葉片扭轉角度對微型離心風機性能的影響

張楠楨,唐　豪

(南京航空航天大學 能源與動力學院，南京　210016)

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葉片扭轉角度對微型離心風機性能的影響

張楠楨,唐豪

(南京航空航天大學 能源與動力學院，南京210016)

利用CFD技術，研究了不同扭轉角度下葉輪對風機整體氣動性能的影響。研究發現：葉片扭轉角度的變化對微型離心風機有明顯影響，扭葉片能使壓力面和吸力面的壓力沿葉高呈C型分布，減小流動損失，安裝扭葉片的風機整體效率高于安裝直葉片的風機。在對不同方向角度扭轉葉片的對比中，正角度的扭葉片可以得到負的壓力梯度，葉片表面的邊界層不再向葉片根部堆積，將葉片根部的附面層驅至主流區，避免了附面層的堆積和分離，降低了端部的損失，從而提高了風機整體的風壓，把更多的機械能轉化成壓力能。

離心風機；扭葉片；CFD數值研究；氣動性能；壓力分布

隨著計算機性能的不斷提升，CPU等核心部件的散熱問題成為制約電子設備性能發展的一個重要因素。離心式風機在電子設備的散熱過程中起決定性作用。因此，提升離心式風機氣動的性能成為目前研究微型電子設備散熱問題的重點。由于微型軸流風扇的氣動負荷較低，按傳統的大、中型風機扭葉片方法進行設計，其氣動性能改善效果并不明顯，這大大制約了扭葉片技術在微型風扇上的應用。因此，市場上常見的微型風扇葉片造型往往是以“降噪”為目的，而“扭葉片”的設計實例尚不多見[1]。

“葉片徑向扭曲”[2]是一種有效的改善風扇氣動性的方法，這在眾多高負荷的大、中型風機與壓縮機設計實踐中已被證實。微型軸流風扇是近年隨著計算機等電子設備的興起而得到廣泛應用的，對其氣動性能的研究剛剛起步。由于離心式葉輪風機的內部流動極其復雜，通常存在較強的逆壓力梯度和黏性分離，并時常伴隨回流和二次流等復雜的三維湍流[3]，在流體機械的研究中很難通過實驗和理論手段對其內部流場進行深入研究。近年來，隨著CFD技術的發展，數值模擬成了研究離心式葉輪風機的重要手段。數值模擬可以在相對經濟的條件下對復雜的流動情況進行較好的捕捉和預測，目前已成為國內外對離心式葉輪機械研究的重要方法。

1　設計計算方法

假設微型風扇中氣流是理想、不可壓縮、沿圓柱面流動的,且進入葉輪時流動均勻、無旋流。在扭葉片設計中,對單級葉輪,其出口周向速度分量沿葉高的分布用式(1)來控制[4]:

(1)

式中，指數α為變環量指數,其取值范圍一般為[-1,1]。

微型風扇出口流速的軸向分量與周向分量沿葉高的分布完全由變環量指數α確定,且兩者相互對應:即一個C2u確定唯一的C2z,因此只要給定C2z沿葉高的分布規律，即可確定葉片出口安裝角沿葉高的分布規律[5]。影響絕對速度分量和安裝角的重要因素是變環量指數，而變環量指數的取值是根據直葉片扭轉角度不同來確定。由于葉片的變環量指數并不是扭葉片中一個直觀的變化參數，故本文致力于研究扭葉片角度的變化對風機氣動性能的影響。

本文采用的直葉片是某型號風機上的葉片，葉片數量為90。根據扭轉方向的不同規定了扭轉角度的正負：與轉速方向同向扭轉為負角度，與轉速方向逆向扭轉為正角度，如圖1、2所示。

圖1　正角度扭轉葉片

圖2　負角度扭轉葉片

2　數值計算過程

流場計算在商用CFD軟件Numeca上完成。湍流模型選用標準的Baldwin-Lomax代數模型。為了加快收斂速度,計算中采用了“當地時間步長”、“隱式殘差光順”、“多重網格”等加速收斂技術[5]。

整個計算在具有周期性的單個葉道內進行,給出了葉頂間隙。網格采用H-I型,整個計算域網格總數在70萬以上。在葉片近壁面、葉柵端壁、頭尾緣等流動復雜區域對網格進行了局部加密以提高這些區域內解的分辨率，達到了網格法向量綱一尺寸y+=2。邊界條件設定如下：

進口：給定初始總壓與氣流方向(軸向進氣)。

出口：給定流量。

葉片表面與內、外端壁：采用無滑移邊界條件。

葉柵前后延伸段的交接面：采用周期性條件。

收斂標準：整體殘差下降至-4以上；進出口質量流量相差0.5%以上。

3　扭葉片氣動性能的分析

3.1扭轉角度對風機整體效率的影響

通過對不同扭轉角度的扭葉片的數值計算，得到在相同初始壓力和出口流量情況下扭轉角度和風機進出口壓比、整機效率以及輸出功率之間的變化關系。

從圖3中可以看到：不管朝哪個方向扭轉，風機整體效率都有所提高，安裝直葉片的風機整體效率在38%左右；采用扭轉葉片之后，效率普遍在39%以上，最高可達40.3%左右，提高了2個百分點。在一定范圍內，無論扭轉角度的正負，扭葉片的效率都隨著扭轉角度的增加而增加。盡管在計算范圍 (-15°～15°) 內，較大的扭轉角度出現了效率下降的情況，但整體效率依然大于安裝直葉片的風機。

從理論分析的角度來說，這是作用在葉片表面的氣流在徑向的分力不為0的結果。徑向平衡方程[6]為

(2)

式(2)中，等式右邊的第1項為離心項，在普通葉片中，其他3項相對于離心項階次很低，因此決定了等式整體為正值，徑向壓力梯度大于0，此時沿葉片表面的邊界層的徑向二次流[7]總是從葉片的頂部流向葉片根部。沿吸力面的徑向二次流與流道下壁面上的橫向二次流匯合，使邊界層加厚。在正壓力梯度的作用下，邊界層還有可能產生分離，所以，直葉片間的損失迅速增加。

根據等環量理論[8]，直葉片在扭轉角度相同的情況下，負向扭轉和正向扭轉所產生的變環量指數基本是相同的，所以，正負兩種角度的扭葉片對風機整體效率的提升也基本相等。采用扭葉片時，氣流在葉片上的徑向分力與離心項在同一量級，葉片在扭轉一定的角度后，可以得到符號為負的徑向分力，使等式整體變為負值，從而得到負的壓力梯度項。在負壓力梯度作用下，葉片表面的邊界層不再向葉片根部堆積，而被吸入到流道中，和主流一起出葉道。因此，葉片扭轉利用葉片力的徑向分量使葉柵流道內靜壓重新分布,合適的扭轉角能使根部壓力梯度為負,將葉片根部的附面層驅至主流區,避免了附面層的堆積和分離,降低了端部的損失(見圖4)。

從安裝角的層面來說，對于確定的工況，葉片進出口的速度三角形是確定的，對于額定設計轉速，離心風機一定存在一個最佳的安裝角。但在實際運行中，必然會出現變工況的運行，在外界因素達不到額定轉速的情況下，離心風機的運行效果就會受到影響。扭轉葉片實際上起的效果是擴大了最佳安裝角的范圍，葉片沿葉高方向上的某個截面能獲得較好的進氣條件，使葉片在更多的情況下都能達到一個比較好的流動狀態。

圖3　扭轉角度與風機整體效率關系曲線

圖4　兩種葉片表面等壓力線

3.2扭轉角度對風機壓比效率的影響

從圖5中可以看到：整個壓比的曲線從左到右整體呈現增長趨勢，風機整機的進出口壓比隨著扭轉角度從負角度到正角度逐漸增大。安裝直葉片的風機進出口壓比約為1.013，風壓約為1.317 kPa。安裝負扭轉角度葉片的風機所能提供的壓升小于1.317 kPa，而安裝正角度葉片的風機所能提供的壓升大于1.317 kPa，最高可以到達1.823 kPa。與效率曲線不同的是，在提升出口壓力方面，負扭轉角度扭葉片不如直葉片，而正角度扭葉片依然比直葉片有更好的增壓能力。同樣，當正扭轉角度大于某一數值時，壓比也開始下降。

圖5　扭轉角度與風機壓比關系曲線

對于正向扭轉的葉片，葉柵流道內沿葉高方向呈現“C”型壓力分布[9-10]，這種現象可以解釋在流體擴壓階段有效地降低能量損失的原因。葉片經過扭轉后，葉頂截面和葉根截面與下壁面產生不同的夾角，兩處的壓力梯度有所不同，通過安裝角度的設置可以使葉頂處的壓力梯度為正，葉根處的壓力梯度為負，將流道中部的附面層吸入主流區域帶走，達到降低兩端損失的效果。只有在邊界層分離情況比較嚴重的時候，正向扭轉才會起到相反的效果。而對于反向扭轉的葉片，葉柵流道內呈現反“C”型的壓力分布，雖然低能流體也被吸入葉片中部的主流區，但這部分流體增大了流體分離微團的數量，加強了分離效果，離心風機整體的總壓并沒有增加。所以，從增壓的角度來看，葉片正向扭轉的效果要好于反向扭轉。

在扭轉角度對風壓的影響中，根據速度三角形理論可知：

(3)

(4)

(5)

當葉輪幾何尺寸、轉速、流量一定時，揚程的大小僅取決于葉片出口安裝角β。當采用直葉片時，葉片的安裝角大于90°，為前彎式葉片。如圖6所示，當葉片扭轉角度為正角度時，葉片沿葉高方向的安裝角逐漸增大。因為β>90°，cotβ為負值，β越大，cotβ就越小，揚程則越大，所以整體的風壓就會上升。同理，當葉片扭轉角度為負角度時，葉片沿葉高方向的安裝角逐漸減小，揚程則會減小，所以，整體的風壓隨著扭轉角度由負到正呈現增長趨勢。但是并非出口安裝角越大，葉片所能提供的揚程就越大，出口角β存在著最大值，使得流體從葉輪獲得的能量達到最大。較大的扭轉角度會使葉片沖角過大，流體流動方向不能沿葉片設計的方向射入，造成攻角過大，引起局部失速現象，使彎曲靜葉的下游流場變壞，從而導致喘振裕度降低[11]，這也是為什么當扭轉角度在15°時壓比出現大幅下降的原因。

圖6　出口安裝角速度三角形

4　直葉片三維扭轉與二維葉型優化的比較

由于微小型風機葉輪在加工工藝方面存在著諸多不便，所以在對葉輪葉型優化的過程中需要考慮優化的收益性。和三維葉片扭轉設計相比，二維葉型由圖7(a)優化為圖7(b)所示，沿葉高方向依然采用直葉片，但葉型由原來較為簡單的形狀優化為翼型，使得流體在流動上更加合理。顯然，葉片在二維截面進行優化在加工工藝上存在著優勢，將二維葉型優化和三維扭轉葉片進行比較，可以得知扭轉葉片在風機性能上提升的效果更好。

圖7　二維葉片優化前后葉型對比

圖8分別描繪了二維葉型優化和三維葉型優化的工況曲線。圖8(a)為2種優化方法的流量-效率曲線。從工況曲線中可以看到：在低流量下，二維優化的效率高于三維優化，但是低流量意味著散熱量較小，溫差不大，散熱離心風機并不在其設計工況范圍內工作，在實際應用過程中發生的情況比較少。而當流量達到0.008 kg/s時，散熱離心風機在設計工況下工作，三維扭轉葉片的效率隨流量的增加逐漸高于二維優化的葉片，兩者都在0.025 kg/s附近時達到效率峰值，之后開始下降。流量在0.014～0.026 kg/s時，風機整體效率在效率峰值的85%以上，稱為經濟工況區。在經濟工況區內，三維扭轉葉片的效率明顯高于二維優化葉片。

葉片的二維形狀決定了其沿葉片表面邊界層的徑向二次流總是從葉片的頂部流向葉片根部。沿吸力面的徑向二次流與流道下壁面上的橫向二次流匯合，在葉根處形成堆積，使邊界層加厚，所以葉片截面沿葉高方向越靠近葉根，尾緣處的靜壓越大，速度越小，引起流動不暢，速度在葉根處損失增多。葉片扭轉能使葉片沿葉高形成“C”型壓力分布，有效避免分離現象發生。在風機內部，與二維流線型葉片設計相比，三維扭轉葉片減少分離對流動的影響更為突出。

圖8　2種優化的工況曲線

二維優化的葉型是在原型風機葉型的基礎上，針對葉片前緣和尾緣進氣效果差的缺點進行優化。在葉片尾緣處的圓弧半徑縮小之后，原本在尾緣處存在的類似圓柱繞流的現象消失了，流動分離情況大大改善。由于葉片的形狀從原型風機的等厚雙圓弧葉片變為不等厚雙圓弧葉片，使得葉片兩側吸力面和壓力面幾何曲線的曲率不相等，流體在葉道內流動寬度出現先減小后增大的過程，相當于漸縮漸擴管的流動狀況，因此，在葉道中部出現了靜壓減小的區域。減縮漸擴流道的形成，有利于流體加速增壓過程的實現，增強了葉輪的旋轉吸力，使離心風機整體的流量得到提升。但是，由于葉片整體的形狀及其他幾何因素沒有改變，這種葉片依然存在一些不合理的情況。在葉片流道內，吸力面一側受到氣流的沖擊，附近氣流速度損失大，靜壓較低；而壓力面一側的流體相對速度較快，靜壓較高，因此，在流道內形成了明顯的壓力分界線，葉片受到的沖擊損失比較大，對葉片的效率產生不利影響。

在圖8(b)中，三維優化葉片的流量-壓比工況曲線的收益效果更加明顯。從圖中可以看出：壓比隨流量的增大而減小，由于流體黏性的影響，摩擦和渦流損失隨流量的平方增加，故流量越大，壓比越接近1，揚程就越來越小。在可計算的工況范圍內，三維扭轉葉片的揚程均高于二維優化的葉片。根據本文的分析，二維葉片的出口安裝角沿葉高方向不變，整個葉片的揚程是確定的，而三維扭轉葉片的出口安裝角隨葉高增加而增加，所以，三維葉片的揚程增量大于二維葉片。圖8中三維扭轉葉片的揚程曲線在二維優化葉片之上。

5　結論

1) 在微型離心風機中，葉片扭轉改善了葉柵流道內的壓力梯度，減少了低能流體在葉根處的堆積，扭葉片的扭轉角度無論正負都能提高風機的整體效率，絕對值相同的正角度扭葉片和負角度扭葉片效率基本相同。

2) 在微型離心風機中，正角度扭葉片能使流體在葉柵流道內形成“C”型壓力分布，降低邊界層分離出現的概率，提高風機的出口壓力；而負角度扭葉片形成的反“C”型壓力分布使流體在葉柵兩端的損失增大、負角度扭葉片的風壓小于直葉片。從提高風壓的角度來說，正角度扭葉片的效果好于負角度扭葉片。

3) 在微小型離心風機中，內部空間狹小使葉片扭轉對流動有明顯影響。葉型二維優化難以驅散聚集在葉根處的流體。葉片三維扭轉的效率比二維葉型的優化效果更好，也能提高風機整體的壓比。

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(責任編輯陳艷)

Research on Angle of Twisted Blade of to the Performance of Micro Centrifugal Fan

ZHANG Nan-zhen, TANG Hao

(College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

This paper studied the effect of centrifugal impeller to dynamic performance under different twisted angle by using the CFD technology. Through the study it was found that the change of twisted angle of blade has significant effect on micro centrifugal fan, and the twisted blade urges the pressure and suction side along the blade height shown “C” type distribution, reducing the loss of flow. The efficiency of micro centrifugal fan with twisted blade is higher than the fan with straight one. Comparing the twisted angle of blade to different orientation, it has shown that the positive twisted angle can make the pressure gradient at the root of blade negative, driving the boundary layer of the blade at the root into the mainstream which avoids accumulation and separation of boundary layer, transforming more mechanical energy to pressure energy and enhancing the performance of micro centrifugal fan.

centrifugal blower；twisted blade；CFD numerical investigation；aerodynamic performance；pressure distribution

2016-02-22

張楠楨(1991—)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事風機散熱、葉輪機械的流動數值研究，E-mail:jsnldznz@163.com。

format：ZHANG Nan-zhen, TANG Hao.Research on Angle of Twisted Blade of to the Performance of Micro Centrifugal Fan[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):49-54.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.008

TS737+1

A

1674-8425(2016)09-0049-06

引用格式：張楠楨,唐豪.葉片扭轉角度對微型離心風機性能的影響[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(9):49-54.