基于周向渦量的農(nóng)用通風(fēng)機(jī)葉片表面凹槽分析

李 妥 劉志偉 孔維雙 施正香 丁 濤

(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.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)后勤基建處，北京 100081； 4.農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100083)

在現(xiàn)代化溫室和畜禽舍農(nóng)業(yè)設(shè)施中，農(nóng)用風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)溫室和畜禽舍內(nèi)外空氣交換，改善溫室和畜禽舍內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量。我國農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)能效約為20%～40%，與美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)相比，效率普遍偏低。因此，使用技術(shù)手段提高農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和能效是解決問題的有效途徑，其中仿生結(jié)構(gòu)在葉輪機(jī)械上的應(yīng)用逐漸增加。

已有研究發(fā)現(xiàn)，仿生軸流通風(fēng)機(jī)葉頂渦流相對原型機(jī)減少，葉頂速度遞變減緩，具有較好的增壓效果，溝槽對于平板減阻效果較好。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)葉片的光滑程度對性能也是有影響的，非光滑葉片的不同溝槽尺寸會(huì)改變風(fēng)扇的氣動(dòng)性能，順葉片表面流向布置的細(xì)小條狀結(jié)構(gòu)會(huì)改變湍流壁面的雷諾應(yīng)力，減小壁面的摩擦阻力。對溝槽平板減阻進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到近壁面區(qū)域流體的速度分布，并取得了較好的減阻效果，由于后半部分容易產(chǎn)生邊界層的分離，因而阻力減小較多。流態(tài)分析的過程中引入導(dǎo)數(shù)矩理論，建立了流場特征變量與渦量之間的關(guān)系。應(yīng)用周向渦量分析方法對流場進(jìn)行了診斷和分析，并以此優(yōu)化了壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)。目前適用于我國的畜禽舍農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少，國內(nèi)風(fēng)機(jī)廠家的風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)大多依靠經(jīng)驗(yàn)和模仿國外先進(jìn)的葉片優(yōu)化技術(shù)。

本研究基于一款MODEL YJD90S-4鍍鋅鐵皮農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)，擬采用風(fēng)室試驗(yàn)、逆向建模、CFD數(shù)值模擬、引入周向渦量分析法，在原型風(fēng)機(jī)葉片模型基礎(chǔ)上進(jìn)行凹槽參數(shù)化建模，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對比分析凹槽葉片對風(fēng)機(jī)性能的影響，以期為國內(nèi)農(nóng)用風(fēng)機(jī)廠家提供一定的優(yōu)化路線，同時(shí)達(dá)到提高農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量和能效比的目的。

1 數(shù)值模擬

1.1 原型風(fēng)機(jī)及測試平臺

本研究選取的研究對象原型為MODEL YJD90S-4鍍鋅鐵皮軸流農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)(圖1)，基本參數(shù)為：6葉不銹鋼葉片，葉輪直徑127 cm，外形尺寸138 cm×138 cm，8扇百葉，百葉窗尺寸130 cm×130 cm，電動(dòng)機(jī)額定功率1.1 kW。

1.鍍鋅鐵皮機(jī)匣；2.輪轂；3.百葉窗；4.不銹鋼葉片 1.Galvanized iron sheet casing; 2.Wheel hub; 3. Shutter; 4.Stainless steel blade圖1 原型風(fēng)機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Entity of prototype fan

為獲得原型風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行原型風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)測試。通風(fēng)設(shè)備性能測試裝置(圖2)的最大風(fēng)量為60 000 m/h，額定功率為37 kW，采用變頻直流方式對變頻輔助風(fēng)機(jī)進(jìn)行30～1 500 r/min的調(diào)速。測試平臺包括：變頻輔助風(fēng)機(jī)、整流網(wǎng)、噴嘴、畢托管及待測風(fēng)機(jī)。其中，變頻輔助風(fēng)機(jī)用來形成風(fēng)速條件；整流金屬網(wǎng)可以使待測風(fēng)機(jī)入口的氣流更平穩(wěn)，消除因氣壓調(diào)節(jié)而造成的氣流不平穩(wěn)的問題；壁面噴嘴可以提高氣流速度；傾斜畢托管微壓力計(jì)連接在噴嘴前后，測量空氣的流量和靜壓差。其建造和使用風(fēng)室均符合國家及國際標(biāo)準(zhǔn)，測試參數(shù)包括：風(fēng)機(jī)各工況下的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、能效比等。

1.變頻輔助風(fēng)機(jī)；2.整流網(wǎng)；3.噴嘴；4.畢托管；5.待測風(fēng)機(jī) 1.Frequency conversion auxiliary fan; 2.Rectifying the net; 3.Nozzles; 4.Pitot; 5.Fan to be tested圖2 通風(fēng)設(shè)備性能測試裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ventilation equipment performance test device

1.2 原型風(fēng)機(jī)建模及凹槽方案

本研究選取的原型風(fēng)機(jī)葉片為三維空間扭曲葉片，其物理模型較為復(fù)雜，所以采用逆向工程技術(shù)建模方法，使用便攜式激光掃描儀，對原型風(fēng)機(jī)葉片實(shí)體進(jìn)行掃描，結(jié)合商業(yè)NX 12.0建模軟件，建立原型風(fēng)機(jī)葉片物理模型(圖3)。

圖3 原型風(fēng)機(jī)葉片正視圖(a)、側(cè)視圖(b)及單個(gè)葉片(c)物理模型Fig.3 Front view (a), side view (b), single blade (c) physical models of prototype fan blade

原型風(fēng)機(jī)的葉輪材質(zhì)為不銹鋼，加工方式為不銹鋼沖壓成型，因此設(shè)計(jì)原型風(fēng)機(jī)葉輪上的凹槽，需要考慮不銹鋼材質(zhì)特性和沖壓加工工藝。凹槽布置在葉片模型表面，凹槽的沖壓方向?yàn)樽匀~片壓力面至葉片吸力面；單凹槽布置時(shí)，凹槽與葉片前緣和后緣的交點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)中心的距離分別定義為

R

和

R

；凹槽設(shè)計(jì)為圓弧，半徑為

R

；凹槽的沖壓寬度為沖壓模具寬度，定義為

D

，以上參數(shù)即可確定凹槽的位置及形狀。多個(gè)凹槽布置時(shí)，凹槽與25%

h

處葉片前緣和后緣的交點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)中心的距離分別定義為

R

和

R

，凹槽與75%

h

處葉片前緣和后緣交點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)中心的距離分別定義為

R

和

R

，進(jìn)行葉片參數(shù)化建模，葉片凹槽幾何參數(shù)示意見圖4。

R1 和R2分別為凹槽與葉片前緣和后緣的交點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)中心的距離；R為凹槽設(shè)計(jì)圓弧半徑；D為凹槽寬度。表1同。 R1 and R2 are respectively the distance between the intersection point of the groove and the leading edge and the trailing edge of the blade and the rotation center; R is the radius of the groove design arc; D is the width of the groove.Table 1 is the same.圖4 葉片凹槽幾何參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of geometrical parameterization of blade grooves

本研究分別以凹槽寬度

D

=6、8、10、12 mm，

R

分別為25%

h

、50%

h

和75%

h

(

h

為葉高，全文同)，開單槽、雙槽3個(gè)因素進(jìn)行排列組合，制定了24種開槽方案，對所有方案進(jìn)行數(shù)值模擬并進(jìn)行周向渦量分析篩選得出最優(yōu)的3種凹槽方案，參數(shù)見表1。

1.3 計(jì)算域邊界條件設(shè)置

將密閉風(fēng)室測試平臺畢托管靜壓測量點(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274 cm×274 cm。風(fēng)機(jī)模型為三維掃描重構(gòu)的幾何模型，省略了電動(dòng)機(jī)、膠帶輪和支撐架等結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)出口接550 cm×550 cm×550 cm的開放域。風(fēng)機(jī)外框被導(dǎo)流罩的豎直壁面分割為前后2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。

數(shù)值模擬的計(jì)算域邊界條件設(shè)置為：進(jìn)口與性能試驗(yàn)測試進(jìn)口靜壓相對應(yīng)；出口為0 Pa自由出口；壁面條件為無滑移壁面；轉(zhuǎn)速與性能試驗(yàn)測試轉(zhuǎn)速相對應(yīng)。

表1 3種設(shè)計(jì)方案葉片凹槽幾何參數(shù)

Table 1 Geometrical parameters of blade groove in three design schemes mm

方案SchemeR1R2RR3R4D1144.7334.4158——102480.8508.1476——103144.7334.4158480.8508.110

注：和分別為開雙槽時(shí)，凹槽與75%處葉片前緣和后緣的交點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)中心的距離。

Note: and are the distance from the center of rotation between the intersection of the groove and the leading edge and trailing edge of the blade at 75% when double grooves are opened.

1.4 網(wǎng)格劃分

原型風(fēng)機(jī)模型網(wǎng)格劃分采用商業(yè)ICEM CFD 軟件進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在確保數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果精確程度的前提下，以節(jié)省計(jì)算資源和減小計(jì)算規(guī)模為原則，對計(jì)算域模型進(jìn)行分區(qū)域、分尺度精準(zhǔn)劃分，對于影響風(fēng)機(jī)性能最為關(guān)鍵的計(jì)算域葉輪部分，進(jìn)行局部加密處理提升其周圍流域網(wǎng)格質(zhì)量(圖5)。

本研究選取總網(wǎng)格數(shù)分別約為410萬、704萬、912萬和1 180萬共4套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。計(jì)算得到進(jìn)口靜壓為-29.4 Pa時(shí)的原型風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別為37 504、38 309、38 568和38 687 m/h，相鄰兩組的相對誤差分別為2.15%、0.68%和0.31%。綜合考慮各因素，選擇704萬網(wǎng)格數(shù)的網(wǎng)格劃分結(jié)果，計(jì)算域各部分網(wǎng)格數(shù)：進(jìn)口域51萬，旋轉(zhuǎn)域439萬，出口域214萬。

圖5 整體計(jì)算域(a)、葉輪(b)和凹槽葉片(c)的網(wǎng)格劃分Fig.5 Meshes of whole domain (a), impeller (b) and fluted blade (c)

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RNG k-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，RNG k-ε湍流模型采用解析式計(jì)算湍動(dòng)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(shí)在湍流耗散率

ε

的輸運(yùn)方程中加入耗散能修正項(xiàng)

R

有利于對卡門常數(shù)的估算。動(dòng)量方程對流項(xiàng)和湍流輸運(yùn)方程對流項(xiàng)采用二階精度格式，求解殘差達(dá)到10量級且趨于穩(wěn)定時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 模擬及試驗(yàn)結(jié)果對比

在農(nóng)用風(fēng)機(jī)領(lǐng)域，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)。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，計(jì)算公式為：

(1)

式中：

q

為風(fēng)量，m/h；

p

為電機(jī)輸入功率，W。

原型風(fēng)機(jī)的模擬風(fēng)量與試驗(yàn)臺測試結(jié)果見圖6(a)：7個(gè)工況點(diǎn)的風(fēng)量誤差為3.86%～0.04%，平均誤差1.5%。模擬風(fēng)量與試驗(yàn)風(fēng)量的相對誤差較為穩(wěn)定，2條曲線的趨勢較為一致。由于風(fēng)機(jī)傳動(dòng)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(dòng)機(jī)輸入功率得到，而數(shù)值模擬只能得到葉輪軸功率。為了使數(shù)據(jù)更有可比性，將數(shù)值模擬中的葉輪軸功率修正到電機(jī)輸入功率，其中電動(dòng)機(jī)效率取規(guī)定的二級能效限定值取84.1%，普通V型膠帶傳動(dòng)效率取89%，主膠帶輪的軸承效率取94%。對比原型風(fēng)機(jī)能效比模擬值與試驗(yàn)值(圖6(b))可見，7個(gè)工況點(diǎn)的能效比模擬相對誤差為0.33%～7.06%，平均誤差3.08%。模擬能效比和試驗(yàn)?zāi)苄П认鄬φ`差較為穩(wěn)定，2條曲線的趨勢較為一致。

圖6 原型風(fēng)機(jī)風(fēng)量(a)和能效比(b)的模擬值與試驗(yàn)值Fig.6 Simulation and test values of air volume (a) and energy efficiency ratio (b) of prototype fan

與原型風(fēng)機(jī)相比3種方案風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化量和通風(fēng)能效相對變化見圖7。可以看出，隨著進(jìn)口靜壓的由0增大到29.4 Pa，風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化的趨勢為先增加后降低；在農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)常用工作進(jìn)口靜壓19.6 Pa的工況下，3種方案的風(fēng)機(jī)風(fēng)量相對原型風(fēng)機(jī)都有提高，采用

D

=10 mm、

R

=75%

h

、開單槽(方案2)時(shí)的風(fēng)機(jī)流量提高最為明顯，約為90 m/h。3種方案下的風(fēng)機(jī)能效比均有所提高，變化趨勢為隨著進(jìn)口靜壓的增加，能效比的相對提高幅度變小；當(dāng)進(jìn)口靜壓為19.6 Pa時(shí)，3種方案的能效比相對原型風(fēng)機(jī)都有所提高，采用

D

=10 mm、

R

=75%

h

、開單槽(方案2)時(shí)的通風(fēng)能效提高最明顯，約為3.2%。

方案1、2、3具體參數(shù)見表1。 Scheme1,2 and 3 are shown inTable 1.圖7 與原型風(fēng)機(jī)相比3種方案風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化量(a)和能效比的相對變化量(b)Fig.7 Compared with the prototype fan, the variation of air volume (a) and the relative variation of energy efficiency ratio (b) of the three schemes

2.2 葉片凹槽對風(fēng)機(jī)流場特性影響

2

.

2

.

1

周向渦量分析法

流體機(jī)械性能與旋渦的生成與發(fā)展密切關(guān)聯(lián)，因此控制邊界渦量流在葉片表面的分布，即可達(dá)到改善流體機(jī)械性能的效果。周向渦量分析方法建立風(fēng)機(jī)性能參數(shù)與渦量參數(shù)的直接數(shù)學(xué)物理關(guān)系，直觀定位影響風(fēng)機(jī)性能的根源。

農(nóng)用通風(fēng)機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速通常較高，風(fēng)機(jī)葉片表面會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的旋渦，產(chǎn)生的部分旋渦對于風(fēng)機(jī)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)做負(fù)功。基于渦動(dòng)力學(xué)的局部動(dòng)力學(xué)分析方法分析風(fēng)機(jī)葉片表面渦量流的分布規(guī)律，找到做負(fù)功渦量流分布比較集中的區(qū)域，以此定位對風(fēng)機(jī)總壓增益阻礙和影響的動(dòng)力學(xué)根源。調(diào)整和改善該區(qū)域風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)，改善負(fù)周向渦量分布，提高風(fēng)機(jī)效率。農(nóng)用通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，氣體從風(fēng)機(jī)進(jìn)口到風(fēng)機(jī)出口的過程中，風(fēng)機(jī)葉片對氣體做有用功，即為總壓流，總壓流的表達(dá)式如下：

Z

=

p

u

(2)

式中：

Z

為總壓流，m/s；

p

為氣體全壓，Pa；

u

為風(fēng)機(jī)軸向速度，m/s。假定

w

是風(fēng)機(jī)工作流道內(nèi)任一截面，總壓流在

w

截面的積分可以表示為：

(3)

式中：為總壓流增益，即風(fēng)機(jī)流道內(nèi)流體沿程增壓與做功的變化過程，m/s。對式(3)進(jìn)行分部積分，則有：

(4)

式中：

r

為徑向距離；

θ

為方位角，(°)；

u

為徑向速度，m/s；

w

為周向渦量，s，表達(dá)式為：式(4)中，起主要作用的是周向渦量

w

是影響風(fēng)機(jī)性能的主要因素，將計(jì)算所得的圓柱坐標(biāo)系下的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，便可得到直角坐標(biāo)下的周向渦量

w

。分別將和進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，結(jié)果如下：

(5)

式中：

u

、

u

、

u

分別為直角坐標(biāo)系下

X

、

Y

、

Z

軸方向上的速度，m/s。

(6)

整理式(6)得到周向渦量

w

在直角坐標(biāo)系下的表達(dá)式：

(7)

將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Tecplot，帶入式(7)并對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，便可以得到周向渦量分布云圖。

2

.

2

.

2

葉片軸向

Z

截面周向渦量分析葉片軸向截面(圖8)定義如下：以原型風(fēng)機(jī)計(jì)算域模型的旋轉(zhuǎn)軸為

Z

軸，氣體流動(dòng)方向?yàn)?p>Z

軸正方向，從原型風(fēng)機(jī)葉輪輪轂所在的直角坐標(biāo)系原點(diǎn)開始，沿

Z

軸正方向每10 mm垂直于

Z

軸取葉片截面，

Z

=0 mm處的截面定義為

Z

截面，

Z

=10 mm處的截面定義為

Z

截面，以此類推。為增加總壓流，從周向渦量分布上，大的正周向渦量應(yīng)盡量靠近葉尖(機(jī)匣)以增大其對總壓流的正貢獻(xiàn)，而大的負(fù)周向渦量應(yīng)盡量靠近葉根(輪轂)，以減小其對總壓流的負(fù)貢獻(xiàn)。

1.葉片；2.截面 1. Blade; 2. The cross section圖8 葉片軸向Z截面示意圖Fig.8 Schematic diagram of axial Z-section of blade

農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)的常用進(jìn)口工作靜壓為20 Pa，選取進(jìn)口靜壓為19.6 Pa時(shí)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，分析原型風(fēng)機(jī)與3種開槽方案在該工況下的不同

Z

截面周向渦量分布。選取3種方案的

Z

、

Z

、

Z

截面的周向渦量分布云圖與原型進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?圖9)。

區(qū)域1、區(qū)域2分別定義為靠近葉頂處和葉根處的負(fù)周向渦量聚集區(qū)域?？梢钥闯?，原型風(fēng)機(jī)區(qū)域1的負(fù)周向渦量主要分布在葉片表面，區(qū)域2的負(fù)周向渦量主要聚集在葉根，距離葉片有一定距離；方案1葉根開槽，阻止了負(fù)周向渦量聚集區(qū)向葉根的移動(dòng)，對總壓流增益起到了負(fù)作用。方案2葉頂開槽，阻止了負(fù)周向渦量向葉頂?shù)囊苿?dòng)，對于總壓增益起到了正作用，有利于提升風(fēng)機(jī)整體性能，與原型風(fēng)機(jī)相比區(qū)域2的負(fù)周向渦量有向下移動(dòng)的趨勢，說明負(fù)周向渦量向葉根部聚集；可以看出方案3與原型風(fēng)機(jī)相比區(qū)域1有凹槽的出現(xiàn)阻止了負(fù)周向渦量向葉頂移動(dòng)，減小了負(fù)增益，區(qū)域2的負(fù)周向渦量聚集區(qū)，因?yàn)榘疾鄣某霈F(xiàn)，阻止了渦量聚集區(qū)向葉根的移動(dòng)，對總壓流增益起到了負(fù)作用，使得該方案并不能明顯提升性能。故從負(fù)周向渦量分布來看方案2為較優(yōu)開槽方案。

2

.

2

.

3

周向渦量3D映射圖分析為了更直觀的觀察周向渦量變化，選取原型風(fēng)機(jī)葉片和方案2葉片的

Z

截面進(jìn)行周向渦量3D映射圖(圖10)分析。可以看出，葉片壓力面正周向渦量在葉頂和輪轂處聚集，有小部分正周向渦量在輪轂和70%

h

附近；葉片吸力面負(fù)周向渦量在70%

h

處有聚集，大部分負(fù)周向渦量聚集在葉片根部附近。葉片頂部開槽后，壓力面分布的正周向渦量向葉片頂部和輪轂處聚攏，吸力面分布在70%

h

處的負(fù)周向渦量向葉片根部移動(dòng)，葉片根部附近的負(fù)周向渦量呈現(xiàn)出收攏的現(xiàn)象，負(fù)周向渦量向葉片根部聚集以減小其對總壓流的負(fù)貢獻(xiàn)。

1.區(qū)域1，靠近葉頂處的負(fù)周向渦量聚集區(qū)域；2.區(qū)域2，靠近葉根處的負(fù)周向渦量聚集區(qū)域。 1.Region 1 is defined as the negative circumferential vorticity gathering region near the blade tip; 2.Region 2 is defined as the negative circumferential vorticity gathering region near the blade root.圖9 軸向Z0、Z3和Z6截面軸向渦量圖Fig.9 Axial vorticity diagrams of Z0， Z3 and Z6 sections

X、Y為葉片的空間坐標(biāo)軸。 X and Y are the spatial coordinate axes of the blade.圖10 原型風(fēng)機(jī)葉片(a)與方案2葉片(b)周向渦量3D映射圖Fig.10 3D mapping of circumferential vorticity of prototype fan blade (a) and blade (b) of scheme 2

3 結(jié) 論

本研究以MODEL YJD90S-4鍍鋅鐵皮軸流農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)為原型，采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對原型風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行凹槽參數(shù)化建模，采用周向渦量分析法，對比分析了凹槽葉片對風(fēng)機(jī)性能的影響規(guī)律，以及葉片表面周向渦量分布情況，主要結(jié)論如下：

1)使用三維激光掃描和逆向建模建造的原型風(fēng)機(jī)物理模型，其數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果能夠很好的與原型風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)測試結(jié)果吻合，表明逆向建模技術(shù)能夠運(yùn)用于農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)研究。

2)在農(nóng)用軸流風(fēng)機(jī)常用的19.6 Pa進(jìn)口靜壓工況下，3種方案的風(fēng)機(jī)流量和能效比相對原型風(fēng)機(jī)都有提高，其中采用

D

=10 mm、

R

=75%

h

、開單槽(方案2)時(shí)提高最為明顯，風(fēng)量約提高了90 m/h，能效比約提高了3.2%。3)分析周向渦量3D映射發(fā)現(xiàn)，采用

D

=10 mm、

R

=75%

h

、開單槽(方案2)時(shí)輪轂處的正周向渦量向葉頂處移動(dòng)，正周向渦量向葉片頂部聚集，增加其對總壓流的正貢獻(xiàn)，使分布在70%

h

處的負(fù)周向渦量向葉片根部移動(dòng)，葉片根部附近的負(fù)周向渦量呈現(xiàn)出收攏的現(xiàn)象，負(fù)周向渦量向葉片根部聚集以減小其對總壓流的負(fù)貢獻(xiàn)。