葉根前緣VG對(duì)微型軸流風(fēng)扇性能的影響

許浩東， 賽慶毅， 辛旭超， 劉 勇， 吳林泉

1.上海理工大學(xué)，上海 200093 2.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽(yáng) 550008

1 引 言

微型軸流風(fēng)扇廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，扮演著通風(fēng)散熱的重要角色，其氣動(dòng)性的優(yōu)劣將在很大程度上決定著風(fēng)扇的使用壽命。為提高葉輪的氣動(dòng)性能，研究人員進(jìn)行葉輪設(shè)計(jì)之時(shí)，在關(guān)注葉輪主要幾何特征(如葉片安裝角、翼型及葉片厚度等)的同時(shí)，仍需注意對(duì)葉輪中主要?dú)鈩?dòng)損失位置(如葉頂間隙及葉根角區(qū)[1]等)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為提高葉輪的氣動(dòng)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)葉頂間隙及葉根角區(qū)位置，進(jìn)行了大量的研究。

葉頂間隙位置由于泄露流的存在，惡化了葉頂區(qū)域流場(chǎng)，使得葉輪氣動(dòng)效率下降。Whitcomb在1976年提出采用翼梢小翼，可阻擋機(jī)翼下表面到上表面的繞流，減少阻力提高飛行性能[2]?；谝砩倚∫碓O(shè)計(jì)理論，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者將其應(yīng)用到葉輪機(jī)械上，來(lái)控制葉頂間隙中的二次流。Corsin等[3]通過(guò)在葉片頂部添加端板使得葉輪的效率有所提高。劉剛等[4]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)葉片頂部帶有融合式葉尖小翼結(jié)構(gòu)的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明合適的葉尖小翼結(jié)構(gòu)將風(fēng)機(jī)的靜壓效率提升1.1%。為探究葉頂形狀對(duì)葉輪氣動(dòng)性能的影響，Nho等[5]對(duì)11種葉頂形狀進(jìn)行研究，結(jié)果表明沿壓力面開(kāi)槽的葉尖要比平面葉尖的總壓損失系數(shù)要小。

在葉輪葉根角區(qū)位置，上游來(lái)流端壁邊界層在葉片前緣滯止分離，進(jìn)而形成二次流[6-7]。而改變?nèi)~片前緣的幾何結(jié)構(gòu)將會(huì)有效地降低二次流的強(qiáng)度，減小二次流所引起的損失。Reuttr等[8]對(duì)葉片前緣進(jìn)行倒角處理，研究發(fā)現(xiàn)采用適宜的倒角參數(shù)，優(yōu)化過(guò)的端壁形狀改變近端壁區(qū)域二次流的流動(dòng)情況，降低拐角損失，同時(shí)在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)降低了高達(dá)16%的總壓力損失。Mahmood等[9]采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了葉片前緣造型控制葉片通道中二次流發(fā)展的可能性。通過(guò)改變位于前緣和端壁連接處的圓角造型，在雷諾數(shù)為233 000的低速平面葉柵中測(cè)試了4種不同類型的圓角輪廓。瞬時(shí)煙流模式的圖像顯示出沿前緣圓角的較小馬蹄形渦流，在通道中，圓角導(dǎo)致通道渦流更靠近吸力面。而渦流發(fā)生器也可用于控制葉根角區(qū)流場(chǎng)，對(duì)葉根處的流場(chǎng)進(jìn)行再分配。郭正濤等[10]提出利通道前緣小葉片的方式去控制高負(fù)荷壓氣機(jī)靜葉角區(qū)的分離情況。結(jié)果表明:對(duì)于小葉片的幾何安裝位置存在最優(yōu)的范圍，在合適的安裝角時(shí)小葉片可減少角區(qū)分離損失和尾跡損失，阻礙馬蹄渦壓力面分支發(fā)展,減緩葉柵前緣附近橫向二次流。張立等[11]為了減小風(fēng)扇輪轂處不利流動(dòng)情況的影響，改善風(fēng)扇氣動(dòng)性能，采用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)的方法研究了葉根中空對(duì)小型軸流風(fēng)扇性能的影響。數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改型風(fēng)機(jī)的靜壓與基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)的靜壓基本相同，而改型風(fēng)機(jī)的效率曲線與基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)的趨勢(shì)不同。改進(jìn)后的風(fēng)扇最高效率比基準(zhǔn)風(fēng)扇高10%。吳文軍等[12]研究了不同倒角模型對(duì)小型軸流風(fēng)扇靜特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用1/3倒角結(jié)構(gòu)的時(shí)候，風(fēng)扇的靜壓和效率得到了提升。

針對(duì)風(fēng)扇內(nèi)部葉頂間隙和葉根角區(qū)這兩個(gè)主要?dú)鈩?dòng)損失的位置，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都將目光投向這兩個(gè)區(qū)域。其中對(duì)于葉頂間隙，研究人員已經(jīng)找到可以有效減少葉頂間隙中二次流損失的方法，其中具有代表性的有葉尖小翼和葉頂開(kāi)槽；對(duì)葉輪葉根角區(qū)，常見(jiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要是葉根倒角，也有學(xué)者提出葉根中空的手段，但此方法對(duì)大輪轂比葉輪的適用性有待確定。目前針對(duì)微型軸流風(fēng)扇葉根角區(qū)優(yōu)化的研究較少且手段比較單一，提出一種在葉片前緣葉根處設(shè)置渦流發(fā)生器的新型流動(dòng)控制方法，可以為微型軸流風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新的思路。

2 數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)裝置

2.1 研究對(duì)象幾何參數(shù)

以加載C4翼型的微型軸流風(fēng)扇為原型，該風(fēng)扇葉根、葉中以及葉頂處的弦長(zhǎng)(b)，分別為34 mm、37 mm和39 mm。機(jī)匣中支撐架個(gè)數(shù)為2，支撐架圓柱截面直徑4 mm，圖1為葉輪模型，葉輪采用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工，所使用的打印材料為光敏樹(shù)脂。表1為原型風(fēng)扇基本參數(shù)。

圖1 原型葉輪模型

表1 原型風(fēng)扇基本參數(shù)

所提出的這種渦流發(fā)生器(Vortex Generator,VG)結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，工程上可行性較高。該結(jié)構(gòu)布置在葉片前緣壓力面葉根處，用于決定其幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)有VG高度H、VG厚度W、VG長(zhǎng)度L以及安裝角度α。關(guān)于參數(shù)H的確定，通過(guò)對(duì)原型葉輪數(shù)值模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在位于0.15倍葉高以下的區(qū)域，葉輪流道內(nèi)的流場(chǎng)出現(xiàn)惡化，為改善該區(qū)域的流動(dòng)情況，同時(shí)不會(huì)給其他葉高位置流場(chǎng)帶來(lái)不利的影響，取H為0.15倍的葉高1.65 mm；由于主要探究VG的安裝角度α對(duì)葉根角區(qū)流場(chǎng)的影響，通過(guò)數(shù)組的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在固定其他約束條件不變的情況下，當(dāng)參數(shù)L為2.5 mm時(shí)效果較為明顯，故取L為2.5 mm；為了后期加工的可行性，取參數(shù)W為0.2 mm。為獲得風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能隨α變化的趨勢(shì)，分別對(duì)α為0°、15°和30°共3個(gè)方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。圖2給出了VG的幾何結(jié)構(gòu)、位置圖。圖3為原型及3種VG結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 渦流發(fā)生器幾何參數(shù)

(a) 原型(b) VG1

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

使用FlUENT軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。采用多域方法處理計(jì)算域，整個(gè)計(jì)算域被劃分成4個(gè)計(jì)算子域，分別入口延長(zhǎng)段、葉輪、支架以及出口延長(zhǎng)段，為了保證進(jìn)、出口氣流均勻穩(wěn)定，進(jìn)出口段均延長(zhǎng)3倍的管道當(dāng)量長(zhǎng)度。數(shù)值計(jì)算采用多參考系(MRF)方法，各子域進(jìn)行獨(dú)立求解，各子域流場(chǎng)信息通過(guò)interface面進(jìn)行交互。考慮到該軸流風(fēng)扇壓頭低、流量小，可認(rèn)為其內(nèi)部氣體為不可壓流體，給定速度入口及自由出口邊界條件，固體壁面為無(wú)滑移壁面條件。

在ICEM中對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，入口延長(zhǎng)段和出口延長(zhǎng)段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉輪、支架區(qū)域均采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在葉頂間隙、葉片尾緣和葉根處等重要位置對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定葉輪區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)約為406萬(wàn)， 總體計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)約為891萬(wàn),網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

選用Standardk-ε湍流模型，葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)速5 000 rpm,葉輪葉片及輪轂部分設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面條件，相對(duì)于運(yùn)動(dòng)參考系靜止，壓力修正采用 SIMPLEC算法，動(dòng)量方程、湍流耗散方程等均使用二階迎風(fēng)離散格式，當(dāng)求解的控制方程的殘差小于 10-4時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。分別模擬入口流量(qv)為1.2qvs、1.1qvs、1.0qvs、0.9qvs和0.8qvs共5個(gè)工況。

2.3 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

所研究軸流風(fēng)扇全壓不高，僅僅依靠風(fēng)扇自身的做功能力來(lái)克服風(fēng)洞系統(tǒng)的阻力從而達(dá)到相對(duì)較大流量工況是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，故須使用具有可變排氣系統(tǒng)的風(fēng)洞測(cè)試臺(tái)。風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)所使用試驗(yàn)臺(tái)嚴(yán)格按照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)》設(shè)計(jì)搭建。風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試過(guò)程中所使用的主要設(shè)備有：智能壓力變送器、數(shù)顯儀表、溫濕度傳感器、激光測(cè)速儀、直流電源以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。整個(gè)風(fēng)室測(cè)試裝置系統(tǒng)流量測(cè)試精度可以控制在1.5%以內(nèi)，壓力測(cè)試精度可以控制在0.5%以內(nèi)。圖5為可變排氣系統(tǒng)風(fēng)洞測(cè)試臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。

1-待測(cè)風(fēng)機(jī)；2-輔助風(fēng)機(jī)；3-整流裝置；4-噴嘴；5-測(cè)壓孔圖5 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試臺(tái)Fig.5 Test rig of fan performance

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)原型風(fēng)扇進(jìn)行打樣測(cè)試。圖6給出了原型風(fēng)扇試驗(yàn)值同數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖，可以看出采用數(shù)值計(jì)算的方法可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出風(fēng)扇的氣動(dòng)性能，表明網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目合適，邊界條件設(shè)置合理。在設(shè)計(jì)工況時(shí)數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差最小，相對(duì)誤差約為2.1%，在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，相對(duì)誤差有所增加。在0.8～1.2qvs流量范圍內(nèi)，相對(duì)誤差可以控制在3.2%以內(nèi)，滿足工程計(jì)算要求。

圖6 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

3 結(jié)果分析

3.1 氣動(dòng)性能分析

圖7給出了原型以及3種安裝不同VG葉輪的靜壓流量曲線圖。在0.8～1.2qvs流量范圍內(nèi)，渦流發(fā)生器對(duì)風(fēng)機(jī)靜壓有較為明顯的影響。3種結(jié)構(gòu)中VG1對(duì)風(fēng)機(jī)靜壓提升起副作用，隨著流量的增加，風(fēng)機(jī)靜壓下降的幅度也隨之增大，其中在1.2qvs時(shí)，安裝VG1的葉輪較原型葉輪相比，靜壓降低了3 Pa，降幅達(dá)9%；從圖中不難發(fā)現(xiàn)采用VG3對(duì)葉輪的靜特性影響較小，葉輪靜壓沒(méi)有出現(xiàn)顯著的變化；相較于前面兩款渦流發(fā)生器，VG2表現(xiàn)突出，添加VG2后的葉輪，其葉輪做功能力得到了提升，并且隨著流量的增加，風(fēng)機(jī)性能提升程度也隨之增加。在0.8qvs時(shí)，風(fēng)機(jī)靜壓提高了4.2 Pa,增幅為3%，而在1.2qvs時(shí)，風(fēng)機(jī)靜壓提高了5.7 Pa，增幅為8.2%。

圖7 靜壓曲線

圖8為原型以及3種安裝不同VG葉輪的靜壓效率曲線。VG1增大了葉輪內(nèi)部的流動(dòng)損失，使得風(fēng)機(jī)的靜壓效率下降，在0.8～1.2qvs流量區(qū)間內(nèi)，風(fēng)機(jī)靜壓效率下降了1.2%～3%；VG3對(duì)提升風(fēng)機(jī)效率有著積極的作用，最多可提升1.3%；VG2可較大幅度提高風(fēng)機(jī)靜壓效率，在0.8～1.2qvs流量區(qū)間內(nèi)，靜壓效率可以提高2%～2.8%。

圖8 靜壓效率曲線

為進(jìn)一步確定渦流發(fā)生器對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性的影響，采用3D打印技術(shù)加工裝有VG2的葉輪，并進(jìn)行性能測(cè)試。圖9為兩個(gè)葉輪的氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，安裝VG2的葉輪在主要工作區(qū)間內(nèi)可以提高葉輪的靜壓與靜壓效率。在設(shè)計(jì)工況時(shí)，靜壓增加了1.5 Pa，相較原型提高了2.8%；靜壓效率提高了2%。在0.8～1.2qvs流量區(qū)間內(nèi)，葉輪靜壓最多增加了3 Pa，相較原型提高了8%；靜壓效率最多提升2.4%，這與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果較為一致。綜上，渦流發(fā)生器的角度α對(duì)葉輪的氣動(dòng)性能影響較大，采用合適的安裝角可以提高風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，針對(duì)該款葉輪，當(dāng)渦流發(fā)生器的安裝角為15°時(shí)，可以較為明顯地提升葉輪的氣動(dòng)性能。

圖9 風(fēng)機(jī)性能曲線

3.2 內(nèi)部流場(chǎng)分析

在對(duì)改型后的葉輪進(jìn)行流場(chǎng)分析之前，有必要對(duì)原型葉輪內(nèi)部流場(chǎng)有個(gè)具體的認(rèn)識(shí)。圖10為原型葉輪在設(shè)計(jì)工況下，不同葉高處葉輪內(nèi)部流線圖?？梢钥闯鲈?.25～0.75倍葉高區(qū)間內(nèi)，葉輪內(nèi)部氣流受到約束，氣流未出現(xiàn)明顯的分離，此時(shí)葉輪內(nèi)部氣動(dòng)損失較?。坏?.15倍葉高處，在靠近葉片前緣壓力面附近的近端壁區(qū)域流場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)惡化，區(qū)域流場(chǎng)的惡化勢(shì)必會(huì)影響下游流場(chǎng)，給葉輪帶來(lái)氣動(dòng)損失致使葉輪效率下降。

圖10 原型葉輪不同葉高處流線圖

圖11為0.1倍葉高各個(gè)葉輪內(nèi)部流線圖?？梢钥闯鲈趬毫?cè)馬蹄渦(HPV)及周向壓力梯度的共同作用下產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致葉輪上游流道靠近葉片壓力面附近的流場(chǎng)出現(xiàn)惡化，并且將持續(xù)影響下游靠近壓力面附近的流場(chǎng)。安裝VG的意義在于利用VG產(chǎn)生誘導(dǎo)渦同HPV進(jìn)行摻混，削弱其渦流強(qiáng)度，以減輕通道渦對(duì)流道的惡化程度。安裝VG1的葉輪葉根處VG誘導(dǎo)出強(qiáng)度較高的渦流，誘導(dǎo)渦位于VG與葉片壓力之間的位置，不過(guò)并未明顯改善流場(chǎng)的流動(dòng)情況，反而由于誘導(dǎo)渦的強(qiáng)度較高，增加了葉根處的損失，這一點(diǎn)可以由圖12的湍動(dòng)能云圖可以看出，相比于原型葉輪，帶有VG1的葉輪在靠近葉片前緣壓力面角區(qū)位置的湍動(dòng)能較高，意味著氣動(dòng)損失變大；加裝VG2后的葉輪，上游流道中的渦流強(qiáng)度減弱，同時(shí)下游流道的流場(chǎng)也得到了改善，在其湍動(dòng)能云圖中可以發(fā)現(xiàn)流道中低湍動(dòng)能區(qū)增加，尤其在靠近葉片壓力面附近，這是風(fēng)機(jī)效率提高的主要原因；VG3可能由于安裝角度過(guò)小，無(wú)法產(chǎn)生一定強(qiáng)度的誘導(dǎo)渦，對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響并不顯著。綜上分析，針對(duì)這種形式的渦流發(fā)生器安裝角的大小對(duì)其性能影響較大。

圖11 0.1倍葉高處流線圖

圖12 0.1倍葉高湍動(dòng)能圖

圖13為葉輪內(nèi)部三維流線及渦量圖，渦量云圖位于流道中間位置。圖中流線為葉片流道中的通道渦(PV)結(jié)構(gòu)圖，由HPV與壓力面葉根角區(qū)低動(dòng)量氣流相匯形成。通道渦進(jìn)一步的發(fā)展將會(huì)不斷地卷吸流道中流體，使得流道中的氣流變得更加復(fù)雜無(wú)序惡化葉輪內(nèi)部流場(chǎng)，帶來(lái)二次流損失。而由于渦流發(fā)生器的存在，其誘導(dǎo)出的渦流與馬蹄渦壓力面?zhèn)确种нM(jìn)行摻混，削弱了馬蹄渦的強(qiáng)度，進(jìn)而減緩了由其參與并發(fā)展出的通道渦的渦流強(qiáng)度，降低氣流能量的耗散。從渦量云圖可以看出，相比于其他3個(gè)葉輪，其中安裝VG1的葉輪其流道中間位置的通道渦強(qiáng)度較高，VG1并未產(chǎn)生削弱PV的效果；VG3對(duì)降低PV的強(qiáng)度有著積極的作用，但效果不明顯；安裝VG2的葉輪，流道中間位置的高強(qiáng)度渦區(qū)域縮小，通道渦受到了一定程度的抑制，在某種程度上可以減少葉輪內(nèi)部的二次流損失。表現(xiàn)在宏觀上就是風(fēng)扇的壓力、效率得到提升，這與試驗(yàn)數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的趨勢(shì)一致。

圖13 渦量流線圖

4 結(jié) 論

對(duì)安裝不同結(jié)構(gòu)渦流發(fā)生器的葉輪，進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析，得到主要結(jié)論如下：

(1) 在葉輪前緣壓力面?zhèn)冉菂^(qū)位置安裝渦流發(fā)生器，采用數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)的方法研究對(duì)比了3種不同結(jié)構(gòu)渦流發(fā)生器對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能的影響，重點(diǎn)研究了渦流發(fā)生器的安裝角度的變化對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在保證其他幾何參數(shù)不變的前提下，當(dāng)渦流發(fā)生器安裝角度為15度時(shí)可提高葉輪的氣動(dòng)性能，靜壓最多可提高8%，靜壓效率最多提升2.4%。

(2) 在安裝渦流發(fā)生器后，葉輪內(nèi)部渦系結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。由渦流發(fā)生器所產(chǎn)生的誘導(dǎo)渦會(huì)同葉片壓力面?zhèn)锐R蹄渦分支進(jìn)行摻混，此時(shí)位于葉輪葉片前緣端壁角區(qū)壓力側(cè)馬蹄渦分支還處于初始發(fā)展的狀態(tài)，在此位置對(duì)其進(jìn)行摻混可以削弱馬蹄渦的強(qiáng)度，同時(shí)在一定程度上可以抑制由馬蹄渦參與所演變成的通道渦的發(fā)展，減緩?fù)ǖ罍u對(duì)葉輪流道內(nèi)流體的卷吸作用，降低流道內(nèi)由端壁二次流及通道渦所引起的損失。

(3) 在該軸流風(fēng)扇穩(wěn)定工作范圍內(nèi)，渦流發(fā)生器存在一個(gè)可以改善風(fēng)扇氣動(dòng)性能的最佳安裝角度α。針對(duì)所研究的葉輪，當(dāng)α為15°時(shí)，將會(huì)顯著提高葉輪的氣動(dòng)性能。當(dāng)安裝角度與葉輪工作狀態(tài)不是最優(yōu)匹配時(shí)，性能提升效果不明顯，甚至還會(huì)起到消極作用，惡化流道的流動(dòng)情況，降低風(fēng)扇的氣動(dòng)性能。

(4) 對(duì)于大輪轂比微型軸流風(fēng)扇，由通道渦而引起的二次流損失在葉輪內(nèi)部所有氣動(dòng)損失中所占比例不容忽視。在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，應(yīng)給予葉根端壁處的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)足夠的重視。