幅流風機葉輪參數(shù)對內流特性的影響研究

刁 雷，李慧林，趙 京，王銘昭

（1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025；2.貴州航航科技有限公司，貴陽 550025）

0 引言

幅流風機廣泛應用于軌道交通客車領域，用于改善車廂氣流，實現(xiàn)風速動態(tài)化。葉輪是幅流風機重要的送風部件，其設計理論有待進一步討論，風機舒適性能、送風性能和噪聲特性是研究重點。幅流風機葉輪結構對整機的性能產生重大的影響。張強［1］結合CFD 技術對貫流風機葉輪參數(shù)進行了優(yōu)化。2005 年Govardhan 等［2］通過對不同葉片角度及半徑比進行對比研究，得出一定葉片數(shù)量不同葉片角時的性能并進一步得出了最優(yōu)葉片角度。2011 年龐佑霞等［3］對貫流風機結構參數(shù)正交設計進行了組合研究，提出了參數(shù)組合最優(yōu)的研究方法。舒朝暉等［4］對貫流風機參數(shù)通過二維穩(wěn)態(tài)模擬探討了葉輪前后緣半徑葉片傾角以及彎度角3 個葉片參數(shù)對流場和性能的 影響。

在貫流風機研究的基礎上，鮮有人結合彎度和葉片厚度作為研究對象。前人主要對幅流風機自主驗展開討論［5-7］，鮮有幅流風機葉輪參數(shù)深入研究。研究幅流風機葉輪參數(shù)對出口風量的影響，旨在討論葉輪不同參數(shù)的最優(yōu)參數(shù)及組合，探析風機復雜的內流機理，從內流理論上尋求風機最優(yōu)送風效率。

1 風機模型及參數(shù)理論

1.1 風機模型

幅流風機主要由葉輪、風罩、集風器、擺動機構和支架組成。建立單軸風機，其結構如圖1所示。葉片呈等距分布，葉輪主要特征參數(shù)見表1。

圖1 幅流風機簡化結構Fig.1 Simplified structure of disturbance flow fan

表1 葉輪特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of impeller

1.2 基本理論

McNally 在NASA 報告中提出雙圓弧設計理論，通過葉型圓弧中心線與弦長及彎度配合，葉型表面均是圓弧與前緣小圓及后緣小圓相切，且滿足最大厚度，相對定位。串列葉柵理論［10］雙圓弧葉型串列葉片一節(jié)中，修正了雙圓弧中弧線是圓弧的錯誤觀點，論證了雙圓弧中弧線為橢圓。其雙圓弧設計理論解決了葉片設計形位參數(shù)的確定、葉片參數(shù)定位困難的問題。如圖2（b）所示，應用其雙圓弧葉型設計準則于幅流風機設計中。根據(jù)其修正的計算方法有：

式中 Pe——葉輪功率，W；

Psh——軸功率，W。

圖2 葉片截面示意Fig.2 Schematic diagram of the blade section

2 數(shù)值計算方法

2.1 網格劃分

葉輪外緣速度為5.95 m/s，馬赫數(shù)Me＜0.02，以葉片弦長為特征長度的雷諾數(shù)Re=4 227。因此流場為不可壓縮湍流模型。葉片扭曲角為5°，需建立三維模型穩(wěn)態(tài)仿真。

如圖3 所示，計算域結構網格劃分，旋轉域非結構網格劃分，加密葉輪近壁面網格，保證數(shù)值計算的有效性和準確性。如圖4 所示，對網格模型進行無關性驗證，最終確定全局網格413 萬。流體域A，旋轉域B 網格數(shù)分別約為119 萬，294 萬。進口如圖3（b）3 個面為進口面，延長出口，避免回流對計算結果產生影響。

圖3 幅流風機計算模型Fig.3 Calculation model of disturbance flow fan

圖4 網格無關性驗證Fig.4 Grid independence verification

2.2 FLUENT 邊界條件

對內部流場數(shù)值計算，控制方程為基于節(jié)點的格林-高斯，湍流計算選用Realizable k-ε， 近壁方程采用標準壁面，壓力速度耦合選用SIMPLEC，壓力采用PRESTO!，其他方程采用二階迎風格式。分別設置壓力進出口，設置表壓為0，即一個標準大氣壓。圖3（b）中面1，2，3，4 設置為交界面；其他邊界均設置為wall；采用Framc Motion 模型設定旋轉域轉速。

3 模擬結果分析

3.1 模型可行性驗證

為驗證模型可行性，對原模型進行不同轉速下的數(shù)值模擬，對比企業(yè)提供的不同轉速幅流風機風速測試數(shù)據(jù)。如圖5 所示，仿真結果高于實際測試2%～3%。這是由于風罩部分輕量化（半遮蓋）后，進口流流體域較大，部分渦流從風罩進口端流出。仿真限制了風機進口流體域，故仿真值高于測試值。

圖5 幅流風機不同轉速出口風速測試仿真對比Fig.5 Simulation and comparison of outlet wind speeds of disturbance flow fan at different speeds

3.2 彎度角的影響

模擬原型葉輪出口風量對比該測試點數(shù)據(jù)誤差為2%。模擬不同彎度角葉輪，不同條件的性能參數(shù)變化如圖6 所示。

圖6 不同彎度角參數(shù)性能Fig.6 Performance of different camber angle parameters

在圖6 中當葉片彎度角α=80°時，相對原葉輪風量提升了4.3%。風量隨彎度角減小先減小后增大。彎度角α ＞80°時，全壓效率隨彎度角α增大總體趨勢呈振蕩，α ＜80°時，全壓效率隨彎度角α減小而減小。葉輪效率隨α增大呈線性增大。由上可知，出口風量提升的主要原因是葉輪效率提升。全壓效率大于29.78%，葉輪做功使全壓效率提升。風機風抗是當葉輪做功時，處于靜止的狀態(tài)氣流在剪切力作用下連續(xù)發(fā)生變形，氣流產生流動，流體內部產生抗剪切變形，從宏觀的角度，氣流阻礙葉輪做功，即克服流體層摩擦力等產生的抗性。風機風抗取決于靜壓大小。取x-y 平面分析。圖7 示出了4 組彎度角的靜壓-速度流線圖。隨彎度角增大，靜壓減小，風抗減小，動壓增大，風量增大。低速區(qū)域主要在進口及偏心渦附近。葉尖處靜壓隨彎度角增大而增大，說明葉尖端處風抗較大，使得偏心渦逐漸靠近葉輪軸心，產生較小回流，大部分空氣由出口排出，其余繞渦心流動，形成回流。而α=99.93°時，風罩左側風抗過大導致氣流減少。α=80°時從速度云圖分析葉尖下部氣流緊貼左側風罩流出，回流較少。當因此存在一個彎度角使回流盡可能的小。考慮葉輪效率及風量，取彎度角α=80°最佳。

圖7 不同彎度角靜壓-速度云圖Fig. 7 Static pressure velocity nephogram at different camber angles

3.3 厚度的影響

保持彎度角α=80°研究厚度的影響。不同條件的性能參數(shù)變化如圖8 所示。

圖8 不同厚度參數(shù)性能Fig.8 Performance of blades with different thickness parameters

由圖8 中風機性能參數(shù)隨葉片厚度增大線性遞減，流動損失過大。T=0.2 mm 時，相對于原型風機風量提升了18%。隨著葉片厚度減小流量增大主要得益于全壓效率增大，即葉輪做功的增加。T=0.8 mm 時產生的波動，是葉片厚度局部最優(yōu)參數(shù)。可見葉片厚度為幅流風機敏感參數(shù)。設風機葉片厚度與風機風量函數(shù)Q=p1T+p2，由Matlab 擬合函數(shù)得：

由此得出葉片厚度與此風機的風量初步預測模型。

由圖9 中葉輪上方靜壓整體相近，葉片厚度增大，右側及左上方風罩部分靜壓逐漸增大，左上方的風抗決定了更多氣流順著左側流道流下，右側風抗增大，阻止了回流，進入出口流道的流線密度更大。一般渦心越接近風罩，出口回流越小，風機流量趨于增大而渦心負壓與風機風量變化趨勢相同，渦心的負壓變化也是幅流風機風量變化的原因之一。

圖9 不同厚度時靜壓-速度云圖Fig.9 Static pressure velocity nephogram with different thicknesses

3.4 端部圓半徑R 的影響

不同R 時渦量-靜壓云圖如圖10 所示。

圖10 不同R 渦量-靜壓云圖Fig.10 Nephogram of different R vorticity static pressure

取T=0.8 mm，圖10 中，左側入口處葉片的渦量隨R 的增大而較少，溢出渦量減少，更多渦量進入流道，致風量增大。另一方面，流體繞過葉片后緣尖點流動到葉背，在葉片后緣產生高速流動，壓力很低，流體由葉片尾緣流向吸力面時形成很大逆壓梯度，使邊界層分離，形成起動渦不斷向下脫落形成氣流流出。隨著R 增大，葉片吸力面附著渦增加，起動渦脫落加速，尾渦減少表示抑制邊界層分離嚴重及逆壓梯度滯留少，流動阻力及損失減少。這是氣流二次貫穿葉輪流量增大，風量增大的主要原因。同時右側風罩風機靜壓等級逐漸增大，風抗增大，即隨R 增大，進口流阻力減少，出口右側流阻增大，增大進流，減少回流。因此存在一個R 使得出口風量最佳。R=0.3 mm 時，吸，壓力面彎度角接近80°，相對原風機風量增大了12.09%。實際生產中，葉片端部設計可適當減少R，增大風量。

4 結論

（1）葉片彎度角一定程度決定了風機風抗，風量隨彎度角減小先減小后增大。

（2）葉片厚度減小抑制風機回流，風機性能參數(shù)隨葉片厚度增大線性遞減。

（3）部分減少葉片端部圓半徑R，更多氣流參與二次貫穿葉片。R=0.3 mm 葉型性能最優(yōu)。