水平[3]。

為提高箱式無蝸殼風機性能，研究人員對風機的優(yōu)化設計方法進行了大量的研究。馬寅輝等[4]對無蝸殼風機進行分析后，認為風機內的能量損失在低流量工況下主要由葉片吸力面分離渦導致，在高流量工況下主要由二次流等因素導致。劉懷耀等[5]將同一葉輪放入不同尺寸的箱體內進行模擬，發(fā)現(xiàn)箱體尺寸大小對無蝸殼風機全壓效率有影響，并認為箱體越接近蝸線效率越高。吳飛等[6]采用響應面法對風機箱體進行綜合優(yōu)化，優(yōu)化后模型靜壓和效率有顯著提升。

但目前國內外針對箱體內氣流流動情況及結構參數(shù)設計優(yōu)化方法的研究較少，且缺乏定量的數(shù)據進行詳細說明。本文采用計算流體動力學方法進行模擬仿真計算，分析箱體內部產生流動損失的主要原因，并以葉輪外徑作為參照基準，研究箱體結構參數(shù)對風機性能的影響規(guī)律，確定最佳箱體結構參數(shù)，為后續(xù)設計高效節(jié)能的箱式無蝸殼風機提供參考依據。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型簡化

箱式無蝸殼風機整機模擬仿真時其三維模型主要由風管、集流器、葉輪、電機、箱體五個部分組成。在三維建模階段，對模型進行簡化，僅保留葉輪部分的厚度，忽略部分工藝與零件，簡化后箱式無蝸殼風機三維模型如圖1 所示。風機結構參數(shù)如表1 所示，箱體參數(shù)示意圖如圖2 所示。風機在額定工況下的轉速為2 330r/min，風量為500m3/h。

表1 原型機結構參數(shù)Tab.1 Prototype structure parameters

圖2 箱式無蝸殼風機結構參數(shù)示意圖Fig.2 Parameter diagram of plenum fan

為增加研究成果的實用性，同時為后續(xù)研究提供理論依據，本文在描述箱體尺寸時以葉輪外徑D作為基準。

1.2 網格劃分及無關性驗證

根據風機的幾何結構，使用專業(yè)網格劃分工具對各個流體域進行非結構網格劃分。葉輪域流動劇烈，流動情況復雜，為保證計算準確性，對葉輪域的網格進行加密處理。風機子午面網格如圖3所示。

圖3 風機子午面網格Fig.3 Fan meridional grid

為保證計算結果的可靠性和準確性，對箱式無蝸殼風機的網格數(shù)量與額定工況下的數(shù)值模擬結果進行網格無關性驗證。由表2可知，當網格數(shù)量由187萬增加至499萬，風機靜壓趨于穩(wěn)定。綜合考慮計算精度和計算效率，箱式無蝸殼風機數(shù)值模擬網格數(shù)量確定為187萬。

表2 不同網格數(shù)量下的風機靜壓Tab.2 Static pressure of fans with different grid numbers

1.3 邊界條件

對箱式無蝸殼風機進行定常模擬，葉輪流體域采用旋轉坐標系，風管進口設置為速度進口邊界，箱體出口設置為壓力出口邊界，表壓值為0Pa。

風機內部流動受限，導致雷諾數(shù)較大，故用湍流模型進行計算，選用標準k-ε 模型[7-8]，速度場和壓力場的耦合計算采用SIMPLE方法[9]，當收斂精度小于10-3且進出口壓力穩(wěn)定，即認為達到收斂標準。采用上述計算方法對箱式無蝸殼風機進行數(shù)值模擬計算。

1.4 模型驗證

為檢驗原型機數(shù)值模擬結果的準確性，將其與某廠提供的試驗結果進行比較。

圖4 為數(shù)值模擬與實驗結果對比，由圖可知，數(shù)值模擬與試驗獲得的性能曲線趨勢相似，吻合較好，最大偏差僅為0.5%。表明本文采用的物理模型和計算方法準確可信，可用于指導下一步的研究工作。

圖4 數(shù)值模擬與試驗結果對比Fig.4 Comparison of experiment and simulation

2 箱體流場分析

模擬風機在額定工況下的運行狀態(tài)，獲取箱體內靜壓分布云圖，速度分布云圖與氣流運動軌跡，并分析能量損失的主要原因。

圖5 和圖6 分別為風機多截面速度分布云圖和子午面流線圖，中間空白區(qū)域為電機。由圖5 可知，氣體由集流器進入，在通過葉輪時氣流速度逐漸增加，在葉輪出口處氣流速度達到最大值。氣流在箱體中流動時，近壁面的氣流流速大于箱體中間區(qū)域的流速。由圖6可知，葉輪甩出的氣體呈弧狀沖擊箱體壁面后沿壁面流動，直至離開箱體。風機流道中存在定向高速強氣流和無序低速弱氣流，流道中的強氣流無法帶動弱氣流定向流動，這一現(xiàn)象在箱體中心區(qū)域表現(xiàn)最為明顯。葉輪甩出的氣體撞擊箱體壁面后分別流向出口側與進口側。箱體內部出現(xiàn)多處旋渦，一部分是箱式無蝸殼風機軸向送風時，氣流沿箱體壁面流動時產生流動分離，在箱體內部形成旋渦,如A區(qū)所示；另一部分是葉輪甩出的氣流撞擊壁面后流向進口側，形成旋渦，如B區(qū)所示。旋渦占據流道中心部分較大區(qū)域，主流被迫在箱壁四周發(fā)展，流通面積受限，導致流動損失加大。

圖5 風機多截面速度分布云圖Fig.5 Fan multi-section velocity distribution

圖6 子午面流線圖Fig.6 Meridional streamline diagram

圖7為箱體內部三維流線圖，紅色箭頭標注出氣流流動方向。由圖可知，高速氣流沖擊箱體壁面后繼續(xù)沿壁面流動，但氣流速度降低且流動方向出現(xiàn)偏移，從風機進口側觀察，箱體內氣流呈現(xiàn)順時針運動和水平軸向運動疊加出的螺旋狀運動。圖8 為風機多截面靜壓分布云圖，由圖可知，箱體近壁面區(qū)域靜壓高，中心靜壓低，氣體沖擊箱體壁面時靜壓達到最大值。對于軸向送風的箱式無蝸殼風機，氣流撞擊箱體壁面的情況不可避免，易造成較大的沖擊損失。

圖7 箱體內部三維流線圖Fig.7 Three dimensional streamline diagram inside the box

圖8 風機多截面靜壓分布云圖Fig.8 Fan multi-section static pressure distribution

綜上所述，軸向送風的箱式無蝸殼風機內存在兩處主要的能量損失：一處是旋渦占據較大流通空間，主流流通面積受限引起的流動損失；另一處是高速氣流撞擊箱體壁面造成的沖擊損失。

3 箱體結構參數(shù)研究

箱體是箱式無蝸殼風機的重要組成部分，箱體尺寸過小會增加風機內部流動損失，箱體尺寸過大會增加制造成本，箱體結構參數(shù)進行優(yōu)化可以提高風機的實用性和經濟性。

3.1 箱體寬度對風機性能的影響

在原型機基礎上，利用數(shù)值模擬方法，獲取箱體寬度為1.4D、1.6D、1.8D、2.0D 時的風機性能曲線，如圖9所示。由圖可知，在額定工況下，隨箱體寬度增大，風機靜壓呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當箱體寬度為1.8D時，風機靜壓達到最大值。且在小流量范圍內，箱體寬度對風機靜壓影響較小，隨著流量增大，葉輪出口速度提高，使沖擊箱體壁面造成的能量損失越來越大，箱體寬度對風機靜壓的影響也越來越顯著。沖擊壁面造成的能量損失是箱式無蝸殼風機的主要能量損失之一。

圖9 不同箱體寬度風機性能曲線Fig.9 Performance curve of fans with different box width

由于流量為800m3/h 時，不同箱體寬度下的靜壓壓差較大，且箱體寬度為2.0D 時的靜壓比1.8D 時的靜壓不升反降的趨勢明顯，故對此工況下的箱式無蝸殼風機不同箱體寬度下的流線圖進行分析。

圖10為800m3/h不同箱體寬度流線圖。如圖所示，在四種不同的箱體寬度下，受二次流影響，葉輪出口處均存在出口流速不均勻現(xiàn)象，葉輪甩出的氣體撞擊壁面后分兩個方向沿壁面流動，流向進口側的氣流形成旋渦。箱體寬度為1.4D時，箱體空間較小，從葉輪流出的氣體沖擊壁面時氣流速度最高，撞擊壁面造成的能量損失最大，導致箱體寬度為1.4D 時風機靜壓最低。當箱體寬度為2D 時，葉輪流出的氣體進入一個較大的箱體空間，靜壓升高，速度降低，氣流撞擊箱體壁面時速度過小，出口流向偏移，導致葉輪出口處流向進口側的氣流增多，箱體內部流動損失增加。

綜上所述，箱體寬度為1.8D 時風機靜壓最高。箱體寬度過小，葉輪甩出的氣流高速沖擊壁面造成的能量損失較多；箱體寬度過大，葉輪出口空間過大導致氣流減速增壓，葉道內形成顯著的二次流，產生額外的能量損失。

圖10 800m3/h不同箱體寬度流線圖Fig.10 800m3/h Streamline diagram of different box width

3.2 箱體出口面積對風機性能的影響

在最佳箱體寬度N=1.8D的基礎上進行箱體出口面積（M×M）的研究。分別選取出口面邊長M 為0.7N、0.8N、0.9N、1.0N 來探究出口面積對風機性能的影響規(guī)律。圖11為不同出口面邊長風機性能曲線，由圖可知，在小流量范圍內風機靜壓隨著出口面積的增大而增大；當流量進一步增大，出口邊長為0.8N、0.9N、1.0N 的風機性能曲線重合度高，出口邊長為0.7N 的風機靜壓明顯偏小，表明當流量較大時，適當減小出口面積對風機性能影響較小。

圖12為額定工況下箱體出口面邊長分別為0.7N和1.0N 時的箱體流線圖，由圖可知，由于出口面積變小，氣流沖擊箱體壁面后速度降低，呈現(xiàn)出集中收縮的狀態(tài)，如圖12 中A 區(qū)所示。強氣流被迫帶動弱氣流進行定向流動，并與箱體中部回流氣體混合，加劇了流動的不穩(wěn)定性，導致箱體內部旋渦數(shù)量增加，旋渦內氣流流速增高，流動過程中的能量損失加劇。

圖11 不同出口面邊長風機性能曲線Fig.11 Performance curve of fans with different outlet side lengths

圖12 不同出口面邊長流線圖Fig.12 Streamline diagram of different exit width

當箱體出口寬度M 小于等于0.7 倍箱體寬度N 時，應在葉輪出口處與箱體出口處設置導流板，以改善箱體內部流動情況，提升風機性能。

3.3 箱體軸向長度對出口面流動均勻性的影響

在前兩節(jié)的基礎上，采用箱體寬度N=1.8D，箱體出口面邊長M=N的箱體，定義箱體軸向長度L=B+L1，L1為葉輪后盤距箱體出口的軸向距離。分別取L1為0.1D、0.3D、0.5D、1.0D、1.5D、2.0D、3.0D、4.0D展開研究。

箱體軸向長度增加，有利于氣體在箱體內部充分混合，增加出口面流動均勻性。分析軸向長度對風機出口面流動均勻性的影響，圖13 為額定工況下不同軸向長度風機出口速度分布云圖。由圖可知，沿箱體壁面氣流速度最高，從四周向中心氣流速度呈梯度變化。當軸向長度L1＜0.5D 時，回流空間較大，箱體中間區(qū)域氣流流速較低；當軸向長度0.5D ≤L1≤3.0D 時，受出口回流影響，出口面中心區(qū)域速度高于周邊速度。當軸向長度L1=4.0D時，出口中心由回流導致的速度較高的區(qū)域消失，且箱體壁面處氣流流速變化均勻。隨著箱體軸向長度增加，出口面流速均勻性提高，中心區(qū)域低速區(qū)范圍減小，表明氣流逐漸流向中心區(qū)域，箱體內強氣流與弱氣流在箱體內部混合，使出口流速趨向均勻，但氣流混合程度有限，出口面仍存在嚴重的流動不均勻現(xiàn)象。

圖13 不同軸向長度風機出口速度分布云圖Fig.13 Outlet velocity distribution of fans with different axial lengths

進一步延伸箱體軸向距離L1=20D探究出口面產生回流的原因。圖14 為軸向長度L1=20D 風機子午面流線圖，圖中僅展示箱體前半部分流線，箱體后部流動保持穩(wěn)定，數(shù)據標簽標注出所在點的氣流流動速度。由圖可知，葉輪甩出的氣體沿壁面流動形成貼壁射流，伴隨出現(xiàn)射流卷吸現(xiàn)象，射流對周圍靜止流體的夾帶作用使箱體中心區(qū)域形成低壓區(qū)，周圍流體向低壓區(qū)流動形成旋渦。當箱體軸向長度較短時，就表現(xiàn)為出口處的回流現(xiàn)象。

隨貼壁射流的發(fā)展，射流斷面不斷擴大且流速逐漸降低，氣流逐漸向箱體中間區(qū)域傾斜，開始混合。射流的卷吸作用是導致射流偏轉的內在原因，射流使箱體內部產生壓力差，在此壓差的作用下，射流發(fā)生偏轉。

定義葉輪后盤徑向位置近壁面處的速度為射流初始速度，如圖14中A點所示。額定工況下，旋渦貼近葉輪出口，受出口氣流影響，旋渦中心處流速較高，對風機出口處氣流流通區(qū)域產生較大的擠壓作用，使有效流通面積減小，導致射流初始速度升高。

在大流量下，出口氣流偏移，直接流向風機出口側的氣流減少。旋渦中心遠離葉輪出口，中心處流速較低，旋渦區(qū)范圍較小，對氣流的擠壓作用較小，氣流有效流通截面相對較大。流量小與流通截面大導致大流量下射流初始速度較低。同時，大流量工況下同一截面速度差較小，如M截面所示，此時箱體內部流動穩(wěn)定性相對較高。因此，大流量工況下射流卷吸能力下降，卷吸量減小，箱體內部氣流混合提前。

葉輪甩出的氣體沿壁面流動，表現(xiàn)為貼壁射流，射流卷吸現(xiàn)象使箱體內部產生旋渦，同時在有限長度內出口面出現(xiàn)回流現(xiàn)象。箱體軸向長度增加至4D 時，出口面回流基本消失，但仍存在較為嚴重的出口面流動不均勻性現(xiàn)象。

圖14 軸向距離L1=20D風機子午面流線圖Fig.14 Axial length L1=20D meridional plane flow diagram of the fan

4 結論

本文利用計算流體動力學方法研究箱式無蝸殼風機箱體內部產生流動損失的主要原因，并分析箱體結構參數(shù)對風機性能的影響規(guī)律，結論如下:

1）主流流通面積受限造成的流動損失和高速氣流撞擊箱體壁面造成的沖擊損失是軸向送風的箱式無蝸殼風機產生能量損失的主要原因。

2）箱式無蝸殼風機最佳箱體寬度為1.8D；箱體出口寬度小于等于0.7倍箱體寬度時，應在葉輪出口處與箱體出口處設置導流板，以改善箱體內部流動情況。

3）葉輪甩出的氣體沿壁面流動形成貼壁射流，出現(xiàn)射流卷吸現(xiàn)象，導致有限長度內的箱體出口面產生回流。