侯佳鑫 趙 琛 謝軍龍 吳 鑫

（華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

0 引言

箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)是一種新型離心風(fēng)機(jī)，也是新風(fēng)機(jī)組的重要組件，主要用于空調(diào)設(shè)備和建筑通風(fēng)等領(lǐng)域[1]。與有蝸殼風(fēng)機(jī)相比，箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、靜壓效率高、噪聲低、體積小、出風(fēng)方向任意等優(yōu)點(diǎn)，且符合風(fēng)機(jī)設(shè)備向低能耗、低噪聲、小體積的變化趨勢[2]，具有廣闊的應(yīng)用前景。但箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)能效差，相對于傳統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)，箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)出口靜壓低，總效率最高為58%～63%，無法達(dá)到傳統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)的水平[3]。

為提高箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)性能，研究人員對風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的研究。馬寅輝等[4]對無蝸殼風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析后，認(rèn)為風(fēng)機(jī)內(nèi)的能量損失在低流量工況下主要由葉片吸力面分離渦導(dǎo)致，在高流量工況下主要由二次流等因素導(dǎo)致。劉懷耀等[5]將同一葉輪放入不同尺寸的箱體內(nèi)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)箱體尺寸大小對無蝸殼風(fēng)機(jī)全壓效率有影響，并認(rèn)為箱體越接近蝸線效率越高。吳飛等[6]采用響應(yīng)面法對風(fēng)機(jī)箱體進(jìn)行綜合優(yōu)化，優(yōu)化后模型靜壓和效率有顯著提升。

但目前國內(nèi)外針對箱體內(nèi)氣流流動情況及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的研究較少，且缺乏定量的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)說明。本文采用計(jì)算流體動力學(xué)方法進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，分析箱體內(nèi)部產(chǎn)生流動損失的主要原因，并以葉輪外徑作為參照基準(zhǔn)，研究箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)機(jī)性能的影響規(guī)律，確定最佳箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)，為后續(xù)設(shè)計(jì)高效節(jié)能的箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型簡化

箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)整機(jī)模擬仿真時其三維模型主要由風(fēng)管、集流器、葉輪、電機(jī)、箱體五個部分組成。在三維建模階段，對模型進(jìn)行簡化，僅保留葉輪部分的厚度，忽略部分工藝與零件，簡化后箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)三維模型如圖1 所示。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，箱體參數(shù)示意圖如圖2 所示。風(fēng)機(jī)在額定工況下的轉(zhuǎn)速為2 330r/min，風(fēng)量為500m3/h。

表1 原型機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Prototype structure parameters

圖2 箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.2 Parameter diagram of plenum fan

為增加研究成果的實(shí)用性，同時為后續(xù)研究提供理論依據(jù)，本文在描述箱體尺寸時以葉輪外徑D作為基準(zhǔn)。

1.2 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證

根據(jù)風(fēng)機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)，使用專業(yè)網(wǎng)格劃分工具對各個流體域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。葉輪域流動劇烈，流動情況復(fù)雜，為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，對葉輪域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。風(fēng)機(jī)子午面網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)子午面網(wǎng)格Fig.3 Fan meridional grid

為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，對箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格數(shù)量與額定工況下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。由表2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量由187萬增加至499萬，風(fēng)機(jī)靜壓趨于穩(wěn)定。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬網(wǎng)格數(shù)量確定為187萬。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)量下的風(fēng)機(jī)靜壓Tab.2 Static pressure of fans with different grid numbers

1.3 邊界條件

對箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)進(jìn)行定常模擬，葉輪流體域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，風(fēng)管進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界，箱體出口設(shè)置為壓力出口邊界，表壓值為0Pa。

風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動受限，導(dǎo)致雷諾數(shù)較大，故用湍流模型進(jìn)行計(jì)算，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型[7-8]，速度場和壓力場的耦合計(jì)算采用SIMPLE方法[9]，當(dāng)收斂精度小于10-3且進(jìn)出口壓力穩(wěn)定，即認(rèn)為達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。采用上述計(jì)算方法對箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

1.4 模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)原型機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將其與某廠提供的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

圖4 為數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，由圖可知，數(shù)值模擬與試驗(yàn)獲得的性能曲線趨勢相似，吻合較好，最大偏差僅為0.5%。表明本文采用的物理模型和計(jì)算方法準(zhǔn)確可信，可用于指導(dǎo)下一步的研究工作。

圖4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Comparison of experiment and simulation

2 箱體流場分析

模擬風(fēng)機(jī)在額定工況下的運(yùn)行狀態(tài)，獲取箱體內(nèi)靜壓分布云圖，速度分布云圖與氣流運(yùn)動軌跡，并分析能量損失的主要原因。

圖5 和圖6 分別為風(fēng)機(jī)多截面速度分布云圖和子午面流線圖，中間空白區(qū)域?yàn)殡姍C(jī)。由圖5 可知，氣體由集流器進(jìn)入，在通過葉輪時氣流速度逐漸增加，在葉輪出口處氣流速度達(dá)到最大值。氣流在箱體中流動時，近壁面的氣流流速大于箱體中間區(qū)域的流速。由圖6可知，葉輪甩出的氣體呈弧狀沖擊箱體壁面后沿壁面流動，直至離開箱體。風(fēng)機(jī)流道中存在定向高速強(qiáng)氣流和無序低速弱氣流，流道中的強(qiáng)氣流無法帶動弱氣流定向流動，這一現(xiàn)象在箱體中心區(qū)域表現(xiàn)最為明顯。葉輪甩出的氣體撞擊箱體壁面后分別流向出口側(cè)與進(jìn)口側(cè)。箱體內(nèi)部出現(xiàn)多處旋渦，一部分是箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)軸向送風(fēng)時，氣流沿箱體壁面流動時產(chǎn)生流動分離，在箱體內(nèi)部形成旋渦,如A區(qū)所示；另一部分是葉輪甩出的氣流撞擊壁面后流向進(jìn)口側(cè)，形成旋渦，如B區(qū)所示。旋渦占據(jù)流道中心部分較大區(qū)域，主流被迫在箱壁四周發(fā)展，流通面積受限，導(dǎo)致流動損失加大。

圖5 風(fēng)機(jī)多截面速度分布云圖Fig.5 Fan multi-section velocity distribution

圖6 子午面流線圖Fig.6 Meridional streamline diagram

圖7為箱體內(nèi)部三維流線圖，紅色箭頭標(biāo)注出氣流流動方向。由圖可知，高速氣流沖擊箱體壁面后繼續(xù)沿壁面流動，但氣流速度降低且流動方向出現(xiàn)偏移，從風(fēng)機(jī)進(jìn)口側(cè)觀察，箱體內(nèi)氣流呈現(xiàn)順時針運(yùn)動和水平軸向運(yùn)動疊加出的螺旋狀運(yùn)動。圖8 為風(fēng)機(jī)多截面靜壓分布云圖，由圖可知，箱體近壁面區(qū)域靜壓高，中心靜壓低，氣體沖擊箱體壁面時靜壓達(dá)到最大值。對于軸向送風(fēng)的箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)，氣流撞擊箱體壁面的情況不可避免，易造成較大的沖擊損失。

圖7 箱體內(nèi)部三維流線圖Fig.7 Three dimensional streamline diagram inside the box

圖8 風(fēng)機(jī)多截面靜壓分布云圖Fig.8 Fan multi-section static pressure distribution

綜上所述，軸向送風(fēng)的箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)內(nèi)存在兩處主要的能量損失：一處是旋渦占據(jù)較大流通空間，主流流通面積受限引起的流動損失；另一處是高速氣流撞擊箱體壁面造成的沖擊損失。

3 箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

箱體是箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)的重要組成部分，箱體尺寸過小會增加風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動損失，箱體尺寸過大會增加制造成本，箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可以提高風(fēng)機(jī)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

3.1 箱體寬度對風(fēng)機(jī)性能的影響

在原型機(jī)基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法，獲取箱體寬度為1.4D、1.6D、1.8D、2.0D 時的風(fēng)機(jī)性能曲線，如圖9所示。由圖可知，在額定工況下，隨箱體寬度增大，風(fēng)機(jī)靜壓呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)箱體寬度為1.8D時，風(fēng)機(jī)靜壓達(dá)到最大值。且在小流量范圍內(nèi)，箱體寬度對風(fēng)機(jī)靜壓影響較小，隨著流量增大，葉輪出口速度提高，使沖擊箱體壁面造成的能量損失越來越大，箱體寬度對風(fēng)機(jī)靜壓的影響也越來越顯著。沖擊壁面造成的能量損失是箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)的主要能量損失之一。

圖9 不同箱體寬度風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.9 Performance curve of fans with different box width

由于流量為800m3/h 時，不同箱體寬度下的靜壓壓差較大，且箱體寬度為2.0D 時的靜壓比1.8D 時的靜壓不升反降的趨勢明顯，故對此工況下的箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)不同箱體寬度下的流線圖進(jìn)行分析。

圖10為800m3/h不同箱體寬度流線圖。如圖所示，在四種不同的箱體寬度下，受二次流影響，葉輪出口處均存在出口流速不均勻現(xiàn)象，葉輪甩出的氣體撞擊壁面后分兩個方向沿壁面流動，流向進(jìn)口側(cè)的氣流形成旋渦。箱體寬度為1.4D時，箱體空間較小，從葉輪流出的氣體沖擊壁面時氣流速度最高，撞擊壁面造成的能量損失最大，導(dǎo)致箱體寬度為1.4D 時風(fēng)機(jī)靜壓最低。當(dāng)箱體寬度為2D 時，葉輪流出的氣體進(jìn)入一個較大的箱體空間，靜壓升高，速度降低，氣流撞擊箱體壁面時速度過小，出口流向偏移，導(dǎo)致葉輪出口處流向進(jìn)口側(cè)的氣流增多，箱體內(nèi)部流動損失增加。

綜上所述，箱體寬度為1.8D 時風(fēng)機(jī)靜壓最高。箱體寬度過小，葉輪甩出的氣流高速沖擊壁面造成的能量損失較多；箱體寬度過大，葉輪出口空間過大導(dǎo)致氣流減速增壓，葉道內(nèi)形成顯著的二次流，產(chǎn)生額外的能量損失。

圖10 800m3/h不同箱體寬度流線圖Fig.10 800m3/h Streamline diagram of different box width

3.2 箱體出口面積對風(fēng)機(jī)性能的影響

在最佳箱體寬度N=1.8D的基礎(chǔ)上進(jìn)行箱體出口面積（M×M）的研究。分別選取出口面邊長M 為0.7N、0.8N、0.9N、1.0N 來探究出口面積對風(fēng)機(jī)性能的影響規(guī)律。圖11為不同出口面邊長風(fēng)機(jī)性能曲線，由圖可知，在小流量范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)靜壓隨著出口面積的增大而增大；當(dāng)流量進(jìn)一步增大，出口邊長為0.8N、0.9N、1.0N 的風(fēng)機(jī)性能曲線重合度高，出口邊長為0.7N 的風(fēng)機(jī)靜壓明顯偏小，表明當(dāng)流量較大時，適當(dāng)減小出口面積對風(fēng)機(jī)性能影響較小。

圖12為額定工況下箱體出口面邊長分別為0.7N和1.0N 時的箱體流線圖，由圖可知，由于出口面積變小，氣流沖擊箱體壁面后速度降低，呈現(xiàn)出集中收縮的狀態(tài)，如圖12 中A 區(qū)所示。強(qiáng)氣流被迫帶動弱氣流進(jìn)行定向流動，并與箱體中部回流氣體混合，加劇了流動的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致箱體內(nèi)部旋渦數(shù)量增加，旋渦內(nèi)氣流流速增高，流動過程中的能量損失加劇。

圖11 不同出口面邊長風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.11 Performance curve of fans with different outlet side lengths

圖12 不同出口面邊長流線圖Fig.12 Streamline diagram of different exit width

當(dāng)箱體出口寬度M 小于等于0.7 倍箱體寬度N 時，應(yīng)在葉輪出口處與箱體出口處設(shè)置導(dǎo)流板，以改善箱體內(nèi)部流動情況，提升風(fēng)機(jī)性能。

3.3 箱體軸向長度對出口面流動均勻性的影響

在前兩節(jié)的基礎(chǔ)上，采用箱體寬度N=1.8D，箱體出口面邊長M=N的箱體，定義箱體軸向長度L=B+L1，L1為葉輪后盤距箱體出口的軸向距離。分別取L1為0.1D、0.3D、0.5D、1.0D、1.5D、2.0D、3.0D、4.0D展開研究。

箱體軸向長度增加，有利于氣體在箱體內(nèi)部充分混合，增加出口面流動均勻性。分析軸向長度對風(fēng)機(jī)出口面流動均勻性的影響，圖13 為額定工況下不同軸向長度風(fēng)機(jī)出口速度分布云圖。由圖可知，沿箱體壁面氣流速度最高，從四周向中心氣流速度呈梯度變化。當(dāng)軸向長度L1＜0.5D 時，回流空間較大，箱體中間區(qū)域氣流流速較低；當(dāng)軸向長度0.5D ≤L1≤3.0D 時，受出口回流影響，出口面中心區(qū)域速度高于周邊速度。當(dāng)軸向長度L1=4.0D時，出口中心由回流導(dǎo)致的速度較高的區(qū)域消失，且箱體壁面處氣流流速變化均勻。隨著箱體軸向長度增加，出口面流速均勻性提高，中心區(qū)域低速區(qū)范圍減小，表明氣流逐漸流向中心區(qū)域，箱體內(nèi)強(qiáng)氣流與弱氣流在箱體內(nèi)部混合，使出口流速趨向均勻，但氣流混合程度有限，出口面仍存在嚴(yán)重的流動不均勻現(xiàn)象。

圖13 不同軸向長度風(fēng)機(jī)出口速度分布云圖Fig.13 Outlet velocity distribution of fans with different axial lengths

進(jìn)一步延伸箱體軸向距離L1=20D探究出口面產(chǎn)生回流的原因。圖14 為軸向長度L1=20D 風(fēng)機(jī)子午面流線圖，圖中僅展示箱體前半部分流線，箱體后部流動保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)標(biāo)簽標(biāo)注出所在點(diǎn)的氣流流動速度。由圖可知，葉輪甩出的氣體沿壁面流動形成貼壁射流，伴隨出現(xiàn)射流卷吸現(xiàn)象，射流對周圍靜止流體的夾帶作用使箱體中心區(qū)域形成低壓區(qū)，周圍流體向低壓區(qū)流動形成旋渦。當(dāng)箱體軸向長度較短時，就表現(xiàn)為出口處的回流現(xiàn)象。

隨貼壁射流的發(fā)展，射流斷面不斷擴(kuò)大且流速逐漸降低，氣流逐漸向箱體中間區(qū)域傾斜，開始混合。射流的卷吸作用是導(dǎo)致射流偏轉(zhuǎn)的內(nèi)在原因，射流使箱體內(nèi)部產(chǎn)生壓力差，在此壓差的作用下，射流發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

定義葉輪后盤徑向位置近壁面處的速度為射流初始速度，如圖14中A點(diǎn)所示。額定工況下，旋渦貼近葉輪出口，受出口氣流影響，旋渦中心處流速較高，對風(fēng)機(jī)出口處氣流流通區(qū)域產(chǎn)生較大的擠壓作用，使有效流通面積減小，導(dǎo)致射流初始速度升高。

在大流量下，出口氣流偏移，直接流向風(fēng)機(jī)出口側(cè)的氣流減少。旋渦中心遠(yuǎn)離葉輪出口，中心處流速較低，旋渦區(qū)范圍較小，對氣流的擠壓作用較小，氣流有效流通截面相對較大。流量小與流通截面大導(dǎo)致大流量下射流初始速度較低。同時，大流量工況下同一截面速度差較小，如M截面所示，此時箱體內(nèi)部流動穩(wěn)定性相對較高。因此，大流量工況下射流卷吸能力下降，卷吸量減小，箱體內(nèi)部氣流混合提前。

葉輪甩出的氣體沿壁面流動，表現(xiàn)為貼壁射流，射流卷吸現(xiàn)象使箱體內(nèi)部產(chǎn)生旋渦，同時在有限長度內(nèi)出口面出現(xiàn)回流現(xiàn)象。箱體軸向長度增加至4D 時，出口面回流基本消失，但仍存在較為嚴(yán)重的出口面流動不均勻性現(xiàn)象。

圖14 軸向距離L1=20D風(fēng)機(jī)子午面流線圖Fig.14 Axial length L1=20D meridional plane flow diagram of the fan

4 結(jié)論

本文利用計(jì)算流體動力學(xué)方法研究箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)箱體內(nèi)部產(chǎn)生流動損失的主要原因，并分析箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)機(jī)性能的影響規(guī)律，結(jié)論如下:

1）主流流通面積受限造成的流動損失和高速氣流撞擊箱體壁面造成的沖擊損失是軸向送風(fēng)的箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)產(chǎn)生能量損失的主要原因。

2）箱式無蝸殼風(fēng)機(jī)最佳箱體寬度為1.8D；箱體出口寬度小于等于0.7倍箱體寬度時，應(yīng)在葉輪出口處與箱體出口處設(shè)置導(dǎo)流板，以改善箱體內(nèi)部流動情況。

3）葉輪甩出的氣體沿壁面流動形成貼壁射流，出現(xiàn)射流卷吸現(xiàn)象，導(dǎo)致有限長度內(nèi)的箱體出口面產(chǎn)生回流。