李一明李寶寬/東北大學(xué)

陳中才/沈陽鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)設(shè)備有限責(zé)任公司

優(yōu)化前導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)尺寸提升重載機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)性能的研究*

李一明李寶寬/東北大學(xué)

陳中才/沈陽鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)設(shè)備有限責(zé)任公司

提出一種用數(shù)學(xué)模型來研究重載機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場和氣動(dòng)性能的方法，并實(shí)現(xiàn)前導(dǎo)葉優(yōu)化。采用RNG k-epsilon湍流模型和SIMPLE算法，分析了風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)流場和壓力分布規(guī)律。計(jì)算7種前導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)尺寸的性能參數(shù)，以確定高效節(jié)能的最佳設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明：靜壓總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而全壓先減小后增大再減??；葉片工作面靜壓分布均勻，非工作面梯度較大；前導(dǎo)葉葉片曲率半徑200mm、圓弧葉片夾角為40°、葉片數(shù)13片時(shí)，可滿足額定工況要求。

冷卻風(fēng)機(jī)；數(shù)值模擬；流場分析；前導(dǎo)葉設(shè)計(jì)；優(yōu)化

0 引言

重載機(jī)車因其運(yùn)行條件的特殊性，對(duì)主變壓器和主變流器的冷卻要求非常高，所以，冷卻風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)尤為重要[1]。

在傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，人們往往僅靠實(shí)驗(yàn)取得數(shù)據(jù)，對(duì)于高效節(jié)能要求較高的軸流冷卻風(fēng)機(jī)則需要耗費(fèi)大量的人力和物力資源[2-3]。而實(shí)驗(yàn)研究方法由于受各種條件的限制，一些參數(shù)的測量會(huì)受到許多不良因素的影響，給風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)帶來誤差。并且單純的實(shí)驗(yàn)難以把握風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場規(guī)律，很容易降低風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬的實(shí)用性[4-5]。

如果利用數(shù)值仿真來完成風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程，就不要大量樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)篩選，對(duì)提高風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)效率和掌握風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律十分有益[6]。

重載機(jī)車及其冷卻風(fēng)機(jī)的研究和應(yīng)用在國內(nèi)尚處于初級(jí)階段。唐蘋森等[7]研究了韓國貨運(yùn)機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法；高平等[8]利用數(shù)值模擬對(duì)哈薩克斯坦KZ4A型機(jī)車?yán)鋮s塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改造，它對(duì)國內(nèi)自主研發(fā)重載機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)具有指導(dǎo)意義。楊曉清等[9]利用數(shù)值模擬方法對(duì)大功率機(jī)車軸流冷卻風(fēng)機(jī)的葉輪進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)；王曉放等[10]開展了動(dòng)車組軸流冷卻風(fēng)機(jī)的數(shù)值研究及優(yōu)化改進(jìn)。

重載機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)由于受到尺寸、重量、電機(jī)功率等約束，設(shè)計(jì)難度較大，通常僅依靠葉輪的優(yōu)化改進(jìn)已經(jīng)無法滿足所有工況要求[11-12]。以往，國內(nèi)外業(yè)界對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪部分的研究論述較多，但對(duì)帶前導(dǎo)葉的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步的研究。

本文利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD），對(duì)重載機(jī)車軸流冷卻通風(fēng)機(jī)的不同形式前導(dǎo)葉及其流場結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行幾何建模和數(shù)值模擬。開展了整機(jī)通流部分速度場、壓力分布和葉片表面的壓力分布研究。揭示了風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，分析了各個(gè)通流部分及氣動(dòng)部件對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響。根據(jù)所得到的性能參數(shù)，采用啟發(fā)式優(yōu)化方法不斷對(duì)前導(dǎo)葉進(jìn)行葉型結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以高效節(jié)能為目標(biāo)得到了最佳設(shè)計(jì)方案，并分析風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的可靠性。

這樣方便地評(píng)價(jià)、選擇多個(gè)設(shè)計(jì)方案，不僅可以減少通過制造模型并實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)投入，還可以大大縮短風(fēng)機(jī)的開發(fā)周期。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 幾何結(jié)構(gòu)尺寸

重載機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)是冷卻塔總體布局的一大難點(diǎn)，它同時(shí)受到機(jī)身重量、結(jié)構(gòu)尺寸和電機(jī)功率等條件的約束。本文研究對(duì)象是某風(fēng)機(jī)企業(yè)開發(fā)的軸流式通風(fēng)機(jī)，額定工況點(diǎn)在體積流量為12m3/s時(shí)，風(fēng)機(jī)靜壓應(yīng)該達(dá)到1 600Pa。根據(jù)實(shí)際尺寸建立幾何模型，見圖1。風(fēng)機(jī)總長為0.956m，直徑為0.868m，動(dòng)葉片共10片，后導(dǎo)葉葉片數(shù)為15片。葉輪、后導(dǎo)葉和擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整已經(jīng)不足以保證風(fēng)機(jī)具有足夠的做功能力和較高的效率。因此，需要進(jìn)一步對(duì)前導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖1 軸流通風(fēng)機(jī)通流部分幾何結(jié)構(gòu)圖

采用啟發(fā)式優(yōu)化方法，對(duì)表1中的7個(gè)方案依次建模并進(jìn)行數(shù)值模擬。反復(fù)調(diào)整前導(dǎo)葉葉片曲率半徑、圓弧葉片夾角和葉片個(gè)數(shù)，評(píng)估風(fēng)機(jī)性能，直到達(dá)到設(shè)計(jì)工況要求，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

表1 不同設(shè)計(jì)方案前導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.2 網(wǎng)格模型

在數(shù)值計(jì)算中，為了減少進(jìn)口及出口段對(duì)葉輪內(nèi)部流態(tài)的影響，將風(fēng)機(jī)模型進(jìn)出口分別連接3.5m的進(jìn)口風(fēng)道和5.4m的出口風(fēng)道。由于葉片形狀復(fù)雜，葉輪部分求解域局部形狀變化較大，因此將其采用四面體網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，葉輪部分的網(wǎng)格數(shù)為59萬。7個(gè)設(shè)計(jì)方案模型總體網(wǎng)格數(shù)均在150萬左右。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，已經(jīng)達(dá)到足夠的計(jì)算精度。圖2為網(wǎng)格模型。

圖2 軸流通風(fēng)機(jī)模型網(wǎng)格圖

1.3 控制方程

重載機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的葉輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了其內(nèi)部流場是高雷諾數(shù)湍流流動(dòng)。在數(shù)值計(jì)算中必須要考慮強(qiáng)流線彎曲、湍流漩渦和旋轉(zhuǎn)。使用RNG k-epsilon湍流模型來修正湍流粘度，可以有效提高這方面的計(jì)算精度。

當(dāng)氣體在沒有熱交換的條件下作低速流動(dòng)時(shí)，如果Ma＜0.3，氣體密度相對(duì)變化值約小于3%[13]。

為了簡化計(jì)算，假定風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣體流動(dòng)是穩(wěn)定、有粘性、不可壓縮流動(dòng)。同時(shí)，氣流在流動(dòng)過程中忽略質(zhì)量力的作用。

基于FLUENT軟件進(jìn)行二次開發(fā)，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型（MRF）下壓力速度耦合方程采用SIMPLE算法。

忽略重力體積力、外部體積力以及源項(xiàng)，得到的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程如下：

動(dòng)量守恒方程：

湍流模型是為封閉離散的控制方程進(jìn)行的工程近似，不考慮由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能Gb和由可壓縮湍流過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)Ym。得到的湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率方程如下：

根據(jù)RNG理論，其中：

由于旋渦影響而修正的湍流粘度：

式（7）中μt0等于式（6）中的μt，Ω是FLUENT中考慮旋渦而估計(jì)的一個(gè)量，αs是一個(gè)常量，取決于流動(dòng)主要是旋渦還是適度的旋渦，本文流動(dòng)為適度的旋渦取αs=0.05。k方程和e方程中的湍流Prandtl數(shù)αk=αε=1.393。

1.4 邊界條件

1）操作環(huán)境：設(shè)風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，空氣密度為1.2kg/m3；

2）氣流進(jìn)口：速度進(jìn)口邊界條件；

3）氣流出口：壓力出口邊界條件；

4）壁面邊界：風(fēng)道內(nèi)壁、葉片表面、輪轂及支撐均為不滑移固壁邊界條件；

5）葉輪流體區(qū)域：移動(dòng)類型為MRF，轉(zhuǎn)速設(shè)置為187rad/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)值模擬結(jié)果可靠性檢驗(yàn)是運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的重要步驟。本文冷卻塔風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用B型試驗(yàn)管道，用皮托靜壓管測定流量。圖3所示為模擬值與實(shí)驗(yàn)值的風(fēng)機(jī)靜壓曲線和全壓曲線。從特性曲線圖可以看出，標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型無法準(zhǔn)確地反映風(fēng)機(jī)性能，而考慮湍流旋渦的RNG k-epsilon模型則可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)機(jī)性能曲線，其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差不超過10%。說明數(shù)值模擬結(jié)果精度良好，可靠性較高。

圖3 軸流通風(fēng)機(jī)特性曲線圖

2.2 整機(jī)通流部分靜壓分布

圖4為風(fēng)機(jī)額定工況下子午面Y=0與Z=0的靜壓分布。由于前導(dǎo)葉和后導(dǎo)葉的葉片數(shù)為奇數(shù)，所以切割截面時(shí)容易出現(xiàn)不對(duì)稱的現(xiàn)象。

靜壓由風(fēng)道進(jìn)口到風(fēng)道出口先減小后增大，在葉輪進(jìn)口處靜壓達(dá)到最小值，在擴(kuò)散器出口處靜壓達(dá)到最大值。葉輪和后導(dǎo)葉附近壓力梯度變化較大的原因是存在渦流損失、環(huán)形壁面損失和翼型損失等。

圖4 額定工況下子午面上的靜壓分布圖

2.3 整機(jī)通流部分全壓分布

圖5為風(fēng)機(jī)額定工況下子午面上的全壓分布。從圖中可以看出全壓總體分布規(guī)律是沿氣流運(yùn)動(dòng)方向先減小后增大再減小。其中葉輪進(jìn)口處全壓值最小，葉輪出口處全壓值最大。在擴(kuò)散器中全壓減小，體現(xiàn)了動(dòng)壓能轉(zhuǎn)換為靜壓能的過程中存在著流動(dòng)損失。

圖5 額定工況下子午面上的全壓分布圖

2.4 葉柵、葉片表面靜壓分布

圖6為風(fēng)機(jī)葉柵和葉片工作面與非工作面的靜壓等值線圖。從氣流流入方向看，葉輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。通過葉輪做功完成機(jī)械能與動(dòng)能、壓能的轉(zhuǎn)化，所以靜壓從葉輪進(jìn)口到出口逐漸在增大。葉片工作面是迎風(fēng)面，靜壓分布較為均勻；葉片非工作面即背風(fēng)面，靜壓梯度較大。葉輪在高速旋轉(zhuǎn)容易產(chǎn)生渦流損失，葉頂部壓力大于葉根部。

圖6 葉柵和葉片表面的靜壓分布圖

2.5 整機(jī)通流部分速度場

圖7為風(fēng)機(jī)通流部分子午面上的速度場。氣體由風(fēng)道進(jìn)口流入風(fēng)機(jī)后，經(jīng)過前導(dǎo)葉導(dǎo)流進(jìn)入葉輪；電機(jī)拖動(dòng)葉輪做功將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氣體的動(dòng)能和壓能，此時(shí)氣流的流速最高、動(dòng)壓最大，同時(shí)氣流的周向分速度達(dá)到最大；經(jīng)過后導(dǎo)葉，將周向分速度轉(zhuǎn)化為軸向速度，但動(dòng)壓仍然很大，約占全壓的30%以上；氣流進(jìn)入擴(kuò)散器完成減速增壓的過程，將動(dòng)壓能轉(zhuǎn)化為靜壓能。

圖7 額定工況下子午面上的速度場圖

2.6 前導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

由于受尺寸、重量和電機(jī)功率的約束，重載機(jī)車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)成為國內(nèi)外風(fēng)機(jī)開發(fā)中的難題。本文研究對(duì)象要求額定工況點(diǎn)的體積流量12m3/s，而風(fēng)機(jī)靜壓應(yīng)該達(dá)到1 600Pa左右。經(jīng)分析光對(duì)葉輪和后導(dǎo)葉的改進(jìn)已經(jīng)無法滿足上述性能要求，因此本文對(duì)前導(dǎo)葉進(jìn)行啟發(fā)式優(yōu)化，找到最佳設(shè)計(jì)方案。所得結(jié)果見表2。

表2 不同設(shè)計(jì)方案結(jié)果分析表

從表2可知方案6基本滿足靜壓升的要求，是為前導(dǎo)葉葉片曲率半徑200mm、圓弧葉片夾角為40°、13個(gè)葉片的設(shè)計(jì)方案。并且此方案效率較高，在實(shí)際應(yīng)用中也能夠做到高效節(jié)能。如果需要提高風(fēng)機(jī)靜壓，而葉輪和后導(dǎo)葉的改進(jìn)已經(jīng)很困難時(shí)，設(shè)置前導(dǎo)葉是很有效的方法。在風(fēng)機(jī)前導(dǎo)葉設(shè)計(jì)中，需要綜合調(diào)整葉片曲率直徑、葉片夾角和葉片個(gè)數(shù)。單獨(dú)調(diào)整某一項(xiàng)，不僅無法滿足要求反而還會(huì)帶來許多負(fù)面影響。同時(shí)，葉片個(gè)數(shù)的增加還應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)超重的問題。

3 結(jié)論

本文利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD），對(duì)重載機(jī)車軸流冷卻通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場及前導(dǎo)葉氣動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值研究，獲得的主要結(jié)論如下：

1）葉片工作面靜壓分布較為均勻，非工作面靜壓梯度較大，葉頂部壓力大于葉根部。

2）前導(dǎo)葉曲率直徑400mm、圓弧夾角為40°、13個(gè)葉片時(shí)，可以滿足該冷卻風(fēng)機(jī)額定工況要求。此時(shí)的風(fēng)機(jī)流量為12m3/s，靜壓為1 590Pa，效率為78.8%。

3）標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型無法準(zhǔn)確地反映風(fēng)機(jī)性能，而考慮湍流旋渦的RNG k-epsilon模型則可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)機(jī)性能曲線，其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差不超過10%。

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Research on Optim izing the Front Guide Vane Structure Dimension for the Im provement of a Coo ling Fan Performance in Heavy-duty Locomotive

Li Yiming,Li Baokuan/Northeastern University;
Chen Zhongcai/SBW Ventilation Equipment Co.,Ltd.

In this paper,a numericalmodel has been proposecl to study the inner flow field and aerodynamic performance and to optimize the front guide vahe.The RNG k-epsilon turbulence model and the SIMPLE algorithm were applied to this simulation to analyze the steady flow field and pressure distribution.Seven disparate structures of front guide vanes were compared to determine the best design for high-efficiency and energy-saving.The results elucidate that the static pressure decreases first and then increases，the total pressure increases after decreased first and then decreases.Compared to the homogeneous distribution in front side of vane,the pressure gradient in the back side is great.The front guide vane with 400-millimeter-diameter,40-degree angle and 13 blades canmeet the requirements of rated condition.

cooling fan;numerical simulation;flow field analysis;design of frontguide vane;optimization

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）04-0032-06

10.16492/j.fjjs.2015.04.076

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目No.50934008

2014-11-15遼寧沈陽110819