■陳愛平許 剛

(1.武昌工學院機械工程學院，湖北武漢 430065；2.武漢鼓風機有限公司，湖北武漢 430060）

貫流風機因其結構緊湊、氣流穩(wěn)定的優(yōu)點廣泛應用于各類飼料冷藏庫中，貫流風機性能的好壞直接決定了冷藏庫冷藏性能的優(yōu)劣。而貫流風機的出風量是其性能的重要指標之一。研究發(fā)現：風機的結構參數對貫流風機的出風量有著非常重大的影響。

應用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，后文簡稱CFD）軟件ANSYS FLUENT14.0數值模擬某貫流風機的內部流場，分析風機的主要結構參數對風機流量性能的影響情況（風機的出風量通常用出風口的體積流量表示），為貫流風機的結構優(yōu)化和設計提供數據參考。

1 風機原有的結構參數

貫流風機主要由電動機、葉輪、氣道組成。其原始結構參數如下：內外徑比值（d/D）0.81,葉片內圓周角α取值86°，外圓周角β取值22°，蝸舌間隙εr取值2 mm，蝸殼間隙εc取值2 mm，葉片數目取值35，葉輪轉速1 300 r/min，風機軸向長度250 mm，軸向葉片扭曲角度為50°。

2 數值模擬計算

應用ANSYS FLUENT14.0軟件分別對不同蝸舌間隙、蝸殼間隙，不同內外圓周角，不同葉片數，不同直徑比的貫流風機進行三維建模和網格劃分,并對其內部流場進行數值模擬。數值模擬計算時，控制方程選用時均雷諾N-S方程和RNGk-ε湍流模型。收斂條件設為：風機結構參數計算誤差和風機的風量誤差控制在0.1%以內。

圖1是貫流風機在窩舌間隙取5種不同的數值時，數值模擬得到的不同的速度云圖（出風口體積流量=平均風速×風管截面積）。其模擬計算結果顯示，改進前的貫流風機出風口體積流率為321.76 mm3/h（體積流率是風速與截面面積的乘積）。

圖1 不同窩舌間隙風機速度

3 結果與分析

模擬圖像表明，蝸舌間隙、蝸殼間隙、葉片內外圓周角、葉輪內外徑比值、葉片數這6個結構參數變化時，風速（出風量）會隨之改變，可看出此6個結構參數是影響風機流量的主要因素。

3.1 蝸舌間隙對出風量的影響

圖2的曲線描述了在其他5個結構參數取原始值時，窩舌間隙的改變對風機流量（出風口體積流量V）的影響情況：體積流量隨著窩舌間隙的增大而增大，之后出現大幅度減小，在蝸舌間隙取值4 mm時出風口體積流量達到最大值354.08 mm3/h。

圖2 蝸舌間隙對出風量的影響

3.2 蝸殼間隙對出風量的影響

圖3描述了在其他5個結構參數取原始值時，窩殼間隙對風口體積流量的影響情況?？煽闯觯何仛らg隙從2 mm到6 mm變化時出風口體積流量V先隨著蝸殼間隙的增大而增大，在達到某個點時又呈現部分急劇減小的情況。在蝸殼間隙取值3 mm時體積流量達到最大值325.65 mm3/h。

3.3 葉片內圓周角對出風量的影響

葉片內圓周角對風口體積流量影響見圖4。在其他結構參數取原始數值時，出風口體積流率隨著內圓周角的增大是先減后增再減，當內圓周角取88°時體積流率達到最大值324.69 mm3/h。

圖3 蝸殼間隙對出風量的影響

圖4 葉片內圓周角對出風量的影響

3.4 葉片外圓周角對出風量的影響

圖5的曲線描述了在其他5個結構參數取原始值，葉片外圓周角對風機流量的影響情況。風量隨著外圓周角的增大是先增后減，在外圓周角取值22°時體積流率達到最大值321.76 mm3/h。

3.5 葉片數目對風機流量的影響

圖6的曲線描述了在其他5個結構參數取原始值，葉片數目對風機流量的影響情況。葉片數目的增多會促使風口體積流量先增大后減少，在葉片數目達到25時出風口體積流量達到最大值332.32 mm3/h。

圖5 葉片外圓周角對出風量的影響

圖6 葉輪內外徑比對出風量的影響

3.6 葉輪內外徑比對風機流量的影響

圖7的曲線描述了在其他5個結構參數取原始值，葉輪內外徑比對風機流量的影響情況。葉輪內外徑比例的增大會使風量先增后減，在比值取0.75時得到最大體積流量346.21 mm3/h。

圖7 葉輪內外徑比對出風量的影響

3.7 單個優(yōu)化參數疊加

不考慮參數之間的交互耦合作用，將上述6個結構參數的優(yōu)化進行簡單疊加：蝸舌間隙取值4 mm，蝸隙取值3 mm，葉片內外圓周角分別取值88°和22°，葉片數目取值25，葉輪內外徑比為0.75。此時模擬計算得到貫流風機出風口體積流量為364.37 mm3/h。相比原始結構的風機流量（321.76 mm3/h）提高了13.24%。

4 結構參數正交設計

事實情況是：風機各參數對出風量的影響不是孤立存在的，它們對風量的影響存在耦合交互作用。也就是說單個優(yōu)化參數的簡單疊加可能并不是最優(yōu)解?？捎谜粚嶒灧▉肀容^這些參數的交互情況。其方法是：將蝸舌間隙、蝸殼間隙、內外圓周角、葉片數目、內外徑比6個結構參數定為試驗因素，每個試驗因素分別給出5個代表值，實驗指標為風量（出風口體積流量）。采用表1所示的25組正交實驗數據，經過25次數值模擬實驗求得對應的實驗指標——風量。

表1可以看出，該貫流風機結構參數的最優(yōu)組合是：蝸舌間隙3 mm、蝸殼間隙2 mm、葉片內外圓周角88°與28°、葉片數目35、葉輪內外徑比0.8。此時風機的體積流率為371.32 m3/h，效果較單個參數優(yōu)化的簡單疊加更佳。

5 測試

按照正交方法獲得的參數組合（蝸舌間隙3 mm，蝸殼間隙2 mm，葉片內外圓周角88°與28°，葉片數目35，葉輪內外徑比0.8）試制出樣機。將其放在風機檢測實驗臺上進行測試。測得的相關數據與軟件模擬數據基本吻合。圖8是部分數值計算結果和實測結果的比較。根據測試結果（出風口體積流量=出風口風速平均值×風管截面積）可知改進后的風機樣機風量增加到了381.82 mm3/h。相比原始風機的出風口體積流量（321.76 mm3/h）提高18.67%。

圖8 測試與模擬數值比較

6 結論

6.1 貫流風機不同的結構參數對風機的風量影響規(guī)律不一樣。

6.2 貫流風機的結構參數對其風量的影響不是獨立的，它們之間具有耦合交互性。用正交實驗設計得到的最優(yōu)參數組合（考慮參數之間的耦合作用）比單個參數優(yōu)化的簡單疊加效果更優(yōu)。

表1 正交實驗數值

6.3 此風機的結構參數最優(yōu)組合方案是：蝸舌間隙、蝸殼間隙分別為3 mm、2 mm，葉片內外圓周角分別取88°與28°，葉片數取值35，葉輪內外徑比取值0.8。按照此組參數設計出的貫流風機，其出風量可提升約18.67%。此參數組合可作為貫流風機結構優(yōu)化設計的數據參考。