吳泳敏，金英子，趙 屹，朱立夫，李 昳，孫 哲

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州310018）

葉片傾斜角度對小型軸流風(fēng)扇靜特性的影響

吳泳敏，金英子，趙 屹，朱立夫，李 昳，孫 哲

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州310018）

采用葉片周向傾斜設(shè)計(jì)法，改變一直葉片小型軸流風(fēng)扇葉型，得到不同周向傾斜角的小型軸流風(fēng)扇，并對其內(nèi)部流場進(jìn)行定常流動(dòng)的數(shù)值模擬，分析直葉片、前傾斜葉片、后傾斜葉片等風(fēng)扇葉型對氣動(dòng)性能的影響。模擬結(jié)果表明，采用葉片前緣傾斜設(shè)計(jì)可減弱附面層分離，改善風(fēng)扇流動(dòng)狀況，從而達(dá)到提高風(fēng)扇靜壓和效率的目的。

軸流風(fēng)扇；周向傾斜；氣動(dòng)性能；靜壓

0 引 言

葉片形狀是影響小型軸流風(fēng)扇性能的主要因素，因此針對風(fēng)扇葉片的改型是優(yōu)化小型軸流風(fēng)扇性能的重要手段。為了提高風(fēng)扇性能，風(fēng)扇葉片常采用彎、掠、扭、傾斜等設(shè)計(jì)。國內(nèi)外學(xué)者針對葉片的各種變形設(shè)計(jì)開展了大量研究工作，取得了許多有益的成果。楊波等［1］對窄動(dòng)葉片和常規(guī)直葉片進(jìn)行了變工況氣動(dòng)性能的實(shí)驗(yàn)研究，研究表明相對于直葉片，前彎窄葉片不僅可以提高氣動(dòng)效率，而且擴(kuò)大了風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。李楊等［2］對三種帶有周向彎曲葉片的低壓軸流通風(fēng)機(jī)（原型葉輪、周向前彎及后彎葉輪）的葉頂泄漏流動(dòng)進(jìn)行了研究，從壓力場等不同角度分析探討了葉片周向彎曲后，葉頂泄漏流動(dòng)和泄漏渦的形成和發(fā)展規(guī)律。Grimesr［3］對小尺寸風(fēng)扇進(jìn)行了研究，提出了小尺寸風(fēng)扇的制造方法和壓力及效率的測試方法。唐濤等［4］研究動(dòng)葉輪的掠型對風(fēng)扇性能的影響，研究表明前掠葉片增大了風(fēng)扇的流量，降低了流動(dòng)損失；后掠葉片風(fēng)扇降低了氣動(dòng)性能，不僅使風(fēng)扇的做功能力減少，而且大大增加了流動(dòng)損失。王仲奇等［5］對葉片彎曲降低能量損失的機(jī)理以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)對采用彎曲葉片的效果做了綜合評述，對壓氣機(jī)采用彎曲葉片的科研進(jìn)展，以及遇到的難點(diǎn)也作了概要的介紹。金永平等［6］應(yīng)用響應(yīng)面法（RSM）和三維流場分析對礦用對旋式軸流通風(fēng)機(jī)前后兩級葉片彎掠參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Lin等［7］提出一種設(shè)計(jì)軸流風(fēng)扇的方法，即結(jié)合葉柵理論和反向設(shè)計(jì)的集成設(shè)計(jì)法。Iwase等［8］提出對初始和優(yōu)化的風(fēng)扇進(jìn)行數(shù)值模擬以此提出了高效率風(fēng)扇的主要因素。

葉片彎曲是國內(nèi)外學(xué)者對于優(yōu)化葉型的重要研究方向，但在小型軸流風(fēng)扇上采用葉片彎曲來提高風(fēng)扇性能的研究方法至今還比較少。本文通過數(shù)值模擬方法研究周向傾斜葉片對微型軸流風(fēng)扇性能的影響，從內(nèi)部流動(dòng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)中探索傾斜葉片的作用機(jī)理與提高氣動(dòng)性能的因素，為提高風(fēng)扇靜壓和效率提供參考。

1 計(jì)算模型和數(shù)值模擬方法

圖1為葉片積疊線（加粗線條）與周向傾斜角度示意圖，傾斜角為δ，與旋轉(zhuǎn)方向相同的角度為前傾斜，與之相反為后傾斜。

圖1 傾斜角度示意

原型風(fēng)扇的幾何參數(shù)：

輪轂直徑D1=32 mm；

葉輪外徑D2=74 mm；

輪轂寬H=15 mm；

輪轂比R=0.43；

葉片數(shù)Z=11；

流量Q=51 m3/h；

轉(zhuǎn)速N=3 500 r/min。

在葉型參數(shù)保持不變的情況下，通過使葉片的徑向成型積疊線周向傾斜，形成周向傾斜葉片。選取0、5、10、18、25°及-10°六種模型進(jìn)行計(jì)算。圖2是風(fēng)扇葉片模型示意圖，傾斜角分別是0°（原型）、10°、-10°（后傾斜）。

圖2 風(fēng)扇模型

計(jì)算流場為三維不可壓縮粘性流場。計(jì)算借助NUMECA的FINETM/TURBO軟件包，采用體積差分格式并結(jié)合湍流模型對坐標(biāo)系下的三維雷諾平均Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，計(jì)算中采用S-A湍流模型，湍流粘度為0.000 5 m2/s。采用顯式四階Runge-Kutta法時(shí)間推進(jìn)以獲得定常解，同時(shí)為了加快時(shí)間推進(jìn)速度，使用了多重網(wǎng)格技術(shù)和隱式殘差平均速度，CFL數(shù)3.0。由于流場低速不可壓縮，流場速度遠(yuǎn)小于聲速時(shí)收斂速度較慢，故采用預(yù)處理方法，人工壓縮項(xiàng)β=30。

計(jì)算在具有周期性的單個(gè)葉道內(nèi)進(jìn)行，前后增加進(jìn)、出口延伸段，計(jì)算域及網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)90萬左右。邊界條件：進(jìn)口給定質(zhì)量流量；出口給定平均靜壓；葉輪和輪轂設(shè)定為相對靜止壁面，機(jī)匣設(shè)定為無滑移壁面。在葉片近壁面、葉柵端壁、頭尾緣等流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域，對網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密以提高這些區(qū)域內(nèi)解的分辨率。

圖3 計(jì)算域及網(wǎng)格示意

2 葉片周向傾斜對風(fēng)扇靜特性的影響

2.1 不同傾斜葉片的流量與靜壓升及效率曲線

圖4、圖5分別是采用本文的計(jì)算模型進(jìn)行模擬繪制的3種不同葉片（直葉片、前傾葉片、后傾葉片）的流量與靜壓及效率關(guān)系曲線。本文選取了前傾10°與后傾10°（以-10°表示）的葉片與原始直葉片進(jìn)行比較。

由圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)：在整個(gè)流量范圍內(nèi)，靜壓的總體變化趨勢是隨著流量的增加逐漸減小。對比不同葉片，在小流量區(qū)域（Q＜0.006 kg/s），后傾葉片靜壓略有優(yōu)勢。當(dāng)流量大于0.010 kg/s以后，前傾葉片的靜壓顯著升高，經(jīng)過工況點(diǎn)流量0.014 kg/s以后，趨于減小，較直葉片和后傾葉片，前彎葉片的壓升值明顯最大。

圖4 不同傾斜葉片的流量與靜壓的關(guān)系

圖5 不同傾斜葉片的流量與效率的關(guān)系

由效率曲線可以看出，直葉片和前、后傾葉片工況點(diǎn)為0.014 kg/s。在小流量區(qū)，三種葉片的效率無明顯差別。隨著流量的增大，前傾葉片風(fēng)扇的效率保持上升趨勢，直到工況點(diǎn)為止，效率值比另兩種葉型略高。流量大于0.014 kg/s以后，前傾葉片的效率較另外兩種葉型提高更為明顯，直葉片其次，后傾葉片最低。

2.2 同一流量下前傾角度對靜特性的影響

圖6是采用本文提出的計(jì)算模型模擬繪制的工況流量下隨周向正傾斜角度變化的效率、靜壓變化曲線。圖6可以看出，隨著前傾角度的增加，效率和靜壓都有提升，葉片的傾斜有利于提高效率與靜壓；但是當(dāng)傾斜角度過大之時(shí)，兩項(xiàng)指標(biāo)反而都下降了，比如效率，從前傾10°到前傾25°，效率降低了1個(gè)百分點(diǎn)。由此可以看出，傾斜角度并不是越大越好，過大的傾斜角度會(huì)使兩個(gè)指標(biāo)降低。

圖6 靜壓和效率與傾斜角的關(guān)系

分析圖中數(shù)據(jù)，由于微型軸流風(fēng)扇更注重靜壓性能，提高靜壓是主要目的，效率的降低換來壓升的提高是可以接受的，所以傾斜角度為18°的風(fēng)扇是幾個(gè)風(fēng)扇中性能最好的。

3 葉片周向傾斜對風(fēng)扇內(nèi)部流場特性的影響

3.1 葉頂面速度分布流線特點(diǎn)

在工況點(diǎn)0.014 kg/s流量下，選取原型、前傾斜角18°、后傾10°三個(gè)風(fēng)扇模型靠近葉片頂端的流面流線圖進(jìn)行比較。葉片頂部流線分布見圖7。

從圖7可以看出，在0.014 kg/s流量下，直葉片及后傾葉片尾緣處出現(xiàn)明顯漩渦，由此造成能量損失。這主要是由于氣體的粘性在葉片表面形成附面層，特別當(dāng)流體到達(dá)吸力面尾緣附近，與壓力面氣流相遇，存在劇烈的擴(kuò)壓，產(chǎn)生附面層分離，形成漩渦。前傾葉片改變了流道形狀并減小了進(jìn)口角，使吸力面上的附面層分離現(xiàn)象發(fā)生得較晚，尾緣處的漩渦有了明顯減小。對速度大小產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，在吸力面尾緣處，直葉片和后傾葉片的流速都很低，惡化了流動(dòng)狀況，而前傾葉片尾緣無明顯低速區(qū)。

圖7 葉片頂部流線分布

所以，較直葉片和后傾葉片，前傾葉片優(yōu)化了流型，使流速均衡，減弱了附面層分離的影響，使葉片做功能力得到提升，在外特性上則表現(xiàn)為風(fēng)扇靜壓增大，效率提高。

3.2 葉片不同葉高處的靜壓特點(diǎn)

圖8是0.014 kg/s工況流量下三種風(fēng)扇葉片的靜壓分布，其中橫坐標(biāo)為葉型相對前緣位置，0.5位置為前緣，0.5左邊為吸力面，右邊為壓力面，縱坐標(biāo)為靜壓值。選取三個(gè)位置進(jìn)行分析，分別為葉根、50%葉高、葉頂。

圖8 葉片不同葉高處的靜壓表現(xiàn)

由圖8中可以看出，沿葉高方向，葉片的載荷越來越大，這與真實(shí)流動(dòng)一致。其次，不管在葉根、葉頂還是50%葉高，前傾葉片的數(shù)據(jù)左與右靜壓差別最大，也就是壓力面和吸力面靜壓差最大。從葉片間流動(dòng)狀況分析，橫向壓力梯度越大，流動(dòng)越順暢，葉片對流體做功越多。相反，后傾斜葉片壓力面和吸力面壓差最小，使其葉片做功能力減小，流量也相應(yīng)減小。同時(shí)可以看出，除了在前緣，在吸力面也有較大壓力波動(dòng)。如果傾斜角過大，很可能導(dǎo)致流體附面層過早分離，造成不必要的損失，如圖7所示。

這也表明，合理利用葉片的傾斜可以改變?nèi)~輪流道內(nèi)的壓力分布，激活葉片進(jìn)口靠近輪緣處的低能流體，減弱吸力面低能流體的聚集和回流，從而減弱流動(dòng)阻塞和流動(dòng)損失。

4 結(jié) 論

通過對6種不同葉片的風(fēng)扇進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同周向傾斜角度對風(fēng)扇內(nèi)部流場的影響情況，可以得到以下結(jié)論：

（a）在工況流量下，周向前傾葉片有利于提高風(fēng)扇的靜壓和效率。保持一個(gè)適度傾斜角可以提高氣動(dòng)性能，過大的周向前傾角度使風(fēng)扇性能不升反降。6個(gè)風(fēng)扇模型中，前傾角度18°的風(fēng)扇性能最優(yōu)。

（b）與前傾葉片相比，后傾斜葉片與直葉片惡化流場狀況，降低橫向壓力梯度，附面層分離現(xiàn)象顯著，因此造成風(fēng)扇性能的降低。

［1］楊 波，劉富斌，鐘芳源，等.軸流式前彎動(dòng)葉的變工況氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2005，19（1）：40-46.

［2］李 楊，歐陽華，杜朝暉.周向彎曲低壓軸流風(fēng)機(jī)葉頂泄漏流動(dòng)數(shù)值研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26（2）：240-242.

［3］Grimesr Q D A.Theoretical and experimental investigation of the scaling of micro fan performance［C］//ASME International Mechanical Engineering Congress and Exhibition.Washington：ASME Press，2003：1-8.

［4］唐 濤，楊愛玲，陳康明，等.掠葉型對小型軸流風(fēng)扇性能的影響［J］.流體機(jī)械，2008，36（2）：14-17.

［5］王仲奇，鄭 嚴(yán).葉輪機(jī)械彎扭葉片的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國工程科學(xué)，2000（6）：40-48.

［6］金永平，劉德順，文澤軍.礦用對旋式軸流通風(fēng)機(jī)前后兩級葉片彎掠參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（10）：1754-1759.

［7］Lin S C，Tsai，M L.An integrated study of the design method for small axial-flow fans based on the airfoil theory［J］.Journal of Mechanical Engineering Science，2011，225（4）：885-895.

［8］Iwase T，Sugimura K，Tanno T.Study on improvement of fan efficiency in small axial-flow fans：2nd report，influence of tip leakage vortex on static pressure and fan efficiency［J］.Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，Part B，2009，75（757）：1757-1762.

Effect of Tilt Angle of Blades on Static Characteristics of Small Axial Flow Fans

WU Yong-min，JIN Ying-zi，ZHAOYi，ZHU Li-fu，LI Yi，SUN Zhe
（School of Mechanical Engineering and Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

This study changes the blade profile of a small axial flow fan with straight blades and obtains a small axial flow fan with different circumferential tilt angles with the design method of circumferential tilt of blades，conducts numerical simulation of its internal fluid field and analyzes the effect of straight blade，blade with forward tilt and blade with back tilt on aerodynamic performance.The simulated result shows that the design of front edge tilt of blade can weaken boundary layer separation，improve the flow situation of fans and thus realize the purpose of improving static pressure and efficiency of fans.

axial flow fan；circumferential tilt；aerodynamic performance；static pressure

TH432.1

A

（責(zé)任編輯：張祖堯）

1673-3851（2014）01-0001-05

2013-06-25

國家自然科學(xué)基金（51076144），浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011C16038，2009C13006）作者簡介：吳泳敏（1989-），男，浙江湖州人，碩士研究生，主要從事流體機(jī)械及工程的研究。通信作者：金英子，E-mail：jin.yz@163.com