基于CFD的軸流風(fēng)機(jī)葉片上弦差對(duì)其 動(dòng)態(tài)特性影響

呂云鵬

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

當(dāng)前軸流風(fēng)機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的機(jī)械設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于軍工民用、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域。而在交通運(yùn)輸行業(yè)中，發(fā)揮冷卻作用的風(fēng)扇能耗達(dá)到了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的5%～10%。因此，提高風(fēng)機(jī)的工作效率成為了提高能源利用率的關(guān)鍵問題。

由軸流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，軸流風(fēng)機(jī)的葉片上下弦差會(huì)從根本上對(duì)風(fēng)機(jī)的性能產(chǎn)生影響。因此，不同軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的葉片上下弦差參數(shù)值是判定其性能優(yōu)劣非常重要的因素。

日本工學(xué)院大學(xué)的Shinsaku、Masayuki等人通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，研究了上游障礙物對(duì)軸流風(fēng)機(jī)流動(dòng)特性的影響。法國國立高等技術(shù)工程學(xué)校的A.Maaloum等人分析了軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)氣管道輪廓及風(fēng)帽形狀對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的影響。盛才良、王新等對(duì)當(dāng)前軸流風(fēng)機(jī)輪轂與葉片普遍采用的固定鏈接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，力分析顯示，在氣動(dòng)力、離心力等力的復(fù)合作用下，葉根處存在較大彎矩。

一般來說，上弦差的數(shù)值對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)來說越大，其工作效率越高，但是從另外一方面考慮，隨著該數(shù)值的變大，風(fēng)機(jī)葉片的單位面積承受氣流的氣壓越高，從而對(duì)于電機(jī)的工作效率有著更高的要求。但是，軸流風(fēng)機(jī)領(lǐng)域針對(duì)葉片上弦差這一影響因素并沒有可循的標(biāo)準(zhǔn)，所以，本試驗(yàn)研究對(duì)象為市場上在售的某型號(hào)軸流風(fēng)機(jī)，然后通過-模型、-模型及剪切應(yīng)力傳輸模型（Shear Stress Transfer, SST）三種湍流模型分別對(duì)多種工況下不同上弦差的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真模擬，通過比對(duì)研究，分析其流動(dòng)特性，進(jìn)而探討葉片上弦差參數(shù)對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)性能影響的大致趨勢(shì)，并最終為軸流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)的器材為國標(biāo)下的B類試驗(yàn)裝置，包括風(fēng)機(jī)入口、出口，試驗(yàn)方法采用進(jìn)氣試驗(yàn)法；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)》（GB/T 1236—2017）。

試驗(yàn)通過實(shí)際測(cè)得的軸流風(fēng)機(jī)的質(zhì)量、流量、靜壓和軸功率等來計(jì)算軸流風(fēng)機(jī)的靜壓效率等參數(shù)，從而得到軸流風(fēng)機(jī)的性能曲線。軸流風(fēng)機(jī)的軸功率計(jì)算通過采集電機(jī)工作時(shí)候的電壓以及工作電流方式進(jìn)行。工況的改變本文主要指軸流風(fēng)機(jī)的氣體流量的變化，以調(diào)整通風(fēng)管道入口的網(wǎng)柵大小來實(shí)現(xiàn)流量的變化。試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

2 三維建模網(wǎng)格劃分

本文所研究的對(duì)象為單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)，采用三維建模得到軸流風(fēng)機(jī)葉片模型如圖2所示。其中，葉輪外徑為400 mm、葉頂間隙為5 mm、葉片上弦差為50 mm、葉片下弦差為60 mm、葉片數(shù)為8個(gè)、額定工況為7.179 kg/s。

圖2 葉片模型圖

風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格由Gambit軟件生成。因各葉片模型均勻圓周排列，每個(gè)流道也存在均勻圓周排列的關(guān)系，所以在建立流道這一過程中可通過建模軟件Gambit制作單流道網(wǎng)格，然后由各個(gè)單流道網(wǎng)格合成全流道網(wǎng)格。軸流風(fēng)機(jī)葉輪的全流道網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 軸流風(fēng)機(jī)葉輪全流道網(wǎng)格

在網(wǎng)格生成的過程中，在部分曲率較大的曲面上容易出現(xiàn)質(zhì)量相對(duì)較差的網(wǎng)格，所以，為了仿真模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行以及保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確程度，必須對(duì)所生成的網(wǎng)格進(jìn)行檢查。該次實(shí)驗(yàn)所要求檢查通過單元大小的歪斜度，所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)為EquiSize Skew，一般情況下，EquiSize Skew在0到1之間，0為質(zhì)量最好，1為質(zhì)量最差。本次實(shí)驗(yàn)所建立的軸流風(fēng)機(jī)葉輪全流道網(wǎng)格的EquiSize Skew值小于0.3的子網(wǎng)格數(shù)占比為99.89%，說明該全流道網(wǎng)格的劃分質(zhì)量高，能夠匹配本次仿真實(shí)驗(yàn)所要求精度。

3 數(shù)值模擬分析

該模型需要設(shè)定三個(gè)邊界條件：入口、出口以及物理環(huán)境條件；需要設(shè)定三種類型條件：壁面、對(duì)稱面及流體介質(zhì)類型。其中，入口條件設(shè)定為質(zhì)量流量入口，可通過模擬得到的體積流量計(jì)算得到質(zhì)量流量數(shù)據(jù)，范圍為4.528 kg/s～ 9.774 kg/s；出口條件設(shè)定為壓力出口條件，壓力出口默認(rèn)風(fēng)機(jī)的出口沒有外界因素的干擾，為理想的大氣環(huán)境，因此，設(shè)置平均壓力為0 Pa；壁面類型采用無滑移壁面（no spill）；鑒于本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的方法，因此在動(dòng)靜臨界處選用“Frozen Rotor”方法。

如前文所述，分別選取SST、-、-三種湍流模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，軸流風(fēng)機(jī)全壓及靜壓與流量之間的特性曲線如圖4、圖5所示。

從全壓、靜壓與流量特性曲線圖中可以看出，三個(gè)湍流模型所得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)走向和試驗(yàn)基本一致。但在圖5靜壓與流量特性曲線可以看出，在較小流量的工況之下，-與-湍流模型所得到的靜壓值明顯低于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而SST模型在任何工況之下都能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度極高，大致的數(shù)值走向基本一致。然而，在軸流風(fēng)機(jī)領(lǐng)域，靜壓值向來都是評(píng)判風(fēng)機(jī)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，通過數(shù)值模擬可得出SST湍流模型對(duì)于本試驗(yàn)的研究更為合適。

圖4 全壓-流量特性曲線

圖5 靜壓-流量特性曲線

4 不同葉片上弦差的流動(dòng)分析

本文將以上弦差值為自變量參數(shù)，研究在不同工況下，不同上弦差值的軸流風(fēng)機(jī)的性能。

不同上弦差與流量的特性曲線如圖6所示。

由圖6得知，同一工況下，上弦差值越大靜壓值也越大，兩者之間的趨勢(shì)呈正相關(guān)。其中，在額定工況特別是大流量工況之下，上弦差值對(duì)于靜壓值的影響相對(duì)比較明顯；小流量工況之下，上弦差值的改變對(duì)靜壓值影響較小。因此，氣流攻角通過改變上弦差值變動(dòng)，從而提高軸流風(fēng)機(jī)的靜壓值。

圖6 靜壓-流量特性曲線

靜壓效率-流量特性曲線如圖7所示。

圖7 靜壓效率-流量特性曲線

雖然某一工況之下，增大上弦差值能夠?qū)τ谳S流風(fēng)機(jī)的靜壓值有比較好的促進(jìn)效果，但是，對(duì)于靜壓效率的影響卻微乎其微。隨著上弦差值的增大，軸流風(fēng)機(jī)葉片的工作負(fù)載也會(huì)隨之提高，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致在特定工況下，更多的葉片對(duì)氣流做功，必然會(huì)耗費(fèi)軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)的機(jī)械能。

圖8 各弦差下靜壓云圖

圖8所示為各上弦差值軸流風(fēng)機(jī)在額定工況下的靜壓云圖。從中可以看出，軸流風(fēng)機(jī)的上弦差值越大，其軸向的靜壓值也越大，且隨著上弦差值的改變并未影響軸流風(fēng)機(jī)軸向靜壓的動(dòng)態(tài)軌跡?？梢缘贸觯谝欢ǔ潭壬?，上弦差值的改變并不會(huì)影響軸流風(fēng)機(jī)的軸向動(dòng)態(tài)軌跡，但其能增大軸流風(fēng)機(jī)的靜壓值，從而使軸流風(fēng)機(jī)的性能得以提升。

從圖9各上弦差的速度云圖可以看出，各弦差下的氣流速度的分布位置大致相同，葉片頂點(diǎn)的周邊區(qū)域的氣流速度較快，且高速氣流區(qū)的大小也會(huì)隨葉片上弦差值的增大而增大。通過對(duì)比圖8和圖9可以看出，適當(dāng)減小軸流風(fēng)機(jī)的上弦差值不利于靜壓值的提升，但在一定程度上對(duì)葉頂間隙區(qū)域的二次流損失有較好的促進(jìn)效果；適當(dāng)?shù)卦龃筝S流風(fēng)機(jī)的上弦差值雖然會(huì)加劇葉頂間隙區(qū)域的二次流損失，但對(duì)于靜壓值的增益效果是非常明顯的，在考慮軸功率增大以及二次流損失的情況之下，其靜壓效率依然能夠維持在較高的水平。

圖9 各弦差下速度云圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

軸流風(fēng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)主要有風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道、軸流風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)組成，試驗(yàn)中采用的電動(dòng)機(jī)是軸流風(fēng)機(jī)的全部動(dòng)力來源，其中主要設(shè)備包括數(shù)字壓力表、數(shù)字閃頻轉(zhuǎn)速表以及變頻控制機(jī)柜等。試驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)量設(shè)備如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)量設(shè)備

本次試驗(yàn)采用流量計(jì)測(cè)量，得到的數(shù)據(jù)為氣體質(zhì)量，通過一個(gè)算法可將氣體質(zhì)量流量換算為體積流量。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本次實(shí)驗(yàn)總共進(jìn)行5次測(cè)量，并且將一些幅值波動(dòng)異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)刪除之后進(jìn)行均值處理。表1為上弦差為50 mm的風(fēng)機(jī)所測(cè)得的流量與靜壓值的關(guān)系表。其中，密度=1.2 kg/m，=1.01×10Pa。

通過表1得知，軸流風(fēng)機(jī)上弦差為50 mm時(shí)，在不同流量下實(shí)際靜壓值與仿真靜壓值的平均誤差百分比為2.29%。同理也可得，上弦差為50 mm時(shí)，靜壓效率的誤差百分比僅為1.78%；上弦差為45 mm時(shí)，靜壓值的誤差百分比為3.46%，靜壓效率的誤差百分比為2.97%；上弦差為55 mm時(shí)，靜壓值的誤差百分比為2.31%，靜壓效率的誤差百分比為3.07%；上弦差為60 mm時(shí)，靜壓值的誤差百分比為4.06%，靜壓效率的誤差百分比為1.89%。

表1 流量與靜壓值關(guān)系表

綜合以上實(shí)驗(yàn)和仿真的數(shù)據(jù)可知，靜壓值與靜壓效率的誤差百分比僅在1.78%～4.06%之間，不僅可以證明SST仿真模型的可靠性，同時(shí)也驗(yàn)證了在臨界值內(nèi)，隨著葉片上弦差的增大對(duì)靜壓值有較好的效果，對(duì)靜壓效率影響不明顯。

6 結(jié)論

本文的研究驗(yàn)證了葉片上弦差值的大小可以改變氣流的攻角，上弦差值越大軸流風(fēng)機(jī)的靜壓性能越好，對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)的性能有較好的促進(jìn)作用，但是若超越一定臨界值，靜壓性能提升不明顯；除此之外，本文研究表明，在某一工況下，軸流風(fēng)機(jī)葉片上弦差值的增大，對(duì)于其靜壓效率的提升并沒有很好的效果，驗(yàn)證了上弦差參數(shù)的調(diào)整僅適用于提升靜壓值。