張潤梅，段飛亞，劉濤，吳昊，宋海波

(1.安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，合肥 230601；2.安徽漢高信息科技有限公司，合肥 230088)

0 引言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)飛速發(fā)展，道路管理要求逐漸提高，智能收費(fèi)亭需求加大，其新風(fēng)系統(tǒng)對于工作人員的工作環(huán)境極其重要[1-2]。經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)有智能收費(fèi)亭新風(fēng)系統(tǒng)多采用兩種風(fēng)幕機(jī)：普通外掛形、專用形。普通外掛型，外掛于窗口上方，尺寸與收費(fèi)亭難以匹配，占用外部空間，易受亭外環(huán)境制約。專用型，采用貫流式結(jié)構(gòu)，送風(fēng)方向?yàn)閭?cè)吸下吹式，嵌入式安裝于智能收費(fèi)亭內(nèi)部，不占用外部空間，且不受亭外環(huán)境制約。而貫流式風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場受多種參數(shù)影響，包括進(jìn)口角、出口角變化、外周葉片角、不同內(nèi)周葉片角、不同直徑比以及不同轉(zhuǎn)速等因素[3-4]，葉輪靠近蝸舌下方有一偏心渦，是引起貫流的原因，也是影響貫流風(fēng)機(jī)性能的重要因素[5-7]。但目前市場上專用風(fēng)幕機(jī)的外形結(jié)構(gòu)仍有待明確，現(xiàn)對某高速公路智能收費(fèi)亭專用風(fēng)幕機(jī)不同進(jìn)風(fēng)口形狀以及不同渦舌結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探究不同結(jié)構(gòu)對風(fēng)幕機(jī)內(nèi)部流場以及出風(fēng)口風(fēng)速的影響規(guī)律，以便尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高風(fēng)幕機(jī)的工作性能。

1 專用風(fēng)幕機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該風(fēng)幕機(jī)主要由貫流葉輪、風(fēng)道和電動機(jī)三部分組成。貫流葉輪旋轉(zhuǎn)時，氣流從風(fēng)幕機(jī)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入葉柵，穿過葉輪內(nèi)部，向另一面葉柵處排入蝸殼，在風(fēng)道結(jié)構(gòu)的約束下，沿風(fēng)道從出風(fēng)口流出，形成工作氣流。

殼體為圓弧形進(jìn)風(fēng)口，渦舌部為無倒圓角結(jié)構(gòu)。風(fēng)道高度300 mm，由于智能收費(fèi)亭內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制，風(fēng)道下端為弧形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。貫流葉輪為兩段式非扭曲葉輪，幾何關(guān)系如圖2所示。葉輪長度d=598 mm，葉輪外徑D2=110 mm，葉輪內(nèi)徑D1=82.5 mm，直徑比0.75，葉片外圓周角為β2=26°，葉片內(nèi)圓周角為β1=90°，葉片傾斜角度α=50°，成圓周均勻分布，個數(shù)為30，葉輪轉(zhuǎn)速可調(diào)。貫流葉輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

2 數(shù)值模擬計算及結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬對象

圖1 風(fēng)幕機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 葉片幾何關(guān)系圖

圖3 整體結(jié)構(gòu)示意圖

貫流葉輪為非扭曲葉輪，流場具有良好的軸向一致性，軸向渦影響可忽略[8]，因此，本文中的所有模擬均采用二維模型。針對該風(fēng)幕機(jī)，在貫流葉輪結(jié)構(gòu)不變的情況下，對以下兩種影響因素進(jìn)行分析：①固定渦舌形狀為R=20 mm倒圓角，改變進(jìn)風(fēng)口形狀(直線型與弧型，如圖4)；②固定進(jìn)風(fēng)口形狀為弧形，改變渦舌形狀(直角渦舌與倒圓角R=5、10、15、20、25 mm 渦舌，如圖 5)。

2.2 數(shù)值模擬計算過程

圖4 直線型進(jìn)風(fēng)口與弧線形進(jìn)風(fēng)口

圖5 直角渦舌與倒圓角(R=5～25 mm)渦舌

因模型含有旋轉(zhuǎn)葉片，為模擬葉片區(qū)域流體的運(yùn)動，在繪制網(wǎng)格與仿真分析過程中將模型分為兩區(qū)域，靜止域與旋轉(zhuǎn)域模型。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對葉片區(qū)域以及出風(fēng)口區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，設(shè)置網(wǎng)格最大尺寸：進(jìn)風(fēng)口5、出風(fēng)口1、壁面3、葉片1、靜止域與旋轉(zhuǎn)域邊界2。網(wǎng)格分布如圖6、圖7(以弧線形進(jìn)風(fēng)口，渦舌倒圓角R=10 mm結(jié)構(gòu)為例)。使用Fluent 17.0導(dǎo)入靜止域網(wǎng)格文件，附加旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格文件?？刂品匠滩捎美字Z平均的N-S方程。因Realizable模型在模擬旋轉(zhuǎn)流動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流中有很好的表現(xiàn)[9-10]，文中仿真均采用Realizable k-?模型。近壁處流動采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，壓力和速度耦合方程采用SIMPLEC算法求解，湍流耗散率采用二階迎風(fēng)格式離散，邊界條件為pressure-inlet、pressure-outlet，靜止域與旋轉(zhuǎn)域交界處設(shè)置網(wǎng)格接口。采用滑移網(wǎng)格方法處理，模擬葉片區(qū)域流體的運(yùn)動，設(shè)置旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為葉輪中心坐標(biāo)。為控制變量，將不同結(jié)構(gòu)下的旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速均設(shè)置順時針1200 r/min，便于結(jié)果對比。結(jié)果精度設(shè)置為：連續(xù)性，X、Y方向速度，k以及?均為1×10-7。

2.3 進(jìn)風(fēng)口形狀對風(fēng)機(jī)性能的影響

圖8、圖9分別為直線型進(jìn)風(fēng)口與弧形進(jìn)風(fēng)口時的速度矢量圖和全壓云圖。

圖6 旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格

圖7 靜止域網(wǎng)格

由圖8(a)、圖8(b)速度矢量圖可知，無論是直線型進(jìn)風(fēng)口或弧形進(jìn)風(fēng)口，其渦舌附近葉輪下方均存在一低壓區(qū)域，形成了環(huán)形偏心渦，其旋轉(zhuǎn)方向與貫流葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致，阻止了出風(fēng)口處氣體的回流，決定了風(fēng)道內(nèi)部氣體流向。由圖9(a)、圖9(b)全壓云圖可知，自進(jìn)風(fēng)口至偏心渦旋轉(zhuǎn)中心總壓逐步降低，在偏心渦中心達(dá)到最低，再由偏心渦旋轉(zhuǎn)中心至葉輪外徑下方以及渦舌下部區(qū)域逐步增加，在靠近蝸殼區(qū)域達(dá)到最大，該種壓力梯度導(dǎo)致氣體在偏心渦的作用下貫穿葉輪，形成貫流區(qū)域。再沿風(fēng)道內(nèi)壁向下運(yùn)動，全壓逐漸降低。

圖8 不同進(jìn)風(fēng)口形狀速度矢量圖

以葉輪旋轉(zhuǎn)軸為坐標(biāo)原點(diǎn)，在仿真結(jié)果中點(diǎn)選偏心渦渦核坐標(biāo)得到：直線型進(jìn)風(fēng)口渦核坐標(biāo)為(1.706，-25.491)、弧形進(jìn)風(fēng)口渦核坐標(biāo)為(26.362，-28.694)(單位mm)。由于直線型進(jìn)風(fēng)口渦核與渦舌的橫向間距較小，縱向間距較大，使其在進(jìn)風(fēng)口靠近渦舌附近又形成了另一高壓區(qū)域，導(dǎo)致部分氣流經(jīng)過偏心渦加速后沿該高壓區(qū)域向進(jìn)風(fēng)口流出，形成回流。由圖9全壓云圖colormap可知，直線形進(jìn)風(fēng)口的最大總壓值為128 Pa，小于弧形進(jìn)風(fēng)口的最大壓力總壓值146 Pa，直線型進(jìn)風(fēng)口最小總壓值為-83.8 Pa，大于弧形進(jìn)風(fēng)口最小總壓值-171 Pa.壓差小于弧形進(jìn)風(fēng)口壓差。造成了能量的大量損失。在弧形進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)下，蝸殼處的壓力分布范圍向風(fēng)道下方延伸明顯，氣流更加平穩(wěn)快速。直線形進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)下的出風(fēng)口速度也小于弧形進(jìn)風(fēng)口下的出風(fēng)口的速度，不僅影響風(fēng)機(jī)工作效率，且進(jìn)風(fēng)口位置大量的回流區(qū)域也會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)噪聲增大，影響性能。

2.4 渦舌曲線形狀對風(fēng)機(jī)性能的影響

圖10為弧形進(jìn)風(fēng)口時，直角渦舌與倒圓角渦舌(半徑R=5、10、15、20、25 mm)的全壓云圖，表 1為不同結(jié)構(gòu)的壓力極差，圖11為不同渦舌類型下出風(fēng)口的風(fēng)速對比圖。

圖9 不同進(jìn)風(fēng)口形狀全壓云圖

由圖10全壓云圖可知，偏心渦區(qū)域大小接近，渦心均位于渦舌蝸殼中間區(qū)域靠近葉輪內(nèi)徑下方位置，圖中colormap表示：6種渦舌曲線形狀下，風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力極差如表一，隨著渦舌倒圓角半徑增大，內(nèi)部壓力極差先增大，再減小，再增大，且倒圓角R=25 mm時壓力極差大于倒圓角R=10 mm時壓力極差。但結(jié)合出風(fēng)口風(fēng)速對比圖可知，當(dāng)渦舌倒圓角R=10 mm左右時，出風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到最大，過大或過小的倒圓角或無倒圓角，都會使得出風(fēng)口流速降低。這是由于偏心渦的作用，控制整個氣體的流動，氣流貫穿葉輪后又再次回流至葉輪內(nèi)部，部分氣流沿貫流葉輪與渦舌間隙向出風(fēng)口流出，形成了空氣對流，壓力極差越大，偏心渦附近氣流流速越大，但渦舌倒圓角半徑越大，渦舌距離偏心渦的距離越遠(yuǎn)，渦舌到進(jìn)風(fēng)口段的回流區(qū)域逐漸加大，導(dǎo)致主流區(qū)域逐漸減小，高壓區(qū)域位置向上偏移。但過小的倒圓角也增大了風(fēng)道的阻力，同樣也會降低出風(fēng)口的風(fēng)速。既降低風(fēng)機(jī)整體的效率，又產(chǎn)生過量的噪音，影響風(fēng)機(jī)性能。

表1 不同渦舌結(jié)構(gòu)的壓力極差

圖10 不同渦舌結(jié)構(gòu)全壓云圖局部圖

圖11 出風(fēng)口風(fēng)速對比圖

3 結(jié)論

通過對智能收費(fèi)亭專用風(fēng)幕機(jī)在不同進(jìn)風(fēng)口形狀以及不同渦舌形狀下的內(nèi)部流場模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)對比直線型進(jìn)風(fēng)口與弧形進(jìn)風(fēng)口，弧形進(jìn)風(fēng)口其內(nèi)部偏心渦更靠近風(fēng)道，蝸殼處的壓力分布范圍向風(fēng)道下方延伸明顯，可明顯降低氣體的回流，氣流更加平穩(wěn)快速，性能優(yōu)于直線形進(jìn)風(fēng)口；

(2)對比直角渦舌以及不同半徑的倒圓角渦舌，直角渦舌或半徑較小的倒圓角渦舌，出風(fēng)口回流較小，但風(fēng)道阻力過大；過大的倒圓角，風(fēng)道阻力較小，但出風(fēng)口回流過大。隨著倒圓角的增大，出風(fēng)口風(fēng)的風(fēng)速先增加后減小，當(dāng)渦舌倒圓角R=10 mm左右時，出風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到最大。

該過程以及結(jié)論為改善專用風(fēng)幕機(jī)工作性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方法模型支持。