軸流風機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及內(nèi)部流動特性分析

姜晨龍，朱興業(yè)

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 南京森林警察學(xué)院治安學(xué)院，江蘇 南京 210023)

作為一種通用機械，風機在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用[1].由于中國經(jīng)濟與社會發(fā)展進入大量消耗能源階段，且自身能源又相對貧乏，所以提升能源利用率，支持可再生能源發(fā)展成為當前亟待解決的問題.對比于相應(yīng)性能的離心式風機，便攜軸流式風機具有出風量大、有效風速高等特點[2]，且主要利用汽油機帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，在內(nèi)部形成壓差將空氣吸入風機內(nèi)部整壓加速，形成強力高速空氣射流，可達到滅火或風力清掃作用，如園林、公路上的雜質(zhì)清掃，鐵路軌道的清污，邊境哨所的通行道吹掃等[3].

提高軸流風機運行效率，拓寬運行范圍，對能源利用起著一定促進作用.國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值計算或試驗方法對風機性能做了大量研究[4]，如ANGELINI等[5]基于RANS的數(shù)值模擬方法和立方k-ε低雷諾湍流閉合技術(shù)，采用OpenFOAM開源軟件對電站冷卻設(shè)計的軸流風機進行低噪聲優(yōu)化，數(shù)值模擬驗證了風機的空氣性能，并用于推導(dǎo)葉片與葉片之間的設(shè)計參數(shù)分布.CHAI等[6]為了減少由不均勻氣流分布引起的風機性能變化，采用CFD方法模擬風機內(nèi)部空氣分布和風機出口處的氣流速度分布.張波等[7]以某離心風機為對象，采用正交試驗設(shè)計對葉輪軸向相對位置、蝸殼寬度和隔舌間隙3個因素制定正交表，利用Fluent軟件對各方案進行數(shù)值計算，對風機內(nèi)部流場進行對比分析，為正交設(shè)計的多因素優(yōu)化提供了參考.劉小民等[8]以某吸油煙機為研究對象，通過試驗研究了多翼離心風機葉片出口安裝角對其氣動性能和噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)吸油煙機性能受葉片出口安裝角變化有較大影響.目前學(xué)者們對風機的研究主要聚焦于離心風機結(jié)構(gòu)和性能等方面，對于如何有效、快速提高軸流式風機性能研究仍有所欠缺.

基于此，文中通過改變轉(zhuǎn)子部件的葉片數(shù)，分別設(shè)為8，9，10片，以及改變?nèi)~片的安裝角，分別設(shè)計為55.5°，59.5°和63.5°，采用正交設(shè)計全因子試驗設(shè)計9組模型，基于SSTk-ω湍流模型對其性能曲線進行求解，對比不同風機模型內(nèi)部流動特征及失穩(wěn)機制，通過分析轉(zhuǎn)子部件與導(dǎo)葉間的匹配關(guān)系來研究軸流風機的優(yōu)化方向，研究成果可為優(yōu)化軸流式風機提供一定的理論參考.

1 計算模型及仿真方法

1.1 計算模型

圖1為軸流式風機的幾何裝配模型，其設(shè)計參數(shù)：風量Q=0.14 m3/s，全壓p=310 Pa，轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min，輪轂直徑為86 mm，葉輪外徑為140 mm，葉輪葉片數(shù)為9，輪轂比為0.585，導(dǎo)葉葉片數(shù)為11.正常工作狀態(tài)為標準進氣，輸送介質(zhì)為空氣，標況下密度ρ=1.185 kg/m3.軸流式風機的所有部件包括進口整流器、葉輪、導(dǎo)葉、出口導(dǎo)流器和進出口管，均采用UG軟件進行三維建模，并對其流體域進行適當簡化建模.圖2為軸流風機不同葉片安裝角方案模型.

圖1 軸流風機三維模型

圖2 軸流風機優(yōu)化設(shè)計模型

1.2 網(wǎng)格劃分

運用專業(yè)化網(wǎng)格軟件ICEM對軸流風機進出風筒計算域進行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，采用ANSYS TurboGrid軟件對葉輪及導(dǎo)葉進行單流道網(wǎng)格劃分后，將網(wǎng)格導(dǎo)入ICEM軟件進行全流道網(wǎng)格組合，如圖3所示.為了兼顧計算效率與求解精度，葉輪與導(dǎo)葉的計算域網(wǎng)格劃分更為細致.網(wǎng)格生成采用自動拓撲結(jié)構(gòu)進行劃分，并對近壁面網(wǎng)格進行加密處理，轉(zhuǎn)子葉片表面y+普遍低于100.

圖3 軸流風機網(wǎng)格劃分

在滿足拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點位置不變的條件下，改變網(wǎng)格節(jié)點數(shù)對軸流風機計算域進行網(wǎng)格無關(guān)性分析，如圖4所示.當全局網(wǎng)格數(shù)量N接近245萬時，風機全壓特性變化較小，相對誤差控制在1%以內(nèi)，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求.

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性分析

1.3 湍流模型及邊界條件

將網(wǎng)格劃分完的計算域?qū)階NSYS-CFX18.0進行前處理設(shè)置.根據(jù)軸流風機的運行特性,確定了相應(yīng)邊界條件設(shè)置.介質(zhì)設(shè)置為常溫不可壓縮氣體，并采用SSTk-ω模型求解風機內(nèi)部湍流，Scabale標準壁面函數(shù)求解近壁面流動.進口邊界條件設(shè)為質(zhì)量流量進流，出口邊界條件設(shè)置為自由出流，求解器參考壓力設(shè)為1.01×105Pa.各計算域間采用交界面相連接，進出口管、導(dǎo)葉設(shè)置為靜止域，葉輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，靜止域與旋轉(zhuǎn)域的交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法傳遞計算數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速設(shè)為6 000 r/min.

采用商用軟件CFX對軸流風機進行數(shù)值計算，以時均N-S方程作為基本控制方程，以SSTk-ω雙方程為湍流模型和連續(xù)性方程來使動量方程封閉，采用二階精度迎風格式，以基于微元中心有限體積法空間離散方式，通過壓力速度耦合算法實現(xiàn)壓力速度的耦合求解，計算收斂標準為10-5.

2 試驗驗證

2.1 試驗裝置及方法

如圖5所示，搭建風機試驗裝置來測量原型風機的性能特性曲線，以驗證數(shù)值模擬的可靠性，主要通過試驗測量模型風機的全壓、效率隨流量的變化關(guān)系.試驗臺通過氣體壓力傳感器測量樣機進出口處壓力，通過電動機功率測試儀測出電動機軸功率求得風機效率，具體測量方法參考GB/T 1236—2000《工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗》.

圖5 軸流風機氣動性能試驗裝置示意圖

試驗前，檢查試驗臺氣密性，并將試驗圓孔式平擋阻流板開度調(diào)節(jié)至最大.調(diào)節(jié)電動機變頻器使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在6 000 r/min，通過調(diào)節(jié)阻流板開度控制軸流風機進流量，依次記錄不同風量下風機的性能參數(shù).當出口閥門關(guān)死時，停止電動機，待管路內(nèi)氣體重新穩(wěn)定，重復(fù)上述試驗3次.

2.2 能量性能曲線結(jié)果對比

圖6為樣機的試驗測試結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果的性能特性曲線對比圖.通過外特性試驗值與模擬值對比可以發(fā)現(xiàn)，外特性試驗值與模擬值的變化趨勢較為吻合.試驗值整體低于模擬值，這是由于數(shù)值計算時沒有考慮系統(tǒng)的機械損失和管路沿程損失，小風量下模擬的預(yù)測值更為接近.在設(shè)計點下，數(shù)值模擬的全壓和效率誤差分別為2.9%和2.2%，說明數(shù)值計算的準確度較高.

圖6 樣機的模擬值與試驗值誤差分析

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 軸流風機優(yōu)化結(jié)果分析

圖7為9種不同優(yōu)化模型間的性能特性曲線.

圖7 軸流風機優(yōu)化結(jié)果分析

從圖7中可以明顯看出，葉輪葉片安裝角的改變對軸流風機的性能影響較大.不同模型間性能變化趨勢較為接近，全壓和效率均呈現(xiàn)雙駝峰特征，但是數(shù)值差距較大.小風量下，各個模型間差距體現(xiàn)不大，葉片安裝角為55.5°的模型性能略高；設(shè)計工況點之后，各個模型的性能差距逐漸變大，葉片安裝角為63.5°的模型性能遠遠優(yōu)于其他模型且高效區(qū)較寬；葉片安裝角為55.5°的模型性能最差.其中最優(yōu)模型為8葉片數(shù)、葉片安裝角63.5°的模型.原型軸流風機雖然在小風量下性能較為平穩(wěn)，但是大風量下性能不如最優(yōu)模型.整體上，葉片數(shù)對本模型的性能影響較小，相比10葉片模型性能不佳；葉片安裝角對本模型性能影響較大，尤其在大風量工況下，雖然減小安裝角對小風量工況有一定益處，但是在大風量下性能下降太大，因此建議適當增大葉片安裝角.

表1,2為葉片數(shù)z和葉片安裝角α分別對全壓及效率的方差分析表.從表中可以看出，α對全壓和效率方差分析對應(yīng)的P值均小于0.05，從統(tǒng)計學(xué)角度，α對結(jié)果影響不具有統(tǒng)計學(xué)意義；而z對應(yīng)P值均大于0.05，說明其對結(jié)果影響不具有統(tǒng)計學(xué)意義.由此可見，α相較于z的取值對全壓和效率的影響更加顯著，且進一步證實葉片安裝角對全壓和效率的影響大于葉片數(shù)產(chǎn)生的影響.

表1 方差分析(全壓)

表2 方差分析(效率)

圖8為葉片數(shù)和葉片安裝角對全壓和效率交互作用圖.從圖中可以看出，各子交互圖曲線均未呈現(xiàn)水平狀態(tài)，說明2個因子之間具有一定的相對交互性.兩參數(shù)交互作用對全壓、效率影響大致相同，葉片數(shù)z取低水平，葉片安裝角α取高水平達到最優(yōu)組合.

綜上所述，在本次優(yōu)化設(shè)計方案中，試驗采用葉片數(shù)分別為8,9,10，葉輪葉片安裝角分別為55.5°,59.5°,63.5°共9種不同方案，獲得全部方案下的全壓和效率曲線，基于設(shè)計工況下的全壓和效率數(shù)據(jù)進行葉片數(shù)和葉片安裝角兩因素三水平方差分析和交互作用分析，最終確定葉片數(shù)為8、葉片安裝角63.5°方案為最優(yōu)方案，相較原模型在額定工況點全壓和效率分別提高18.8%，9.8%，達到性能優(yōu)化的目的.

圖8 葉片數(shù)和葉片安裝角交互作用圖

3.2 葉片安裝角對風機性能的影響

為分析變量對風機性能的影響，選取單一變量工況進行內(nèi)流場分析，圖9為額定工況9葉片數(shù)下不同葉片安裝角的壓力變化以及渦形態(tài)分布.

圖9 額定工況下不同葉片安裝角壓力及渦核分布

從圖9可以明顯看出，葉片進口前存在明顯低壓區(qū)，且隨著葉片安裝角的增大，低壓區(qū)域也在逐漸擴大，介質(zhì)流出葉輪后壓力開始增大，而后進入導(dǎo)葉完成動壓轉(zhuǎn)換；葉片安裝角為63.5°時，導(dǎo)葉中的壓力梯度較小，說明安裝角較大時與導(dǎo)葉的匹配性更佳，主要是調(diào)整了葉片安裝角會直接影響出口介質(zhì)流動方向，合適的液流角能夠增加風機內(nèi)部的貫流性，且減弱葉輪域與導(dǎo)葉域交接處的能量損耗，提高風機效率.采用Q準則判據(jù)對流域內(nèi)的渦核分布進行分析，可以看出不同模型間在葉輪區(qū)域都存在葉頂泄漏渦，葉片安裝角的改變對此影響不大，但泄漏渦的發(fā)展對其后流域的影響隨著安裝角的變化存在不同.對于葉輪和導(dǎo)葉匹配性更優(yōu)的模型，泄漏渦引起的葉輪與導(dǎo)葉交界處的擾動更小.

因此可以得出，葉片安裝角對風機性能影響較大，主要是液流角的改變影響葉輪與導(dǎo)葉的匹配性，匹配性較好的模型能有效增強風機貫流性，減輕導(dǎo)葉內(nèi)介質(zhì)與壁面的沖擊損失，同時安裝角的變化改變了葉頂泄漏渦的發(fā)展軌跡，文中模型選取的較大安裝角能夠有效減小葉頂泄漏渦對葉輪和導(dǎo)葉交界處以及導(dǎo)葉中流態(tài)的擾動.

3.3 葉片數(shù)對風機性能的影響

圖10為葉片安裝角63.5°、不同葉片數(shù)方案，葉輪與導(dǎo)葉中截面上流線分布圖.

圖10 不同葉片數(shù)下葉輪和導(dǎo)葉中截面流線分布

由圖10可以看出，不同葉片數(shù)下8葉片方案葉輪中截面上流線分布最為規(guī)律，僅在葉頂間隙存在小部分低速區(qū)域，但流態(tài)相對穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)流動旋渦.9葉片方案在葉輪部分流道內(nèi)出現(xiàn)旋渦，流線最紊亂，流道內(nèi)不穩(wěn)定區(qū)域幾乎占據(jù)靠近葉頂側(cè)一半流道，氣流流動在此區(qū)域產(chǎn)生了嚴重的流動分離.10葉片方案相較于8，9葉片葉輪流道內(nèi)不穩(wěn)定流動更為嚴重，大部分流道出現(xiàn)旋渦，各流道氣流速度相差較大.在流態(tài)較好區(qū)域速度分布規(guī)律，葉根到葉頂方向速度逐漸增大，相反在葉頂附近出現(xiàn)低速區(qū)域.這是因為氣體受到離心力作用，離葉輪旋轉(zhuǎn)中心越遠，受到離心力作用越大，而葉頂附近出現(xiàn)低速區(qū)是葉頂泄漏對氣流運動有一定影響而造成的結(jié)果.

受葉輪葉片數(shù)影響，導(dǎo)葉中截面上流線分布呈現(xiàn)出較大差異.在葉輪9，10葉片方案下，導(dǎo)葉中截面流線在部分流道內(nèi)出現(xiàn)較大范圍的流動雜亂，嚴重影響風機的運行性能.但各方案下，氣流流動在導(dǎo)葉流道內(nèi)也存在著共性：不穩(wěn)定流動區(qū)域均發(fā)生在導(dǎo)葉葉片的壓力側(cè)，且大部分產(chǎn)生于導(dǎo)葉葉片中間位置.

綜上所述，在3個方案中，8葉片對應(yīng)葉輪及導(dǎo)葉中截面流線分布最規(guī)律，流道內(nèi)流動失穩(wěn)區(qū)較少，氣流流動穩(wěn)定，說明葉輪采用8葉片方案葉輪與導(dǎo)葉匹配性能最好.

3.4 不同葉高處流場分析

選擇3個典型的組合方案進行分析，分別是8，9葉片數(shù)以及63.5°，59.5°葉片安裝角.結(jié)合文中分析的安裝角和葉片數(shù)對性能的影響，對其內(nèi)流場進一步分析.圖11為3個組合方案的葉輪流道內(nèi)不同葉高下的速度分布圖.從圖中可以看出葉輪流道內(nèi)徑向速度梯度較為明顯，靠近葉根區(qū)、葉頂區(qū)都存在著低速渦團，各方案中葉頂區(qū)由于泄漏渦的影響，流道內(nèi)失速都較為明顯，其中安裝角為63.5°的方案中，葉片數(shù)的改變對其內(nèi)部流態(tài)影響較大，9葉片數(shù)方案的葉頂區(qū)失速更為嚴重.而同樣9葉片方案，減小葉片安裝角后，如圖11c所示，其葉頂區(qū)域流態(tài)又有所改善，與8葉片63.5°方案接近，但整體流速略有降低.

綜上，葉片安裝角的改變影響液流角，直接影響葉輪流道內(nèi)介質(zhì)的流動，而葉片數(shù)的改變會對部分區(qū)域的流動穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.

圖11 不同葉高下葉輪截面速度云圖

3.5 葉輪葉片湍動能分析

由文中分析可知，葉片數(shù)8、葉片安裝角63.5°為最優(yōu)組合方案.對該方案不同工況下葉輪葉片不同葉高位置處湍動能沿流線分布情況進行分析，并與原始方案進行對比，研究優(yōu)化后湍動能產(chǎn)生的具體變化.湍動能是度量速度波動劇烈程度的一個物理量，其大小與速度波動呈正比關(guān)系，湍動能越大造成的損失也越大[9-11].

圖12為優(yōu)化前后湍動能TKE在0.05span，0.50span，0.95span這3個葉高下湍動能沿流線分布曲線圖.

圖12 葉輪葉片不同葉高下湍動能分布

對優(yōu)化后模型基于不同工況角度進行分析，在0.05span位置各工況湍動能變化曲線基本一致，未發(fā)生明顯變化；在0.95span位置湍動能變化相對劇烈.說明通風量大小對葉片葉根處湍流流動影響較小，對靠近葉頂區(qū)的流動影響較大.從不同葉高位置分析，1.0Q工況和1.2Q工況對應(yīng)曲線規(guī)律相似，隨著相對葉高增大，湍動能呈現(xiàn)增大的趨勢，即湍動能從小到大依次為0.05span，0.50span，0.95span.從整體可以看出，湍動能在葉片進口處最大，但隨即發(fā)生驟降.可能是氣體剛接觸旋轉(zhuǎn)葉輪時，葉輪和來流之間較強的干涉作用產(chǎn)生劇烈波動，造成湍動能值較大，隨著氣體進入葉輪流道，氣體受到離心力的作用而規(guī)律變化，湍動能沿流線最先呈現(xiàn)一個最值，緊接著發(fā)生驟降.相對于原始模型不同工況下湍動能的變化，優(yōu)化模型湍動能值相對較小，且曲線波動程度更低.優(yōu)化前模型湍動能曲線在葉片進口沿流線存在一個先下降再上升再下降的趨勢，而優(yōu)化后模型湍動能曲線均呈現(xiàn)下降趨勢，說明優(yōu)化后葉輪葉片內(nèi)能量損失減少，提高了能源利用率.

4 結(jié) 論

1) 軸流式風機的葉片安裝角對其性能影響較大，適當增加葉片安裝角能夠大幅提升風機在大風量下的運行性能,而轉(zhuǎn)子葉片數(shù)對其影響相對較弱.

2) 葉片安裝角的改變影響著轉(zhuǎn)子區(qū)域葉頂泄漏渦的發(fā)展過程，過小的葉片安裝角加劇了葉頂處流動分離，擾亂動靜交界處的流態(tài)，影響氣流順利流入導(dǎo)葉，進一步減弱了葉輪與導(dǎo)葉的適配性.

3) 湍動能在葉輪葉片葉根到葉頂方向分布呈現(xiàn)增大趨勢，葉頂泄漏造成葉頂區(qū)速度變化劇烈，損失增大；葉輪進口處湍動能遠高于流線上其他區(qū)域.在葉輪葉片進口稍后處，優(yōu)化模型湍動能減小，能量損失降低，說明減少葉片數(shù)，增大葉片安裝角在一定程度上能減少旋轉(zhuǎn)葉片上能量損失.

4) 通過對軸流式風機葉輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，得到最優(yōu)方案為葉片數(shù)8，葉片安裝角63.5°.方案對相似軸流風機設(shè)計提供一定的參考依據(jù).