董興杰，楚武利，卜遠遠

(西北工業(yè)大學，陜西 西安 710072)

船用離心風機葉片開槽對氣流流動特性的影響

董興杰，楚武利，卜遠遠

(西北工業(yè)大學，陜西 西安 710072)

提出船用離心風機葉片開槽處理技術，以改善葉輪通道氣體流場。利用商用CFD軟件，分別對某型離心風機原始葉輪和開槽葉片葉輪進行三維數(shù)值模擬，并詳細對比分析了2種葉輪模擬結果。結果表明：開槽處理可抑制射流－尾跡現(xiàn)象進而減小由此引起的葉片尾緣漩渦，并減弱通道內(nèi)漩渦，從而提高通道內(nèi)流場穩(wěn)定性，增加通道流通面積，并且在一定范圍內(nèi)提高葉輪性能。

離心風機;葉片開槽;流場;數(shù)值模擬

0 引言

作為船用輔機，通風機是船舶空調系統(tǒng)的重要組成部分，也是船舶輔助保障系統(tǒng)的重要設備之一。船用通風機主要用于船上的通風換氣，解決船員的生活和工作的通風需要。目前國內(nèi)正在使用的船用通風機系列大部分還是20世紀60年代研制的產(chǎn)品。風機流量和壓力雖然能滿足使用要求，但效率低，參數(shù)范圍窄，噪聲和振動值較高［1］。產(chǎn)生這一問題的主要原因是風機內(nèi)部的氣體流動的非定常性。在葉片吸力面尾緣附近存在著較嚴重的氣流分離現(xiàn)象，形成低能流積聚的尾流區(qū)。同時，在壓力面流體的相對速度比較高，形成了射流區(qū)，與吸力面尾緣處發(fā)生嚴重分離的尾跡區(qū)及由于射流區(qū)、尾跡區(qū)之間劇烈變化形成的薄過渡剪切層，構成了射流－尾跡流動結構，射流－尾跡結構在產(chǎn)生和發(fā)展的過程中伴隨著強烈的能量損失［2－3］。射流－尾跡現(xiàn)象的存在使流道有效通流面積減少，進而會影響葉片通道內(nèi)部的流動，增強吸力面邊界層分離，在吸力面形成嚴重的漩渦［1，4］。

從振動的角度看，葉片通道分離區(qū)較大，則葉輪出口速度及壓力脈動較大，激振能量隨之增大，這就是蝸殼產(chǎn)生振動的激振源［3，5］。因此如果能采取措施控制和減弱葉片吸力面尾緣的氣流分離現(xiàn)象，改善葉片通道的氣流流動特性，將可提高風機的性能，降低風機噪聲。

葉片開槽技術在軸流壓氣機中已得到深入的研究。從葉片壓力面到吸力面開槽，利用壓力面與吸力面壓差，將壓力面的氣流經(jīng)過槽道的加速，從吸力面吹出，從而控制和延緩葉片吸力面漩渦及射流－尾跡結構，以改善葉輪內(nèi)部流動，此方法已被證明可以取得很好的效果［6－9］。然而，葉片開槽技術在離心壓縮機、風機中的研究還不多。為此，本文在前人研究的基礎上對離心風機葉片開槽處理技術進行更為深入的研究，以試圖揭示其工作機理。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型選取

本文以某船用閉式后彎徑向板型離心風機為研究對象(見圖1)。其葉輪主要幾何參數(shù)為：葉輪葉片進口直徑D1=318.72 mm，出口直徑D2=480 mm，葉片進口高度b1=144 mm，出口高度b2=96 mm，厚度δ=3 mm，葉片個數(shù)Z=12。

文獻［1］和文獻［5］對本文所選用原始葉輪進行了整機實驗及商業(yè)CFD軟件NUMECA數(shù)值模擬，實驗結果與數(shù)值模擬吻合度高，證明所選數(shù)值模擬方法可行。由于本文主要研究開槽對葉輪內(nèi)部流場的影響，且進行整機模擬所需人力物力比較大，故本文只進行單通道葉輪數(shù)值模擬。

圖1 葉輪幾何參數(shù)Fig.1 Geometric parameters of impeller

1.2 槽道確定

本文首先進行了原始葉輪單通道數(shù)值模擬，經(jīng)過對葉輪數(shù)值模擬結果進行分析后確定槽道位置及形狀，然后進行開槽葉片葉輪單通道數(shù)值模擬。

原始葉輪葉片尾緣有明顯的射流－尾跡現(xiàn)象，尾緣存在嚴重漩渦。葉片吸力面存在邊界層分離，吸力面距葉片尾緣17%弦長處開始出現(xiàn)嚴重漩渦。葉片吸力面距葉輪后蓋板50%葉高處開始出現(xiàn)明顯的漩渦，并向著前蓋板方向逐漸加深。因此本文設計了如圖2和圖3所示的槽道。圖2所示的開槽位置從距后蓋板50%～90%葉高。圖3所示的槽道進氣方向為水平方向，出氣方向與水平線夾角為20°，槽道距葉片后緣距離為17%弦長，槽道寬度為1.0 mm。

1.3 網(wǎng)格生成

首先在DES公司的三維造型軟件UG中畫出風機葉輪結構，然后將葉輪型線導入NUMECA軟件IGG/AutoGrid中，采用IGG/AutoGrid中O－4H結構化網(wǎng)格生成原始葉輪網(wǎng)格。原始葉輪單通道網(wǎng)格總數(shù)為360 354。開槽葉片葉輪網(wǎng)格需要首先在UG原始葉輪結構中加入槽道線型，然后將槽道線型導入IGG中，在IGG中加入槽道模塊。在加入槽道過程中槽道進出口分別與葉片表面聯(lián)結，并采用完全非匹配邊界條件。開槽葉片葉輪單通道網(wǎng)格總數(shù)為392 127，其中槽道網(wǎng)格數(shù)位31 773。

1.4 計算邊界與初始條件選取

控制方程為雷諾平均三維N－S方程，湍流模型選用Spalart-Allmaras模型，空間項采用中心差分格式的有限體積法進行空間離散，時間項采用四階Runge-Kutta法迭代求解。同時采用局部時間步長、隱式殘差光順和完全多重網(wǎng)格技術加快計算速度。

計算額定轉速為2 920 r/min，假設軸向進氣，進口給定總壓101 325，總溫293 K，出口給定平均靜壓，葉輪進出口延伸區(qū)給定周期條件，絕熱固體壁面給定無滑移條件。

2 結果分析

2.1 總體性能分析

圖4所示為開槽葉片葉輪與原始葉輪流量－效率曲線。從圖中可以看出，在風機設計流量(3.3 kg/s)附近，開槽葉片葉輪的效率存在1個峰值，而原始葉片葉輪效率峰值在3.8 kg/s流量附近。在風機設計流量附近開槽葉片葉輪效率較原始葉片葉輪顯著提高，其他流量狀態(tài)下開槽葉片葉輪效率略有下降。

圖5所示為開槽葉片葉輪與原始葉片葉輪流量－壓比曲線。從圖中可知，在小流量狀態(tài)下開槽葉片葉輪壓比較原始葉片基本不變甚至略有下降，在設計流量附近壓比明顯上升，而在大流量狀態(tài)下壓比略有下降。

由以上可以看出，開槽葉片葉輪較原始葉輪在設計流量狀態(tài)附近性能有明顯提高，而其他流量狀態(tài)下性能改變不明顯甚至出現(xiàn)下降。下面將通過分析葉片通道內(nèi)流場來探究產(chǎn)生這種狀況的原因。

2.2 流場分析

圖6和圖7所示分別為設計流量(3.3 kg/s)狀態(tài)原始葉輪和開槽葉片葉輪75%葉高處相對速度矢量及流線圖。從圖6可以看出原始葉輪通道內(nèi)流動相當復雜。在葉片吸力面?zhèn)却嬖谶吔鐚臃蛛x現(xiàn)象。葉片尾緣存在很強的射流－尾跡現(xiàn)象，葉片尾緣漩渦幾乎占據(jù)半個葉輪通道，尾緣漩渦形成的回流又影響葉片通道內(nèi)流動，并在葉片通道內(nèi)再次形成漩渦，這兩處漩渦在很大程度上減小了葉輪通道有效流通面積;如圖7所示，葉片開槽后尾緣的射流－尾跡現(xiàn)象引起的葉片尾緣漩渦基本消除，通道內(nèi)的漩渦也隨之減弱，葉輪通道有效流通面積大大增加。

圖8和圖9所示分別為小流量(2.52 kg/s)狀態(tài)原始葉片葉輪和開槽葉片葉輪75%葉高相對速度矢量及流線圖。在小流量狀態(tài)下因為出現(xiàn)正沖角，會在葉片吸力面前緣部分產(chǎn)生很大局部擴壓度，于是出現(xiàn)分離現(xiàn)象，并形成漩渦，并向葉輪出口處逐漸擴大［1］。本文開槽位置的選取主要是為了較弱射流－尾跡現(xiàn)象引起的漩渦，對于因為正沖角引起的漩渦沒有考慮，所以如圖9所示在小流量狀態(tài)下，葉片開槽處理對于葉輪通道內(nèi)部流場影響較小，只是減弱了葉片尾緣處的漩渦。

圖10和圖11所示為大流量(4.02 kg/s)狀態(tài)原始葉片葉輪和開槽葉片葉輪在75%葉高處的相對速度矢量及流線圖。在大流量情況下，葉片工作面前緣部分形成較大的擴壓度，分離區(qū)在工作面上產(chǎn)生，但由于氣流慣性力的作用，限制了分離的擴大，這時在吸力面出口可能會出現(xiàn)一部分小的分離區(qū)［1］。如圖10所示大流量狀態(tài)通道內(nèi)整體流動性較好，只是在葉片吸力面尾緣附近存在小的分離漩渦，因而葉片開槽(見圖11)對流場影響不大，只是將分離渦略微向葉片尾緣推移。

通過以上3種流量狀態(tài)的比較可以看出：在設計流量狀態(tài)附近，開槽葉片葉輪因為壓力面向吸力面引氣，由槽道吹出的高速氣流一定程度上抑制了葉片尾緣射流－尾跡現(xiàn)象，并減弱了葉片尾緣漩渦及通道內(nèi)漩渦，很好地改善葉輪通道內(nèi)的流場，使得通道內(nèi)的流動損失減小，從而提高了葉輪整體性能。在小流量及大流量狀態(tài)下，葉片開槽無法明顯改善葉片通道內(nèi)流場，反而因為槽道的存在改變了葉片的氣動性能，降低葉片做功能力，同時槽道內(nèi)的氣流轉折也將產(chǎn)生損失，從而使得葉輪總體性能降低。

以上分析了葉片通道內(nèi)氣體流動狀況，下面將從葉片近壁面氣流流動狀況來分析開槽處理對葉片表面氣流流動的影響。

圖12和圖13所示為原始葉輪與開槽葉片輪設計流量下葉片近壁面相對速度矢量及流線圖。從圖12可以看出原始葉片吸力面表面靠近前盤附近存在嚴重的附面層分離，并形成較大的漩渦。由于葉片尾緣較強漩渦的影響使吸力面?zhèn)鹊幕亓鳜F(xiàn)象明顯，且有明顯的分離線。開槽后的葉片(圖13)，由于壓力面向吸力面的吹氣，使得葉片吸力面的回流現(xiàn)象明顯減弱，分離線向葉片尾緣移動，回流影響面積明顯減小。同時也在一定程度上消弱了前盤附近的附面層分離，從而使得前盤附近的分離渦減弱，并向出口處移動。開槽葉片葉輪的內(nèi)部流動穩(wěn)定性明顯加強。

3 結語

基于以上分析，可以得出如下結論：

1)開槽葉片對葉片尾緣射流－尾跡現(xiàn)象有一定抑制，可基本消除葉片尾緣漩渦，明顯增大通道流通面積，減小氣流速度脈動，減小離心風機蝸殼振動激振源，同時也可控制尾緣漩渦引起的通道內(nèi)漩渦，使得通道內(nèi)流動平穩(wěn)。

2)葉片開槽處理可在一定范圍內(nèi)增加離心風機葉輪性能。本文開槽初衷意在控制葉片尾緣射流－尾跡現(xiàn)象，從而控制尾緣漩渦、通道內(nèi)漩渦，因而本文所選開槽位置對邊界層分離控制效果不明顯，這有待于改變開槽位置、形狀，從而達到更好的流動控制效果。

綜上所述，葉片開槽技術在離心風機中有很大的應用前景，本文只是對其機理進行了初步探究，對開槽位置、寬度、形狀、個數(shù)還需要大量的理論和實驗研究。

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Influence of blade slot on flow performance in the centrifugal fan used on boards

DONG Xing-jie，CHU Wu-li，BU Yuan-yuan
(Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

The slot treatment to blade of centrifugal fan used on boards was proposed for improving the flow field in the impeller channel．Three-dimensional numerical simulations were performed on the prototype and the slot treatment impeller with commercial CFD software．The simulation results were in-depth contrasted and analysed．The study presented that，the slot treatment can control the jet-wake phenomenon and eliminate the trailing vortex which results from the jet-wake one step further，and weaken the vortex in the impeller channel．As the result the steadiness of the flow field was improved，the flow area was enlarged and the performance was iomproved on part of operation line．

centrifugal fan;blade slot;flow field;numerical simulations

U664.5+1

A

1672－7649(2012)07－0020－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.004

2012－03－08;

2012－03－28

董興杰(1987－)，男，碩士研究生，主要研究領域為葉輪機械氣動熱力學。