曹惠玲，羅立霄，喻臘生，李凡停

（1.中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院，哈爾濱 150001）

隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和計算方法的不斷改進(jìn)，計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，簡稱CFD）在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。此外，由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的實(shí)驗(yàn)測量還存在很大的困難，使得數(shù)值模擬成為研究葉輪內(nèi)部流場的一種重要手段。特別是近幾年來，在借鑒航空機(jī)械研究成果的基礎(chǔ)上，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬取得了巨大進(jìn)步。從無粘性的理想流體發(fā)展到粘性的實(shí)際流動，從二維、準(zhǔn)三維流動發(fā)展到全三維流動。通過分析流場及風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，對影響風(fēng)機(jī)性能的主要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，同時還應(yīng)用于對軸流風(fēng)機(jī)噪聲的預(yù)測。

李巍、王國強(qiáng)[1]采用人工可壓縮性方法對具有葉頂間隙的軸流葉柵內(nèi)湍流流動進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，葉頂間隙的減小使間隙渦產(chǎn)生過程延緩，強(qiáng)度的衰減速度增大，作用范圍減??；間隙的存在導(dǎo)致主流速度明顯降低，葉尖附近的二次流速度明顯增大。

Elhadi和吳克啟[2]對軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)的三維流動現(xiàn)象作了數(shù)值模擬，計算基于求解雷諾時均的Navier-Stokes方程，分析了不同工況和不同區(qū)域內(nèi)的流動狀況，高負(fù)荷工況下在靜葉吸力面出現(xiàn)了大尺度的渦流和回流現(xiàn)象，這主要是流量減小時徑向離心作用造成的。為了改善這種流動狀況，重新設(shè)計了靜葉，其安裝角較以前改變了10°，數(shù)值分析結(jié)構(gòu)表明新風(fēng)機(jī)在靜葉區(qū)域流動明顯改善，性能有所提高。

王軍[3]等針對分體空調(diào)器室外機(jī)軸流風(fēng)扇系統(tǒng)特點(diǎn)，采用CFD方法對該系統(tǒng)中的氣體流動進(jìn)行數(shù)值模擬，內(nèi)流分析與性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較表明，CFD技術(shù)能夠有效地改進(jìn)空調(diào)器風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計，為不同葉型風(fēng)扇的應(yīng)用提供了依據(jù)。Longhouse[4]對低速軸流風(fēng)扇做了噪聲與性能實(shí)驗(yàn)，指出外罩與葉頂間隙對風(fēng)機(jī)噪聲有很大影響。同時與葉片頂部固定在一起的旋轉(zhuǎn)外罩比固定外罩在其他條件不變時噪音要低。王東寶[5]等利用風(fēng)機(jī)三維流場計算和分析方法，對兩臺軸流風(fēng)機(jī)的預(yù)測風(fēng)機(jī)A聲壓級和線性聲壓級與實(shí)測誤差分別小于2 dB和3～4 dB。還預(yù)測兩臺軸流風(fēng)機(jī)噪聲的1/3倍頻譜的趨勢和實(shí)測符合良好，絕大部分頻譜的誤差小于3 dB，最大誤差小于5 dB。

上述表明CFD在中小型風(fēng)機(jī)的設(shè)計中已取得一定的實(shí)際成果。本文研究CFD在大型風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計應(yīng)用。以國內(nèi)某型號發(fā)電機(jī)空冷風(fēng)機(jī)為例，在滿足原有設(shè)計條件要求下，通過NACA翼型設(shè)計出新的扭曲葉片。利用CFD技術(shù)對原有葉片和新設(shè)計葉片的流場進(jìn)行比較計算。

1 計算方法

1.1 建立葉片物理模型

設(shè)計新的風(fēng)機(jī)葉片時，風(fēng)機(jī)葉片的翼型氣動性能是風(fēng)機(jī)氣動設(shè)計和性能分析的重要基礎(chǔ)。風(fēng)機(jī)在低雷諾數(shù)下的性能非常敏感，來流湍流的變化、翼型自身振動或表面粗糙度都可引起風(fēng)力機(jī)性能的很大改變。

經(jīng)過選型，在低速狀況下，選NACA3505型翼型。為滿足風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度設(shè)計的要求，對原有翼型的后緣數(shù)據(jù)進(jìn)行小部分修改，使?jié)M足葉片強(qiáng)度要求。

在給定葉片設(shè)計參數(shù)條件下，經(jīng)過多次計算后確定安放角、葉片根部與頂端扭曲度，使整個風(fēng)機(jī)計算效率最高。

1.2 計算區(qū)域定義

流場計算目的是更精確地反映實(shí)際流動。為計算方便，把空氣流過的區(qū)域劃分成三個互不重疊的子區(qū)域，然后確定每個子區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)位置及該節(jié)點(diǎn)代表的控制體積。先用實(shí)體把計算域表示出來，以便劃分網(wǎng)格。把整個流場劃分為三部分：進(jìn)氣部分、旋轉(zhuǎn)部分、出口部分，如圖1、圖2所示。

1.3 控制方程

軸流式冷卻風(fēng)扇葉輪內(nèi)部為三維粘性湍流，這是一種高度復(fù)雜的物理現(xiàn)象，對于這樣復(fù)雜的場，目前還未充分了解。但是在工程實(shí)踐中，通常采用湍流模型來預(yù)測湍流流場。本文采Reynolds平均動量方程來描述風(fēng)機(jī)不可壓氣體的流動，其張量形式為

式中：ui（i=1，2，3）為流體流速；p表示流體壓強(qiáng)；μ為動力粘度′（i，j=1，2，3）為雷諾應(yīng)力項(xiàng)；Si為廣義源項(xiàng)。

采用RNG k-ε模型和連續(xù)性方程使動量方程封閉，壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式。采用速度入口及壓力出口邊界條件，在近壁區(qū)采用速度分布對數(shù)律固壁函數(shù)。

1.4 邊界條件設(shè)定

風(fēng)機(jī)的邊界條件要求物理上合理，數(shù)學(xué)上適用，計算方法可行的原則進(jìn)行設(shè)置。為了模擬進(jìn)口和葉輪、葉輪和蝸殼之間的相對運(yùn)動，分別在相鄰區(qū)域間建立交界面。在葉輪機(jī)械流場計算中，所要處理的邊界條件有：進(jìn)、出口邊界條件，固壁邊界條件等。本文采用速度進(jìn)口、壓力出口、多參考系模型來進(jìn)行定常計算，最終求取面積平均壓力，葉片對轉(zhuǎn)軸的扭矩等。

2 計算結(jié)果分析

2.1 流場分析

軸流式冷卻風(fēng)扇內(nèi)部流動較復(fù)雜，不同位置流動性質(zhì)不同，下面主要分析變化劇烈的流場部分：葉片和流道，并且對原型葉片與設(shè)計葉片進(jìn)行對比分析。

1）葉片背面靜壓分布

經(jīng)計算得出葉片背面的靜壓分布：

由圖3和圖4可以看出原型葉片上端背面出現(xiàn)嚴(yán)重渦流，而新設(shè)計的葉片前緣背面低壓區(qū)較小，壓力分布較為均勻，壓力梯度減弱，只有葉片根部出現(xiàn)一個小渦流，脫流區(qū)減少，氣流渦流損失減弱。不僅提高風(fēng)機(jī)的效率，而且減小扭矩。

2）葉道流場分布

經(jīng)計算得出流道靜壓分布：

從圖5和圖6可以看出，原型葉片正面出現(xiàn)大的高壓區(qū)，容易產(chǎn)生堵塞。新設(shè)計的葉片前緣只有正面出現(xiàn)一個小渦流，而且氣流能有效附著在翼型表面，附面層背面的脫流層也減弱，使得葉片背面受力均勻。氣體來流對葉片前緣的沖擊減弱，氣流流過葉片背面順暢。經(jīng)過葉片后，氣流均勻，設(shè)計合理。沖擊損失減少，效率提高。

2.2 效率計算

經(jīng)過流場計算，可以直接提取相關(guān)參數(shù)。在Fluent中，流場內(nèi)某一點(diǎn)的總壓P0由下式定義

其中：Ps為靜壓。使用Fluent提供的表面積分功能，可得到葉片進(jìn)口總壓P0in和出口總壓P0out。

利用Fluent在后處理環(huán)節(jié)提供的報告扭矩的功能，可得到葉片對轉(zhuǎn)軸的扭矩M。這樣可以獲得某工況特定流量Q下的全壓效率

其中：ω為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1）原型葉片

葉片進(jìn)口總壓：P0in=-7150.14 Pa，出口總壓：P0out=4426.84 Pa，葉片對轉(zhuǎn)軸的扭矩：M=1885.84 N·m，全壓效率：ηt=68.4%。

2）新設(shè)計葉片：

葉片進(jìn)口總壓：P0in=-6786.77 Pa，出口總壓：P0out=2263.32 Pa，葉片對轉(zhuǎn)軸的扭矩：M=1415.72 N·m，全壓效率：ηt=71.2%。

經(jīng)計算表明在滿足設(shè)計要求情況下，全壓效率提高了2.8%，而扭矩減小470.12 N·m，流場分布得到了改善，葉片壽命增加，風(fēng)機(jī)的耗功率可得到明顯降低。

2.3 效率分析

在軸流風(fēng)機(jī)中，輪轂比一定的情況下，效率損失主要來源于葉片環(huán)中的損失。氣流經(jīng)過葉片環(huán)的壓力損失非常復(fù)雜。為了能用簡化的計算方法計算氣流經(jīng)過葉片環(huán)中總的壓力損失，通常把損失分成五部分：翼型阻力損失、沖擊損失、渦流損失、徑向間隙損失及排擠系數(shù)。

1）翼型阻力損失

軸流通風(fēng)機(jī)葉片環(huán)中的翼型阻力損失，通常認(rèn)為與幾何參數(shù)相同的平面直列葉柵中的翼型損失相同。實(shí)際上，葉輪中的翼型損失數(shù)值與平面葉柵是不同的，這是由于葉片附面層中的氣流流動具有空間的特征。而NACA3505翼型前緣端較薄，相對厚度也較小，翼型阻力損失較少。

2）沖擊損失

從葉道流場可以看出氣體來流對葉片前緣的沖擊減弱，沿葉片表面摩擦損失變小，氣流流過葉片背面順暢。經(jīng)過葉片后，氣流均勻、沖擊損失減少、效率提高。

3）渦流損失

當(dāng)氣流流過葉道時，氣流與葉片間存在相對運(yùn)動，存在相互作用，而且葉片正面的壓力要大于葉片背面的壓力。在沿著葉片高度的中間部分，相鄰葉片之間的橫向壓力梯度為氣流的離心力所平衡，所以氣流不會產(chǎn)生橫向方向的流動。從圖6可以看出渦流附面層較薄，渦流脫離強(qiáng)度較小，渦流損失也小。

4）徑向間隙損失

由于葉輪在機(jī)殼里回轉(zhuǎn)，葉片頂端與機(jī)殼間必須留有徑向間隙，在氣流由葉片正面流向背面的過程中，會產(chǎn)生尖端漩渦，造成氣流損失。本文選取的計算域不考慮徑向間隙損失，故亦無徑向間隙損失。

5）排擠系數(shù)

排擠系數(shù)，是考慮葉片厚度對流道排擠程度的系數(shù)，其值等于實(shí)際的有效過流面積與無葉片時過流面積之比。葉片厚度排擠作用使得進(jìn)口速度增加產(chǎn)生壓力損失，NACA3505翼型的最大相對厚度只有5%，排擠系數(shù)較小，流量增加。

經(jīng)過流場計算、計算分析表明，葉片背面的壓力分布較為合理，渦流附面層較薄，渦流脫離強(qiáng)度較小，葉片前緣端沒出現(xiàn)大的渦流，后緣也沒出現(xiàn)脫流，在滿足設(shè)計要求情況下，扭矩變小，葉片壽命加長，同時降低了風(fēng)機(jī)的功率消耗，全壓效率也提高到71.2%。

3 結(jié)語

從葉片選型看，對于風(fēng)機(jī)葉片，如果要獲得更大的靜壓差，最大相對彎度應(yīng)該變小，給予葉片背面更長的流道，使葉道起到擴(kuò)壓作用；最大相對彎度變小，也有利于推遲附面層分離，效率提高。中弧線最高點(diǎn)離前緣的位置應(yīng)該適宜，往前容易使葉片后緣脫流，產(chǎn)生更大的尾渦，往后葉片切向空氣的作用長度變小，效率也會降低。葉片的最大相對厚度直接關(guān)系到葉片的排擠系數(shù)，相對厚度減小，葉片排擠系數(shù)變小，效率提高，同時要保證葉片的強(qiáng)度。

風(fēng)機(jī)設(shè)計還要考慮葉片對扭軸轉(zhuǎn)矩的影響，從葉道截面的靜壓分布圖中可以看出，葉片前緣兩側(cè)分別有一高壓和低壓漩渦，對葉片產(chǎn)生一個極大的反轉(zhuǎn)向力，形成扭矩；在各項(xiàng)設(shè)計參數(shù)要求都滿足的前提下，扭矩應(yīng)該盡量減小，由此降低了風(fēng)機(jī)的功率消耗，這對提高大型氣冷發(fā)電的效益十分可觀。

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