軸流風扇葉頂溝槽對間隙流動控制機理研究

胡小文，李景銀，聞蘇平，胡斯特

（1.美的集團 中央研究院，廣東佛山 528311；2.西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049）

0 引言

軸流風扇廣泛應用于空調、冰箱和汽車等民用領域及工業應用領域。由于葉頂間隙的存在，壓力面和吸力面兩側在葉頂的壓差導致風扇葉頂存在泄漏流動。對于間隙較大的民用風扇，葉頂泄漏流是最重要的氣動損失源之一，并具有高度三維特性和非定常特性。而且，葉頂泄漏渦的產生、發展和破碎導致了較強的渦流噪聲，也是透平機械系統噪聲產生主要的來源之一［1-4］。

國外學者對葉輪機械葉頂泄漏渦的控制發展了多種方法，對葉頂結構進行處理是近些年的研究熱點，葉頂小翼是其中的熱點之一［5-10］。國內學者如胡小文等［11］研究了吸力面采用葉頂小翼在不同翼寬和葉頂加載對性能改善的特性，對吸力面小翼主要作用機理進行了研究。雋智輝等［12-13］對軸流風機采用小翼進行研究，認為吸力面小翼可帶來性能的提升。

葉頂開槽對葉頂泄漏流動的影響也開展了一定的研究，目前的研究主要集中在渦輪上，在風機上的研究相對較少。YE等［14-15］對葉頂開槽對OB84軸流風機性能的影響進行了數值和試驗研究，分別考察了葉頂凹槽和凸起的影響，發現了總壓升和功率均下降，效率提高了1.07%。韓少冰等［16］將小翼和凹槽進行結合，發現可進一步削弱葉頂泄漏渦的強度，降低葉柵損失。LIU等［17］研究了NACA0009水翼加工不同深度C型槽后對葉頂泄漏渦的發展和空化的抑制，發現在50%的間隙深度溝槽效果較好。但這種葉頂開槽的研究在風扇中很少見報道。

為了探索軸流風扇葉頂溝槽對葉頂泄漏流控制效果及機理，本文以某一空調用軸流風扇為研究對象，基于數值計算方法研究了4種不同的葉頂溝槽，分析槽寬比對風扇性能的影響，并研究溝槽對葉頂泄漏渦發展及控制的機理，最后通過試驗驗證了溝槽對性能和噪聲的影響。

1 幾何模型及數值研究方法

1.1 幾何模型及網格劃分

如圖1所示，本文研究對象為帶半覆蓋導風圈的軸流風扇，設計轉速為850 r/min，葉輪外徑為420 mm。導風圈覆蓋葉片尾部區域接近30%的弦長。本文將風扇葉片頂部距離導風圈的徑向距離定義為間隙TC（tip clearance）。

圖1 軸流風扇幾何及計算域模型Fig.1 Geometric model and computational domain model of axial fan

風扇網格及開槽結構示意如圖2所示，考慮到泄漏渦從葉頂前部就開始發生，并且沒有導風圈的覆蓋，溝槽選擇在葉片葉頂從進口往下游的10%葉頂弦長位置，開槽深度H1等于一倍葉頂間隙高度1 TC。開槽從壓力面（Pressure side簡稱PS）貫通到吸力面（Suction side簡稱SS），在壓力面側槽的寬度為A1，吸力面側槽的寬度為A2。定義A1/A2為槽寬比，通過調整A1和A2的寬度來調整槽寬比。不同寬度比情況下的溝槽模型如表1所示，其中G3O和G3D壓力面側槽寬度一致，通過改變吸力面寬度實現從3：1到6：1的槽寬比，而G3D，G3E，G3F 3種溝槽吸力面寬度一致，通過增加壓力面側槽寬度來實現8：1和10：1的槽寬比。

圖2 葉片網格及開槽結構Fig.2 Grid model and groove structure of blade

表1 溝槽寬度比Tab.1 Groove width ratio

風扇的計算模型見圖1（b），包括進口延伸區、出口延伸區和風扇轉子。計算模型均采用結構化網格，計算為全通道模型，在溝槽部位采用多塊方式進行結構化網格生成。

圖3 風扇總壓系數隨計算網格量的變化Fig.3 Change of fan total pressure coefficient with number of computational grids

1.2 數值計算方法

為求解葉頂附近區域復雜的湍流流動，本文研究求解雷諾時均N-S方程，對于湍流黏性項通過SST k-ω模型來描述，采用SST k-ω模型對近壁面的低雷諾數區進行直接求解而不是采用壁面函數法進行擬合，且該模型在大量的葉輪機械數值研究中被證明是結果較為合適的一種湍流模型［18-23］。

計算時進口采用壓力進口邊界，給定總壓為1個標準大氣壓、總溫度為293.15 K，由于上游有換熱器，進口湍流強度給定5%的湍流強度，出口給定流量邊界。為減弱數值反射效應，進口和出口延伸分別為4倍和5倍的弦長。

1.3 試驗測試

噪聲測試在美的中央研究院按照GB/T6882-2008和ISO3745-2003標準建設的半消聲室內完成，半消音室介質頻率≤100 Hz，背景噪聲低于20 dB，溫濕度可自動調節，調節范圍-15～55 ℃，濕度范圍30%～90%RH（relative humidity）。本文研究中的數據主要采用前方測點，測點布置于正對著距離風扇中心長1 m和高1 m的位置，測點布置示意如圖4所示。

圖4 噪聲測試測點示意Fig.4 Schematic diagram of noise test points

2 結果及分析

2.1 葉頂開槽對風扇氣動性能的影響

風扇的主要氣動性能為效率和總壓。圖5示出了不同葉頂開槽結構的風扇在設計工況下，相對于原型風扇的仿真效率和總壓性能的變化情況。

圖5 溝槽寬度比對風扇性能的影響Fig.5 Effect of groove width ratio on fan performance

從圖中可以看到，在葉片頂部10%弦長設計的不同寬度比的溝槽對總壓效率均起到正面的作用，且溝槽寬度比越大，總壓效率越高。然而，溝槽寬度比對風扇的總壓影響有些不同，在寬度比較小時，會導致風扇總壓出現接近0.5%的輕微下降，但隨著寬度比增加到G3E方案的8.0左右，葉頂溝槽基本不對總壓產生影響。其原因是在溝槽寬度比逐漸增加時，對葉頂流動的改善導致風扇效率提高克服了溝槽帶來的泄漏的影響，因此總壓逐漸回升。

2.2 對葉頂泄漏渦的作用及機理

為了揭示葉頂溝槽對葉頂泄漏渦的抑制作用，葉頂泄漏渦以下簡稱TLV（tip leakage vortex），圖6示出了以Q判據為定義的渦等值面云圖，圖中包括不同葉頂溝槽參數對葉頂泄漏渦發展的控制情況和渦強度的云圖。對于原型不帶凹槽的工況，圖6（a）可以看到在葉片頂部靠近葉片前緣位置，形成了典型的軸流風機葉頂泄漏渦結構。產生后不再受干擾，貼著吸力面側向流道下游發展，且TLV影響區域面積逐漸增大。圖5中的云圖對應的3個截面分別為20%，30%和40%弦長截面的渦旋強度，用于表征葉頂附近泄漏渦強度。

帶溝槽的葉頂泄漏渦發展情況如圖6（b）～（e）所示，對比原型，TLV在經過溝槽時受到沖擊作用，有一個遠離吸力面表面的趨勢。同時在溝槽下游葉片頂部形成了新的葉頂泄漏渦結構，新的葉頂泄漏渦結構文中簡稱為NTLV（new tip leakage vortex）。在小的槽寬比（如圖 6（b））時，NTLV的形成對原TLV的發展產生一定的干擾，原TLV向下游發展渦核有減小的趨勢。但原TLV范圍仍然較強并繼續向下游發展，新NTLV強度相對較小，發展范圍有限，而且NTLV在和原TLV發生干涉后，到下游很快消失。

圖6 不同溝槽寬度比對葉頂泄漏渦的控制Fig.6 Control of effect of different groove width ratio on tip leakage vortex

為了進一步確定溝槽對TLV的沖擊作用，圖7示出了G3D模型溝槽橫切面的速度場，可以發現溝槽從壓力面往吸力面引入了一股射流，該射流對原TLV產生明顯沖擊效果，直接導致TLV與葉片吸力面的距離增加。然而也需要注意的是，在射流的引入同時也導致了吸力面在溝槽后的局部分離，會帶來一定的流動損失。

從圖7中可以看到，溝槽的主要作用機理是產生射流作用，將原TLV吹離葉片吸力面。同時在溝槽下游頂部產生一個新的泄漏渦NTLV，新的泄漏渦NTLV與原TLV旋向相同，并與原TLV產生干涉作用，降低原TLV的強度。

圖7 溝槽橫切面的速度場Fig.7 Velocity field of cross section of groove

當溝槽寬度比增加時，射流強度也會增加。對比溝槽G3D和G3O流動可以明顯看到射流強度增加，這進一步地導致原TLV的強度減弱。當持續增加寬度比時，如G3E，射流作用進一步增強，原TLV和NTLV作用在截面1附近發生干涉后幾乎消失，在截面2，3可以觀察到明顯的渦強度下降。但當槽寬比進步一增加到G3F時，溝槽下游的新NTLV將取代原TLV的位置，但強度也會減弱。

盡管從風扇效率的角度看，G3F溝槽具有更高的效率。似乎更大的寬度比會獲得更高的效率，但隨著NTLV的逐漸增強，將會逐漸替代甚至超過原渦TLV的強度，可能引起性能下降，這有待進一步的研究驗證。

表2給出了不同溝槽導致的渦Q判據等值面面積相對原型的變化情況，分別取3×106s-2和4×106s-2兩種等值面進行分析。對比可以看出相對于原型，本文研究的不同寬度比溝槽都帶來了渦Q判據等值面面積的下降，其中下降效果最為明顯的方案是G3E方案，下降幅度達到11%～13%，而下降最少的G3O也有接近4%～6%下降。因此，葉頂溝槽對葉頂泄漏渦的發展起到了明顯的抑制效果。在8：1的槽寬比時渦Q判據等值面面積最小，但隨后進一步增加槽寬比，反而會帶來渦Q判據等值面的增加。該趨勢和前面對泄漏渦強度的分析內容結論一致。

表2 不同溝槽導致的相對渦面積變化Tab.2 Variation of relative vortex area caused by different grooves

2.3 風扇性能測試及對比分析

為了驗證溝槽對風扇性能的影響，選擇對泄漏渦控制效果最好的G3E溝槽進行模型加工，并對原型和G3E兩種情況進行性能和噪聲試驗測試。圖8，9分別示出了風扇對性能和噪聲影響的測試數據。試驗結果顯示了G3E溝槽在效率上的優勢，電機功耗約比原型下降1.4%。同時噪聲也有不同程度的降低，在設計工況下G3E溝槽風扇比原型風扇噪聲下降0.4 dB（A）。另外從1/3倍頻程看，G3E溝槽帶來的降噪效果主要集中在頻率為2 000 Hz及以上的中高頻噪聲。因此，G3E的溝槽對葉頂泄漏渦的控制在風扇輻射噪聲的控制上也是有益的，而葉頂泄漏渦對應的噪聲頻段通常也被認為是中高頻的頻段。

圖8 溝槽對風扇性能的影響Fig.8 Effect of grooves on fan aerodynamic performance

圖9 溝槽對風扇噪聲的影響Fig.9 Effect of grooves on fan noise

3 結論

本文采用數值和試驗方法研究了軸流風扇10%弦長位置葉頂溝槽對葉頂泄漏流動控制的效果及作用機理，得到以下結論。

（1）槽寬比從 3：1到 10：1，風扇效率均得到明顯改善，槽寬比越大效率改善效果越明顯，最高改善2.5%，同時總壓升下降，其下降程度隨開槽寬度比增加而降低。

（2）溝槽的作用機理是產生了從壓力面到吸力面的射流作用，將原TLV吹離葉片吸力面，并在溝槽下游葉片頂部產生一個同向旋轉的新泄漏渦NTLV，與原TLV產生干涉作用，降低了葉頂泄漏渦的強度。

（3）隨著溝槽寬比增加，射流的作用逐漸增強，NTLV作用也逐漸增強，并逐漸替代原LTV，然而過度增加槽寬比可能會引起NTLV的強度增加顯著。

（4）溝槽對TLV的控制作用也一定程度的控制了葉頂泄漏渦產生的噪聲，主要表現在中高頻段有明顯下降。