采用吸力面仿魚形葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能研究*

馬 列 劉 陽(yáng) 劉小民

（1.廣東美的制冷設(shè)備有限公司；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

多翼離心風(fēng)機(jī)因其尺寸小、流量系數(shù)高、噪聲低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在空調(diào)器、空氣凈化器等家用電器中，但由于多翼離心風(fēng)機(jī)葉片具有強(qiáng)烈的前向彎曲特性，葉片吸力面易發(fā)生流動(dòng)分離，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能下降。因此，優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)對(duì)提升多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

為提高多翼離心風(fēng)機(jī)性能，滿足尺寸限定條件下多翼離心風(fēng)機(jī)的使用要求，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了較為詳細(xì)的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，從而為多翼離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供了理論依據(jù)。Montazerin 等[1]通過(guò)測(cè)量葉輪出口流速研究了葉輪滑移系數(shù)，指出滑移系數(shù)小并不適用于多翼離心風(fēng)機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)。蔣博彥等[2]通過(guò)PIV技術(shù)測(cè)量了多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)小流量工況下大部分氣流隨著葉輪在蝸殼內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，增加了風(fēng)機(jī)進(jìn)口旋渦的尺度和強(qiáng)度。李爍等[3]考慮了這種多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用條件的復(fù)雜性，對(duì)葉輪采用不同位置的偏心設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)偏心葉輪可以有效減小葉輪部分葉道內(nèi)的旋渦。Wang 等[4]研究了葉片全切割和部分切割對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)娜~片切割能使風(fēng)機(jī)的總壓效率和靜壓升有較大的提升。Darvish 等[5]研究了葉片數(shù)和出口角對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明：葉片數(shù)和出口角度的增加會(huì)減弱葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)分離，有利于多翼離心風(fēng)機(jī)效率的提高。田晨曄等[6]采用進(jìn)氣端葉片開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，有效改善了葉輪頂端間隙區(qū)域內(nèi)的低速流動(dòng)狀態(tài)，降低了風(fēng)機(jī)的寬頻噪聲。肖千豪等[7]提出了一種二次非均勻B樣條曲線的葉型參數(shù)化方法，優(yōu)化后的葉輪出口徑向速度增加，提高了風(fēng)機(jī)在氣動(dòng)性能。Zhou等[8]利用改進(jìn)的Hicks-Henne函數(shù)對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，得到了曲率平滑的葉片型線，葉片進(jìn)口區(qū)前緣渦數(shù)減少，風(fēng)機(jī)的總壓效率和流量顯著提高。蒲曉敏等[9]對(duì)葉輪采用非均勻葉片布置，發(fā)現(xiàn)采用正弦調(diào)制的葉片非均勻方案，風(fēng)機(jī)噪聲下降2-4dB。Lin 等[10]將低速NACA4412 翼型應(yīng)用在多翼離心風(fēng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)翼型葉片有效緩解了葉片吸力面的流動(dòng)分離，有利于風(fēng)機(jī)效率的提高。Vecchia 等[11]將納什均衡遺傳算法和PARSEC 參數(shù)化方法相結(jié)合對(duì)二維翼型進(jìn)行了幾何優(yōu)化，作者提出的方法為翼型幾何形狀的定義提供了充分的可控性，從而能夠更好地進(jìn)行翼型形狀優(yōu)化。

海洋生物在自然進(jìn)化中形成了各種高效、快速的游動(dòng)機(jī)制，大體可分為纖毛推進(jìn)、射流反沖堆積和波狀擺動(dòng)推進(jìn)。其中魚類主要采用波狀擺動(dòng)推進(jìn)方式，在游動(dòng)過(guò)程中身體兩側(cè)產(chǎn)生的渦通過(guò)尾部姿態(tài)調(diào)整與尾部分離渦相互作用形成兩個(gè)可以精確控制的渦結(jié)構(gòu)，在此過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生渦脫落，這表明魚體的流線型輪廓使其在高速游動(dòng)過(guò)程中具有良好的動(dòng)力特性，能量耗散較低[12]。Lucas 等[13]研究了藍(lán)腮魚和鱒魚的前體形狀，發(fā)現(xiàn)前緣吸力機(jī)制產(chǎn)生的推力很大程度減少了預(yù)體前側(cè)的阻力，他們認(rèn)為這種魚體輪廓對(duì)流動(dòng)分離的控制是非常有效的。Yan 等[14]建立了基于鱘魚的對(duì)稱仿生翼型和非對(duì)稱仿生翼型，并將其應(yīng)用在噴水泵葉片的設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)采用非對(duì)稱仿生翼型的噴水泵揚(yáng)程和效率都明顯高于對(duì)稱仿生翼型。熊仲營(yíng)等[15]基于鲹科魚類游動(dòng)過(guò)程中的渦流特征，研究了仿魚形葉片對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)仿魚形葉片葉輪流道內(nèi)的旋渦強(qiáng)度明顯減弱。但是他們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，并未考慮仿魚形葉片尾緣結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有考慮魚類游動(dòng)介質(zhì)與多翼離心風(fēng)機(jī)工作介質(zhì)的不同，使得這種完全基于魚體形狀的葉片仿生設(shè)計(jì)不在提升多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)方面的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有很好的體現(xiàn)出來(lái)。

基于魚體的前緣減阻構(gòu)型和多翼離心風(fēng)機(jī)前向葉片的強(qiáng)前彎特性，考慮到目前多翼離心風(fēng)機(jī)葉片的加工工藝和實(shí)際應(yīng)用條件，本文提出了一種葉片吸力面仿魚形改型設(shè)計(jì)方案，并將其應(yīng)用到多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中。采用數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)帶有不同葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能及其流場(chǎng)進(jìn)行了分析，揭示了吸力面仿魚形設(shè)計(jì)的葉片吸力面和壓力面的流動(dòng)控制機(jī)理。本文研究為基于葉片仿生設(shè)計(jì)的多翼離心風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 物理模型

本文研究對(duì)象為雙吸式多翼離心風(fēng)機(jī)，由蝸殼和葉輪兩部分組成。葉輪設(shè)有固定中盤，中盤兩側(cè)葉輪寬度比為1:1，葉片為前彎形式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙吸式多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Double inlet multi-blade centrifugal fan

取蝸殼內(nèi)壁型線建立蝸殼區(qū)域流體域。由于該葉輪為塑料葉輪，考慮到葉片存在拔模斜度，建立葉輪流體域時(shí)取葉頂處葉片型線，前盤裝有的環(huán)形箍主要為保證葉片強(qiáng)度，對(duì)氣動(dòng)性能影響很小，建模時(shí)將環(huán)形箍去除。原型多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 原型多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 The parameters of prototype multi-blade centrifugal fan

1.2 數(shù)值計(jì)算

根據(jù)圖1所示的風(fēng)機(jī)模型建立計(jì)算流體域模型，主要分為蝸殼區(qū)、葉輪區(qū)、進(jìn)口延伸段和出口延伸段，為使計(jì)算具有更好的收斂性，延伸段的長(zhǎng)度設(shè)置為2.5倍葉輪外徑。對(duì)各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在近壁面和葉片前后緣進(jìn)行了加密處理，固體近壁面y+值保持在30～100 之間，各部分通過(guò)interface 面連接，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 雙吸式多翼離心風(fēng)機(jī)數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Computational model of double suction multiblade centrifugal fan

采用Fluent 求解器對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。定常流場(chǎng)計(jì)算中，內(nèi)流控制方程為Navier-Stokes方程，湍流模型采用Realizable k-ε模型，近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，壓力離散格式采用PRESTO!格式，動(dòng)量方程、能量方程以及湍流耗散方程均采用二階迎風(fēng)格式。進(jìn)口邊界條件給定總壓為0Pa，出口邊界條件給定靜壓為0Pa。將葉輪區(qū)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用多參考系模型，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1121r/min，收斂殘差設(shè)置為10-4。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。流量隨網(wǎng)格數(shù)的變化如圖3 所示，最終確定總網(wǎng)格數(shù)為364 萬(wàn)，其中葉輪和蝸殼網(wǎng)格數(shù)分別為219萬(wàn)和97萬(wàn)。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Grid independence verification

1.3 試驗(yàn)測(cè)量

氣動(dòng)性能測(cè)試按照GB/T 1236-2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》進(jìn)行，測(cè)試裝置采用型號(hào)為FL-2 ISO 的氣動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由試驗(yàn)風(fēng)機(jī)、風(fēng)室、噴嘴、溫度傳感器、差壓變送器、輔助風(fēng)機(jī)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成見(jiàn)圖4。測(cè)量時(shí)設(shè)定不同靜壓，根據(jù)噴嘴流速選擇合適的噴嘴直徑，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到風(fēng)機(jī)流量，風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試裝置見(jiàn)圖5。

圖4 多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試裝置原理圖Fig.4 Schematic diagram of aerodynamic performance test device for multi-blade centrifugal fan

圖5 多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)裝置圖Fig.5 Aerodynamic performance test device of multiblade centrifugal fan

圖6 所示為多翼離心風(fēng)機(jī)的性能曲線，可以看出，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量吻合較好。在0Pa靜壓工況下，風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量模擬值和實(shí)驗(yàn)值分別為529.2m3/h 和548.5m3/h，兩者相對(duì)誤差為3.52%，在工程允許的5%范圍內(nèi)，證明了本文建立的數(shù)值計(jì)算模型的有效性。

圖6 多翼離心風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.6 Performance curve of multi-blade centrifugal fan

2 仿生葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 葉片設(shè)計(jì)參數(shù)

首先對(duì)原型葉片中弧線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，固定葉輪外徑，選擇葉片進(jìn)口安裝角β1、出口安裝角β2、葉片數(shù)Z和輪徑比ε作為設(shè)計(jì)參數(shù)，ε=D2/D1。采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)葉片參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，以0Pa靜壓下的最大風(fēng)量Q作為響應(yīng)值。設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范 圍 為：β1=70°～90°，β2=155°～175°，Z=38～44，ε=0.83～0.87。共設(shè)計(jì)29 組單圓弧等厚葉片設(shè)計(jì)方案，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可得到回歸方程：

由F檢驗(yàn)可知，回歸方程的顯著性明顯，失擬性不顯著，故可用于該風(fēng)機(jī)的性能預(yù)測(cè)[16]。預(yù)測(cè)的最優(yōu)葉片設(shè)計(jì)參數(shù)為β1=70°，β2=166.5°，Z=44，ε=0.83，葉片結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9（a）。預(yù)測(cè)風(fēng)量為551.2m3/h，數(shù)值計(jì)算，風(fēng)量為554.4m3/h，兩者誤差為0.58%，可以證明該響應(yīng)面模型擬合的準(zhǔn)確性?；诖俗顑?yōu)葉片中弧線設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)葉片進(jìn)行仿生重構(gòu)。

2.2 仿生葉片重構(gòu)

鲹科魚類具有高效快速的游動(dòng)特性，其水平輪廓是一種類似半橢圓半拋物線結(jié)構(gòu)，這種流線型結(jié)構(gòu)能夠很好地適應(yīng)流場(chǎng)的變化。魚在游動(dòng)過(guò)程中，尾跡區(qū)會(huì)聚集從上游邊界層流下的旋渦。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)粘性作用顯著，尾渦不斷耗散，形成低壓區(qū)，產(chǎn)生壓差阻力。魚體通過(guò)尾鰭的擺動(dòng)協(xié)同魚體輪廓型線實(shí)現(xiàn)對(duì)魚體周圍渦的控制，使其不發(fā)生流動(dòng)分離，渦匯入了尾跡區(qū)，尾跡區(qū)變窄，減小了流動(dòng)阻力。

本文選取鲹科魚類從頭部到尾柄處輪廓線構(gòu)造仿生葉型，魚體輪廓特征結(jié)構(gòu)的提取參考文獻(xiàn)[17]，獲得的魚體水平剖面的輪廓線方程如下：

圖7 為魚體水平剖面結(jié)構(gòu)圖，從頭部到尾部依次為橢圓形線、拋物線和直線。首先對(duì)魚體輪廓按比例縮小，尾部直線部位存在尖點(diǎn)，但考慮到實(shí)際加工工藝，并不能將魚體中弧線縮小到同樣葉片中弧線長(zhǎng)度。圖8 為葉片設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)構(gòu)圖，α1為葉片中弧線對(duì)應(yīng)的圓心角，α2為葉片壓力面輪廓線對(duì)應(yīng)的圓心角，將葉片中弧線延長(zhǎng)至α2對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，魚體中弧線縮小至α2對(duì)應(yīng)的葉片中弧線弧長(zhǎng)，然后將縮小的輪廓線離散為特征坐標(biāo)點(diǎn)（x,y）。將魚體單側(cè)輪廓特征點(diǎn)布置在葉片中弧線吸力面?zhèn)龋ㄟ^(guò)樣條擬合曲線連接，壓力面型線保持原單圓弧等厚型線，尾緣超出葉輪外徑的陰影區(qū)域切除，形成吸力面仿魚形葉片輪廓結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)仿魚形葉片輪廓?jiǎng)t是將魚體兩側(cè)輪廓特征點(diǎn)布置在葉片中弧線兩側(cè)，如圖9所示。本文分別研究根據(jù)最優(yōu)葉片設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)造的單圓弧等厚葉片、傳統(tǒng)仿魚形葉片和吸力面仿魚形葉片。

圖7 魚體輪廓型線水平剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of horizontal section of fish body profile

圖8 葉片設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖Fig.8 Main design parameters of blade

圖9 本文研究采用的三種葉片F(xiàn)ig.9 Three kind of blades used in this study

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果及外特性分析

表2為多翼離心風(fēng)機(jī)出口靜壓為0Pa時(shí)的風(fēng)量和效率的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，其中風(fēng)機(jī)效率的計(jì)算公式如下：

表2 原型葉片和優(yōu)化葉片的數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.2 The numerical calculation results of prototype blades and optimized blades

式中，η為風(fēng)機(jī)效率，%；Ptotal為蝸殼出口總壓，Pa；Q為風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量，kg/s；n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；M為葉輪扭矩，N·m。

由表2可知，帶有三種優(yōu)化葉片的風(fēng)機(jī)相對(duì)于原型風(fēng)機(jī)，風(fēng)量和效率都有較大的提升。吸力面仿魚形葉片的風(fēng)機(jī)提升效果最大，與原型風(fēng)機(jī)相比，最大風(fēng)量提升了8.4%，效率提升了6.73%。傳統(tǒng)仿魚形葉片的風(fēng)機(jī)相比于原型風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也有所提升，但風(fēng)量卻低于單圓弧等厚葉片的風(fēng)機(jī)。為了更全面的判斷三種優(yōu)化葉片的性能，通過(guò)調(diào)整出口靜壓繪制了三種優(yōu)化葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)的性能曲線，如圖10 所示。從圖中可以看出：吸力面仿魚形葉片風(fēng)機(jī)的性能曲線完全覆蓋了單圓弧等厚葉片和傳統(tǒng)仿魚形葉片的風(fēng)機(jī)的性能曲線，最大風(fēng)量和最大靜壓都有上升。傳統(tǒng)仿魚形葉片的風(fēng)機(jī)的性能曲線則完全在單圓弧等厚葉片的風(fēng)機(jī)性能的曲線下方，雖然最大風(fēng)量和最大靜壓基本沒(méi)有降低，但中等流量工況范圍內(nèi)性能下降，工況范圍變窄。

圖10 三種優(yōu)化葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)流量-壓力性能曲線Fig.10 Flow rate-pressure curves of multi-blade centrifugal fan with different blades

圖11對(duì)比了單圓弧等厚葉片、傳統(tǒng)仿魚形葉片和吸力面仿魚形葉片時(shí)多翼離心風(fēng)機(jī)的流量-效率性能曲線。

圖11 多翼離心風(fēng)機(jī)流量-效率性能曲線Fig.11 Flow rate-efficiency curve of multi-blade centrifugal fan with different blades

吸力面仿魚形葉片與傳統(tǒng)仿魚形葉片相比，風(fēng)機(jī)的效率明顯增加，最高效率點(diǎn)提高了1.3%～1.6%，且高效工況范圍也明顯擴(kuò)大，但在小流量工況下風(fēng)機(jī)效率變化并不顯著。盡管傳統(tǒng)仿魚形葉片的風(fēng)機(jī)效率不及吸力面仿魚形葉片的風(fēng)機(jī)，但高于單圓弧等厚葉片，這證明了仿生葉片在提升風(fēng)機(jī)效率方面具有一定的優(yōu)越性。

3.2 葉片表面壓力分布

為進(jìn)一步探究仿生葉片的做功能力，本文分析了最大風(fēng)量工況點(diǎn)下單圓弧等厚葉片、傳統(tǒng)仿魚形葉片和吸力面仿魚形葉片50%葉高處的葉片表面靜壓分布，如圖12 所示。沿圓周方向分別從0°、90°、180°和270°四個(gè)位置選取四個(gè)葉片進(jìn)行分析，葉片位置如圖1（c）所示，分別標(biāo)記為葉片1、葉片2、葉片3和葉片4。

圖12（a）給出了單圓弧等厚葉片、傳統(tǒng)仿魚形葉片和吸力面仿魚形葉片的葉片1 位置50%葉高處的表面靜壓分布。其中，跨葉片方向定義為沿葉片表面從前緣到尾緣，葉片壓力面與吸力面的壓差用來(lái)表示葉片的載荷能力W[18]，定義為：

圖12 50%葉高處葉片表面靜壓分布Fig.12 Static pressure distributions on blade surfaces at 50%blade height

從圖12（a）中可以看出，在葉片1 位置處單圓弧等厚葉片與吸力面仿魚形葉片具備相似的載荷能力，在葉片前緣和尾緣位置為高載荷區(qū)，中間位置為低載荷區(qū)，然而傳統(tǒng)仿魚形葉片在整個(gè)跨葉片方向載荷能力都較低，可以預(yù)測(cè)此處的流動(dòng)狀態(tài)惡化。

圖12（b）、（c）所示為這三種葉片的葉片2、3 位置50%葉高處的表面靜壓分布。單圓弧等厚葉片與吸力面仿魚形葉片都是前、尾緣加載，壓力面的靜壓分布基本一樣，吸力面仿魚形葉片在靠近尾緣處吸力面的靜壓比單圓弧等厚葉片更低，具有更強(qiáng)的載荷能力。這主要是由于吸力面仿魚形葉片在壓力面的設(shè)計(jì)中保留了單圓弧等厚葉片壓力面的優(yōu)勢(shì)，并在吸力面采用仿生設(shè)計(jì)擴(kuò)大了這一優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)仿魚形葉片的載荷能力明顯低于兩者。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)仿魚形葉片的壓力面輪廓與葉輪進(jìn)氣條件不匹配，葉片前緣外擴(kuò)，導(dǎo)致氣流與葉片前緣沖角增大，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊損失，葉片兩側(cè)壓差小，做功能力下降。

圖12（d）所示為這三種葉片的葉片4位置50%葉高處的表面靜壓分布，從圖中可以看出該位置區(qū)域做功能力相對(duì)于其他葉片位置明顯增強(qiáng)，為該葉輪的主要做功區(qū)域。在該位置處，傳統(tǒng)仿魚形葉片的載荷能力與另外兩種葉片相差不多，但葉片表面兩側(cè)的壓力值依然低于單圓弧等厚葉片和吸力面仿魚形葉片表面的壓力值。

3.3 流動(dòng)特性分析

圖13為最大風(fēng)量工況條件下蝸殼A-A截面的速度云圖，截面位置如圖1(c)和1(d)所示。由于風(fēng)機(jī)為雙吸式多翼離心風(fēng)機(jī)，兩側(cè)流場(chǎng)基本呈對(duì)稱分布。從圖中可以看出，采用吸力面仿魚形葉片的葉輪出口氣流流速明顯大于單圓弧等厚葉片和傳統(tǒng)仿魚形葉片，這表明吸力面仿魚形葉片具有更強(qiáng)的做功能力。吸力面仿魚形葉片的葉輪進(jìn)口側(cè)的低速區(qū)大，這是由于吸力面仿生前緣具有較強(qiáng)的吸力作用，這一作用一直延伸到蝸殼進(jìn)口區(qū)域，使葉輪具有更好的進(jìn)氣條件，蝸殼內(nèi)速度分布也更加均勻。根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)仿魚形葉片表面壓力特性的分析，葉片前緣與氣流強(qiáng)烈的沖擊作用使得氣流在葉輪進(jìn)口處聚集，低速區(qū)不能充分發(fā)展，阻礙了葉輪的進(jìn)氣，導(dǎo)致葉輪出口氣體流速降低，做功能力下降。

圖13 多翼離心風(fēng)機(jī)蝸殼A-A截面速度云圖Fig.13 Cloud diagram of velocity at A-A section of volute of multi-blade centrifugal fan with different blades

圖14為最大風(fēng)量工況點(diǎn)下葉輪50%葉高截面的徑向速度云圖。由圖13 可知兩側(cè)葉輪的流動(dòng)狀態(tài)基本呈對(duì)稱分布，因此可僅研究葉輪單側(cè)的流動(dòng)狀態(tài)。多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪的前盤流動(dòng)較為混亂，后盤流動(dòng)較為平穩(wěn)，沿葉高不同截面處的周向流動(dòng)狀態(tài)基本一致蝸舌附近的流動(dòng)分離最為嚴(yán)重。因此本文選取具有代表性的50%葉高截面進(jìn)行分析。從圖14可以看出：葉輪A 區(qū)附近的徑向速度偏低；傳統(tǒng)仿魚形葉片葉輪在此處的徑向速度為負(fù)，也就是說(shuō)在此處產(chǎn)生了逆流，比單圓弧等厚葉片葉輪的流動(dòng)狀況更差；吸力面仿魚形葉片葉輪A 區(qū)的徑向速度最大，此處的逆流現(xiàn)象得以有效緩解，葉輪的做功能力獲得了進(jìn)一步的提升。

圖14 多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪徑向速度云圖Fig.14 Cloud diagram of radial velocity in impeller of multi-blade centrifugal fan

為了便于觀察，圖15 給出了-45°～45°周向θ范圍內(nèi)50%葉高截面處的葉輪速度流線圖，圖中框選范圍為葉輪A區(qū)附近。從兩相鄰葉片流道可以看出，流動(dòng)分離幾乎全發(fā)生在葉片的吸力面?zhèn)?，無(wú)論是單圓弧等厚葉片還是吸力面仿魚形葉片，壓力面的流動(dòng)分離都很小。吸力面仿魚形葉片葉輪相比于傳統(tǒng)仿魚形葉片葉輪A區(qū)流道內(nèi)的分離現(xiàn)象明顯減小，這表明在吸力面采用仿生翼型改型設(shè)計(jì)可以有效控制吸力面?zhèn)缺砻娓街鴾u的脫落，對(duì)蝸舌處及其下游流道內(nèi)的流動(dòng)分離也起到了有效的抑制作用，減弱了葉片與蝸舌處的非定常相互作用。

圖15 多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪速度流線展開(kāi)圖Fig.15 Expansion diagram of impeller velocity streamline of multi-blade centrifugal fan

4 結(jié)論

基于魚體輪廓及其對(duì)分離渦的流動(dòng)控制能力，對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)等厚葉片進(jìn)行仿魚形設(shè)計(jì)，并對(duì)仿魚形葉片吸力面進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，采用數(shù)值方法研究了單圓弧等厚葉片、傳統(tǒng)仿魚形葉片和吸力面仿魚形葉片對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響。得到的主要結(jié)論如下：

1）采用吸力面仿魚形葉片，有效提升了多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能，相比于原型風(fēng)機(jī)，風(fēng)量增加了8.4%，總壓效率提升了6.73%。

2）吸力面仿魚形葉片的壓力面上的壓力分布保留了單圓弧等厚葉片壓力面的優(yōu)勢(shì)，吸力面靠近尾緣處的靜壓明顯低于單圓弧等厚葉片，這表明吸力面仿魚形設(shè)計(jì)葉片具有較強(qiáng)的做功能力。在傳統(tǒng)仿魚形葉片前緣，氣流沖擊作用阻礙了葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)，葉片表面兩側(cè)壓力變小，葉輪做功能力下降。

3）吸力面仿魚形葉片有效控制了葉片吸力面上渦脫落，對(duì)蝸舌處及其下游流道內(nèi)的流動(dòng)分離起到了抑制作用，減弱了葉片與蝸舌的非定常相互作用。從流場(chǎng)分析可以看到，采用吸力面仿魚形葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪流道內(nèi)的低速區(qū)明顯減小，葉輪出口處流動(dòng)速度增大。