張楠楨,唐　豪

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京　210016)

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葉片扭轉(zhuǎn)角度對(duì)微型離心風(fēng)機(jī)性能的影響

張楠楨,唐豪

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016)

利用CFD技術(shù)，研究了不同扭轉(zhuǎn)角度下葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)整體氣動(dòng)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：葉片扭轉(zhuǎn)角度的變化對(duì)微型離心風(fēng)機(jī)有明顯影響，扭葉片能使壓力面和吸力面的壓力沿葉高呈C型分布，減小流動(dòng)損失，安裝扭葉片的風(fēng)機(jī)整體效率高于安裝直葉片的風(fēng)機(jī)。在對(duì)不同方向角度扭轉(zhuǎn)葉片的對(duì)比中，正角度的扭葉片可以得到負(fù)的壓力梯度，葉片表面的邊界層不再向葉片根部堆積，將葉片根部的附面層驅(qū)至主流區(qū)，避免了附面層的堆積和分離，降低了端部的損失，從而提高了風(fēng)機(jī)整體的風(fēng)壓，把更多的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成壓力能。

離心風(fēng)機(jī)；扭葉片；CFD數(shù)值研究；氣動(dòng)性能；壓力分布

隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升，CPU等核心部件的散熱問題成為制約電子設(shè)備性能發(fā)展的一個(gè)重要因素。離心式風(fēng)機(jī)在電子設(shè)備的散熱過程中起決定性作用。因此，提升離心式風(fēng)機(jī)氣動(dòng)的性能成為目前研究微型電子設(shè)備散熱問題的重點(diǎn)。由于微型軸流風(fēng)扇的氣動(dòng)負(fù)荷較低，按傳統(tǒng)的大、中型風(fēng)機(jī)扭葉片方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其氣動(dòng)性能改善效果并不明顯，這大大制約了扭葉片技術(shù)在微型風(fēng)扇上的應(yīng)用。因此，市場(chǎng)上常見的微型風(fēng)扇葉片造型往往是以“降噪”為目的，而“扭葉片”的設(shè)計(jì)實(shí)例尚不多見[1]。

“葉片徑向扭曲”[2]是一種有效的改善風(fēng)扇氣動(dòng)性的方法，這在眾多高負(fù)荷的大、中型風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐中已被證實(shí)。微型軸流風(fēng)扇是近年隨著計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的興起而得到廣泛應(yīng)用的，對(duì)其氣動(dòng)性能的研究剛剛起步。由于離心式葉輪風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)極其復(fù)雜，通常存在較強(qiáng)的逆壓力梯度和黏性分離，并時(shí)常伴隨回流和二次流等復(fù)雜的三維湍流[3]，在流體機(jī)械的研究中很難通過實(shí)驗(yàn)和理論手段對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行深入研究。近年來，隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬成了研究離心式葉輪風(fēng)機(jī)的重要手段。數(shù)值模擬可以在相對(duì)經(jīng)濟(jì)的條件下對(duì)復(fù)雜的流動(dòng)情況進(jìn)行較好的捕捉和預(yù)測(cè)，目前已成為國(guó)內(nèi)外對(duì)離心式葉輪機(jī)械研究的重要方法。

1　設(shè)計(jì)計(jì)算方法

假設(shè)微型風(fēng)扇中氣流是理想、不可壓縮、沿圓柱面流動(dòng)的,且進(jìn)入葉輪時(shí)流動(dòng)均勻、無旋流。在扭葉片設(shè)計(jì)中,對(duì)單級(jí)葉輪,其出口周向速度分量沿葉高的分布用式(1)來控制[4]:

(1)

式中，指數(shù)α為變環(huán)量指數(shù),其取值范圍一般為[-1,1]。

微型風(fēng)扇出口流速的軸向分量與周向分量沿葉高的分布完全由變環(huán)量指數(shù)α確定,且兩者相互對(duì)應(yīng):即一個(gè)C2u確定唯一的C2z,因此只要給定C2z沿葉高的分布規(guī)律，即可確定葉片出口安裝角沿葉高的分布規(guī)律[5]。影響絕對(duì)速度分量和安裝角的重要因素是變環(huán)量指數(shù)，而變環(huán)量指數(shù)的取值是根據(jù)直葉片扭轉(zhuǎn)角度不同來確定。由于葉片的變環(huán)量指數(shù)并不是扭葉片中一個(gè)直觀的變化參數(shù)，故本文致力于研究扭葉片角度的變化對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

本文采用的直葉片是某型號(hào)風(fēng)機(jī)上的葉片，葉片數(shù)量為90。根據(jù)扭轉(zhuǎn)方向的不同規(guī)定了扭轉(zhuǎn)角度的正負(fù)：與轉(zhuǎn)速方向同向扭轉(zhuǎn)為負(fù)角度，與轉(zhuǎn)速方向逆向扭轉(zhuǎn)為正角度，如圖1、2所示。

圖1　正角度扭轉(zhuǎn)葉片

圖2　負(fù)角度扭轉(zhuǎn)葉片

2　數(shù)值計(jì)算過程

流場(chǎng)計(jì)算在商用CFD軟件Numeca上完成。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的Baldwin-Lomax代數(shù)模型。為了加快收斂速度,計(jì)算中采用了“當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)”、“隱式殘差光順”、“多重網(wǎng)格”等加速收斂技術(shù)[5]。

整個(gè)計(jì)算在具有周期性的單個(gè)葉道內(nèi)進(jìn)行,給出了葉頂間隙。網(wǎng)格采用H-I型,整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)在70萬以上。在葉片近壁面、葉柵端壁、頭尾緣等流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域?qū)W(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，達(dá)到了網(wǎng)格法向量綱一尺寸y+=2。邊界條件設(shè)定如下：

進(jìn)口：給定初始總壓與氣流方向(軸向進(jìn)氣)。

出口：給定流量。

葉片表面與內(nèi)、外端壁：采用無滑移邊界條件。

葉柵前后延伸段的交接面：采用周期性條件。

收斂標(biāo)準(zhǔn)：整體殘差下降至-4以上；進(jìn)出口質(zhì)量流量相差0.5%以上。

3　扭葉片氣動(dòng)性能的分析

3.1扭轉(zhuǎn)角度對(duì)風(fēng)機(jī)整體效率的影響

通過對(duì)不同扭轉(zhuǎn)角度的扭葉片的數(shù)值計(jì)算，得到在相同初始?jí)毫统隹诹髁壳闆r下扭轉(zhuǎn)角度和風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓比、整機(jī)效率以及輸出功率之間的變化關(guān)系。

從圖3中可以看到：不管朝哪個(gè)方向扭轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)整體效率都有所提高，安裝直葉片的風(fēng)機(jī)整體效率在38%左右；采用扭轉(zhuǎn)葉片之后，效率普遍在39%以上，最高可達(dá)40.3%左右，提高了2個(gè)百分點(diǎn)。在一定范圍內(nèi)，無論扭轉(zhuǎn)角度的正負(fù)，扭葉片的效率都隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加而增加。盡管在計(jì)算范圍 (-15°～15°) 內(nèi)，較大的扭轉(zhuǎn)角度出現(xiàn)了效率下降的情況，但整體效率依然大于安裝直葉片的風(fēng)機(jī)。

從理論分析的角度來說，這是作用在葉片表面的氣流在徑向的分力不為0的結(jié)果。徑向平衡方程[6]為

(2)

式(2)中，等式右邊的第1項(xiàng)為離心項(xiàng)，在普通葉片中，其他3項(xiàng)相對(duì)于離心項(xiàng)階次很低，因此決定了等式整體為正值，徑向壓力梯度大于0，此時(shí)沿葉片表面的邊界層的徑向二次流[7]總是從葉片的頂部流向葉片根部。沿吸力面的徑向二次流與流道下壁面上的橫向二次流匯合，使邊界層加厚。在正壓力梯度的作用下，邊界層還有可能產(chǎn)生分離，所以，直葉片間的損失迅速增加。

根據(jù)等環(huán)量理論[8]，直葉片在扭轉(zhuǎn)角度相同的情況下，負(fù)向扭轉(zhuǎn)和正向扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的變環(huán)量指數(shù)基本是相同的，所以，正負(fù)兩種角度的扭葉片對(duì)風(fēng)機(jī)整體效率的提升也基本相等。采用扭葉片時(shí)，氣流在葉片上的徑向分力與離心項(xiàng)在同一量級(jí)，葉片在扭轉(zhuǎn)一定的角度后，可以得到符號(hào)為負(fù)的徑向分力，使等式整體變?yōu)樨?fù)值，從而得到負(fù)的壓力梯度項(xiàng)。在負(fù)壓力梯度作用下，葉片表面的邊界層不再向葉片根部堆積，而被吸入到流道中，和主流一起出葉道。因此，葉片扭轉(zhuǎn)利用葉片力的徑向分量使葉柵流道內(nèi)靜壓重新分布,合適的扭轉(zhuǎn)角能使根部壓力梯度為負(fù),將葉片根部的附面層驅(qū)至主流區(qū),避免了附面層的堆積和分離,降低了端部的損失(見圖4)。

從安裝角的層面來說，對(duì)于確定的工況，葉片進(jìn)出口的速度三角形是確定的，對(duì)于額定設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，離心風(fēng)機(jī)一定存在一個(gè)最佳的安裝角。但在實(shí)際運(yùn)行中，必然會(huì)出現(xiàn)變工況的運(yùn)行，在外界因素達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速的情況下，離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效果就會(huì)受到影響。扭轉(zhuǎn)葉片實(shí)際上起的效果是擴(kuò)大了最佳安裝角的范圍，葉片沿葉高方向上的某個(gè)截面能獲得較好的進(jìn)氣條件，使葉片在更多的情況下都能達(dá)到一個(gè)比較好的流動(dòng)狀態(tài)。

圖3　扭轉(zhuǎn)角度與風(fēng)機(jī)整體效率關(guān)系曲線

圖4　兩種葉片表面等壓力線

3.2扭轉(zhuǎn)角度對(duì)風(fēng)機(jī)壓比效率的影響

從圖5中可以看到：整個(gè)壓比的曲線從左到右整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，風(fēng)機(jī)整機(jī)的進(jìn)出口壓比隨著扭轉(zhuǎn)角度從負(fù)角度到正角度逐漸增大。安裝直葉片的風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓比約為1.013，風(fēng)壓約為1.317 kPa。安裝負(fù)扭轉(zhuǎn)角度葉片的風(fēng)機(jī)所能提供的壓升小于1.317 kPa，而安裝正角度葉片的風(fēng)機(jī)所能提供的壓升大于1.317 kPa，最高可以到達(dá)1.823 kPa。與效率曲線不同的是，在提升出口壓力方面，負(fù)扭轉(zhuǎn)角度扭葉片不如直葉片，而正角度扭葉片依然比直葉片有更好的增壓能力。同樣，當(dāng)正扭轉(zhuǎn)角度大于某一數(shù)值時(shí)，壓比也開始下降。

圖5　扭轉(zhuǎn)角度與風(fēng)機(jī)壓比關(guān)系曲線

對(duì)于正向扭轉(zhuǎn)的葉片，葉柵流道內(nèi)沿葉高方向呈現(xiàn)“C”型壓力分布[9-10]，這種現(xiàn)象可以解釋在流體擴(kuò)壓階段有效地降低能量損失的原因。葉片經(jīng)過扭轉(zhuǎn)后，葉頂截面和葉根截面與下壁面產(chǎn)生不同的夾角，兩處的壓力梯度有所不同，通過安裝角度的設(shè)置可以使葉頂處的壓力梯度為正，葉根處的壓力梯度為負(fù)，將流道中部的附面層吸入主流區(qū)域帶走，達(dá)到降低兩端損失的效果。只有在邊界層分離情況比較嚴(yán)重的時(shí)候，正向扭轉(zhuǎn)才會(huì)起到相反的效果。而對(duì)于反向扭轉(zhuǎn)的葉片，葉柵流道內(nèi)呈現(xiàn)反“C”型的壓力分布，雖然低能流體也被吸入葉片中部的主流區(qū)，但這部分流體增大了流體分離微團(tuán)的數(shù)量，加強(qiáng)了分離效果，離心風(fēng)機(jī)整體的總壓并沒有增加。所以，從增壓的角度來看，葉片正向扭轉(zhuǎn)的效果要好于反向扭轉(zhuǎn)。

在扭轉(zhuǎn)角度對(duì)風(fēng)壓的影響中，根據(jù)速度三角形理論可知：

(3)

(4)

(5)

當(dāng)葉輪幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、流量一定時(shí)，揚(yáng)程的大小僅取決于葉片出口安裝角β。當(dāng)采用直葉片時(shí)，葉片的安裝角大于90°，為前彎式葉片。如圖6所示，當(dāng)葉片扭轉(zhuǎn)角度為正角度時(shí)，葉片沿葉高方向的安裝角逐漸增大。因?yàn)棣?90°，cotβ為負(fù)值，β越大，cotβ就越小，揚(yáng)程則越大，所以整體的風(fēng)壓就會(huì)上升。同理，當(dāng)葉片扭轉(zhuǎn)角度為負(fù)角度時(shí)，葉片沿葉高方向的安裝角逐漸減小，揚(yáng)程則會(huì)減小，所以，整體的風(fēng)壓隨著扭轉(zhuǎn)角度由負(fù)到正呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。但是并非出口安裝角越大，葉片所能提供的揚(yáng)程就越大，出口角β存在著最大值，使得流體從葉輪獲得的能量達(dá)到最大。較大的扭轉(zhuǎn)角度會(huì)使葉片沖角過大，流體流動(dòng)方向不能沿葉片設(shè)計(jì)的方向射入，造成攻角過大，引起局部失速現(xiàn)象，使彎曲靜葉的下游流場(chǎng)變壞，從而導(dǎo)致喘振裕度降低[11]，這也是為什么當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度在15°時(shí)壓比出現(xiàn)大幅下降的原因。

圖6　出口安裝角速度三角形

4　直葉片三維扭轉(zhuǎn)與二維葉型優(yōu)化的比較

由于微小型風(fēng)機(jī)葉輪在加工工藝方面存在著諸多不便，所以在對(duì)葉輪葉型優(yōu)化的過程中需要考慮優(yōu)化的收益性。和三維葉片扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)相比，二維葉型由圖7(a)優(yōu)化為圖7(b)所示，沿葉高方向依然采用直葉片，但葉型由原來較為簡(jiǎn)單的形狀優(yōu)化為翼型，使得流體在流動(dòng)上更加合理。顯然，葉片在二維截面進(jìn)行優(yōu)化在加工工藝上存在著優(yōu)勢(shì)，將二維葉型優(yōu)化和三維扭轉(zhuǎn)葉片進(jìn)行比較，可以得知扭轉(zhuǎn)葉片在風(fēng)機(jī)性能上提升的效果更好。

圖7　二維葉片優(yōu)化前后葉型對(duì)比

圖8分別描繪了二維葉型優(yōu)化和三維葉型優(yōu)化的工況曲線。圖8(a)為2種優(yōu)化方法的流量-效率曲線。從工況曲線中可以看到：在低流量下，二維優(yōu)化的效率高于三維優(yōu)化，但是低流量意味著散熱量較小，溫差不大，散熱離心風(fēng)機(jī)并不在其設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)工作，在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)生的情況比較少。而當(dāng)流量達(dá)到0.008 kg/s時(shí)，散熱離心風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下工作，三維扭轉(zhuǎn)葉片的效率隨流量的增加逐漸高于二維優(yōu)化的葉片，兩者都在0.025 kg/s附近時(shí)達(dá)到效率峰值，之后開始下降。流量在0.014～0.026 kg/s時(shí)，風(fēng)機(jī)整體效率在效率峰值的85%以上，稱為經(jīng)濟(jì)工況區(qū)。在經(jīng)濟(jì)工況區(qū)內(nèi)，三維扭轉(zhuǎn)葉片的效率明顯高于二維優(yōu)化葉片。

葉片的二維形狀決定了其沿葉片表面邊界層的徑向二次流總是從葉片的頂部流向葉片根部。沿吸力面的徑向二次流與流道下壁面上的橫向二次流匯合，在葉根處形成堆積，使邊界層加厚，所以葉片截面沿葉高方向越靠近葉根，尾緣處的靜壓越大，速度越小，引起流動(dòng)不暢，速度在葉根處損失增多。葉片扭轉(zhuǎn)能使葉片沿葉高形成“C”型壓力分布，有效避免分離現(xiàn)象發(fā)生。在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，與二維流線型葉片設(shè)計(jì)相比，三維扭轉(zhuǎn)葉片減少分離對(duì)流動(dòng)的影響更為突出。

圖8　2種優(yōu)化的工況曲線

二維優(yōu)化的葉型是在原型風(fēng)機(jī)葉型的基礎(chǔ)上，針對(duì)葉片前緣和尾緣進(jìn)氣效果差的缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。在葉片尾緣處的圓弧半徑縮小之后，原本在尾緣處存在的類似圓柱繞流的現(xiàn)象消失了，流動(dòng)分離情況大大改善。由于葉片的形狀從原型風(fēng)機(jī)的等厚雙圓弧葉片變?yōu)椴坏群耠p圓弧葉片，使得葉片兩側(cè)吸力面和壓力面幾何曲線的曲率不相等，流體在葉道內(nèi)流動(dòng)寬度出現(xiàn)先減小后增大的過程，相當(dāng)于漸縮漸擴(kuò)管的流動(dòng)狀況，因此，在葉道中部出現(xiàn)了靜壓減小的區(qū)域。減縮漸擴(kuò)流道的形成，有利于流體加速增壓過程的實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了葉輪的旋轉(zhuǎn)吸力，使離心風(fēng)機(jī)整體的流量得到提升。但是，由于葉片整體的形狀及其他幾何因素沒有改變，這種葉片依然存在一些不合理的情況。在葉片流道內(nèi)，吸力面一側(cè)受到氣流的沖擊，附近氣流速度損失大，靜壓較低；而壓力面一側(cè)的流體相對(duì)速度較快，靜壓較高，因此，在流道內(nèi)形成了明顯的壓力分界線，葉片受到的沖擊損失比較大，對(duì)葉片的效率產(chǎn)生不利影響。

在圖8(b)中，三維優(yōu)化葉片的流量-壓比工況曲線的收益效果更加明顯。從圖中可以看出：壓比隨流量的增大而減小，由于流體黏性的影響，摩擦和渦流損失隨流量的平方增加，故流量越大，壓比越接近1，揚(yáng)程就越來越小。在可計(jì)算的工況范圍內(nèi)，三維扭轉(zhuǎn)葉片的揚(yáng)程均高于二維優(yōu)化的葉片。根據(jù)本文的分析，二維葉片的出口安裝角沿葉高方向不變，整個(gè)葉片的揚(yáng)程是確定的，而三維扭轉(zhuǎn)葉片的出口安裝角隨葉高增加而增加，所以，三維葉片的揚(yáng)程增量大于二維葉片。圖8中三維扭轉(zhuǎn)葉片的揚(yáng)程曲線在二維優(yōu)化葉片之上。

5　結(jié)論

1) 在微型離心風(fēng)機(jī)中，葉片扭轉(zhuǎn)改善了葉柵流道內(nèi)的壓力梯度，減少了低能流體在葉根處的堆積，扭葉片的扭轉(zhuǎn)角度無論正負(fù)都能提高風(fēng)機(jī)的整體效率，絕對(duì)值相同的正角度扭葉片和負(fù)角度扭葉片效率基本相同。

2) 在微型離心風(fēng)機(jī)中，正角度扭葉片能使流體在葉柵流道內(nèi)形成“C”型壓力分布，降低邊界層分離出現(xiàn)的概率，提高風(fēng)機(jī)的出口壓力；而負(fù)角度扭葉片形成的反“C”型壓力分布使流體在葉柵兩端的損失增大、負(fù)角度扭葉片的風(fēng)壓小于直葉片。從提高風(fēng)壓的角度來說，正角度扭葉片的效果好于負(fù)角度扭葉片。

3) 在微小型離心風(fēng)機(jī)中，內(nèi)部空間狹小使葉片扭轉(zhuǎn)對(duì)流動(dòng)有明顯影響。葉型二維優(yōu)化難以驅(qū)散聚集在葉根處的流體。葉片三維扭轉(zhuǎn)的效率比二維葉型的優(yōu)化效果更好，也能提高風(fēng)機(jī)整體的壓比。

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(責(zé)任編輯陳艷)

Research on Angle of Twisted Blade of to the Performance of Micro Centrifugal Fan

ZHANG Nan-zhen, TANG Hao

(College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

This paper studied the effect of centrifugal impeller to dynamic performance under different twisted angle by using the CFD technology. Through the study it was found that the change of twisted angle of blade has significant effect on micro centrifugal fan, and the twisted blade urges the pressure and suction side along the blade height shown “C” type distribution, reducing the loss of flow. The efficiency of micro centrifugal fan with twisted blade is higher than the fan with straight one. Comparing the twisted angle of blade to different orientation, it has shown that the positive twisted angle can make the pressure gradient at the root of blade negative, driving the boundary layer of the blade at the root into the mainstream which avoids accumulation and separation of boundary layer, transforming more mechanical energy to pressure energy and enhancing the performance of micro centrifugal fan.

centrifugal blower；twisted blade；CFD numerical investigation；aerodynamic performance；pressure distribution

2016-02-22

張楠楨(1991—)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事風(fēng)機(jī)散熱、葉輪機(jī)械的流動(dòng)數(shù)值研究，E-mail:jsnldznz@163.com。

format：ZHANG Nan-zhen, TANG Hao.Research on Angle of Twisted Blade of to the Performance of Micro Centrifugal Fan[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):49-54.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.008

TS737+1

A

1674-8425(2016)09-0049-06

引用格式：張楠楨,唐豪.葉片扭轉(zhuǎn)角度對(duì)微型離心風(fēng)機(jī)性能的影響[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):49-54.