陸月星，賈 銘，張 興，章力天，楊 剛，黎和俊，潘柏根，周堂鑫

（安徽省電機(jī)產(chǎn)品及零部件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 宣城242500）

軸流風(fēng)機(jī)在電機(jī)行業(yè)中主要用于散熱，尤其在變頻電機(jī)中，其軸流風(fēng)機(jī)的流道，利用強(qiáng)制對流換熱使電機(jī)達(dá)到理想散熱效果[1-2]。其中導(dǎo)流罩的形狀會對風(fēng)機(jī)流場特性產(chǎn)生重要影響。導(dǎo)流罩不同形狀對風(fēng)機(jī)出入口的流動情況產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)的效率和流量等參數(shù)，同時會造成流動損失[3-4]。因此，研究不同導(dǎo)流罩的形狀下的軸流風(fēng)機(jī)流場特性對改善風(fēng)機(jī)性能具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)模型

建立的驗(yàn)證性流道和軸流風(fēng)機(jī)裝配示意圖如圖1所示，研究對象為導(dǎo)流罩的形狀。其中流道長度為434mm，寬度為84mm，高度為424mm，長寬比為5.4，葉頂間隙為4mm。其中風(fēng)機(jī)的設(shè)計參數(shù)如下：葉片外徑為120mm，輪轂直徑為39mm，葉片數(shù)為4。

圖1 幾何模型

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)值計算方法

為模擬軸流風(fēng)機(jī)在不同導(dǎo)流罩的形狀條件下風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場，采用四面體網(wǎng)格劃分風(fēng)機(jī)和導(dǎo)流罩部分[5]，采用六面體網(wǎng)格劃分風(fēng)機(jī)出口區(qū)域，進(jìn)口邊界設(shè)置在垂直于出口流動方向，出口邊界設(shè)置在下游距風(fēng)機(jī)出口1800mm處。流場模型采用穩(wěn)態(tài)計算方法，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行湍流模擬，進(jìn)出口邊界條件采用壓力進(jìn)出口邊界條件，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力速度耦合，采用一階迎風(fēng)格式求解三維控制方程，迭代次數(shù)為1000次，求解過程中殘差達(dá)到10-3量級，且進(jìn)出口的流量差小于0.1%認(rèn)為收斂。

2.2 流場分析

2.2.1 導(dǎo)流罩的形狀對風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場影響

以形狀因子Z作為無量綱參數(shù)，分析其對風(fēng)機(jī)流場的影響，其中Z=S1/S2，S1為導(dǎo)流罩截面的面積，mm2；S2為風(fēng)機(jī)截面的面積，mm2。

圖2為不同形狀因子Z下軸面內(nèi)速度分布，在各種不同Z條件下，葉片邊緣部分存在著速度較大的區(qū)域，且具有一定的速度梯度。其中當(dāng)Z為0.59、0.6和0.76時，在導(dǎo)流罩的截面頂點(diǎn)處存在高速區(qū)，其范圍較小但速度值相對最大；而當(dāng)Z為0.77和0.88時，導(dǎo)流罩截面的邊緣速度相對較低。

圖2 不同形狀因子Z下軸面內(nèi)速度分布

圖3為不同形狀因子Z下風(fēng)機(jī)吸力面內(nèi)靜壓分布。當(dāng)Z為0.59、0.76和0.77時，葉頂邊緣存在著低壓區(qū)，即葉頂間隙泄漏流區(qū)域；而當(dāng)Z為0.88時，葉頂邊緣亦有低壓區(qū)，但其范圍相對較小。當(dāng)Z為0.6時，風(fēng)機(jī)吸力面上的靜壓相對最大；而當(dāng)Z為0.59時，風(fēng)機(jī)吸力面上的靜壓相對最小。在不同的Z條件下，風(fēng)機(jī)輪轂面上的靜壓大致相同。

圖3 不同形狀因子Z下風(fēng)機(jī)吸力面內(nèi)靜壓分布

2.2.2 不同導(dǎo)流罩的形狀下風(fēng)機(jī)性能分析

圖4為不同形狀因子下的風(fēng)機(jī)靜壓、流量和效率的曲線比較。由圖可知，當(dāng)Z增大時，靜壓減小，流量和效率先減后增，最后降低；當(dāng)Z為0.59時，靜壓、效率和流量相對最高分別為5.2Pa、61%和112m3/h；當(dāng)Z為0.88時，靜壓、效率和流量相對最低分別為1.6Pa、27%和89m3/h。

圖4 不同形狀因子下的風(fēng)機(jī)靜壓、流量和效率的曲線比較

圖5為入口靜壓和入口湍流度與距流道入口距離的曲線比較。由圖可知，對于同一個Z值，當(dāng)距流道入口距離增加時，入口靜壓先增后減，最后上升；入口湍流度先緩慢上升，然后急劇增加。對于相同的距流道入口距離，當(dāng)Z為0.59時，入口靜壓和入口湍流度相對最大；當(dāng)Z為0.88時，入口靜壓和入口湍流度相對最小。當(dāng)距流道入口距離為0.082m且Z為0.59時，入口靜壓最大為3.92Pa；當(dāng)距流道入口距離為0.246m且Z為0.59時，入口湍流度最大為35%。

圖5 入口靜壓和入口湍流度與距流道入口距離的曲線比較

圖6為出口靜壓和出口湍流度與距導(dǎo)流罩出口端面距離的曲線比較。由圖可知，對于同一個Z值，當(dāng)距導(dǎo)流罩出口端面距離增加時，出口靜壓一直降低。當(dāng)Z為0.59和0.6，距導(dǎo)流罩出口端面距離增加時，出口湍流度先減后增，然后下降；當(dāng)Z為0.76，距導(dǎo)流罩出口端面距離增加時，出口湍流度先減后增；當(dāng)Z為0.77和0.88，距導(dǎo)流罩出口端面距離增加時，出口湍流度先增后減。對于相同的距導(dǎo)流罩出口端面距離，當(dāng)Z為0.59時，出口湍流度相對最大。當(dāng)距導(dǎo)流罩出口端面距離為0.072～0.339m，且Z為0.59時，出口湍流度相對最大；當(dāng)距導(dǎo)流罩出口端面距離為0.428～0.606m，且Z為0.76時，出口湍流度相對最大。對于相同的距導(dǎo)流罩出口端面距離，當(dāng)Z為0.88時，出口靜壓和出口湍流度總體上相對最小。當(dāng)距導(dǎo)流罩出口端面距離為0.072m且Z為0.59時，出口靜壓最大為4.2Pa；當(dāng)距導(dǎo)流罩出口端面距離為0.072m且Z為0.59時，出口湍流度最大為53%。

圖6 出口靜壓和出口湍流度與距導(dǎo)流罩出口端面距離的曲線比較

3 結(jié)論

不同形狀因子Z下軸面內(nèi)速度分布表明，在各種不同Z條件下，葉片邊緣部分存在著速度較大的區(qū)域，且具有一定的速度梯度。由不同形狀因子Z下風(fēng)機(jī)吸力面內(nèi)靜壓分布可知，當(dāng)Z為0.6時，風(fēng)機(jī)吸力面上的靜壓相對最大；而當(dāng)Z為0.59時，風(fēng)機(jī)吸力面上的靜壓相對最小。在不同的Z條件下，風(fēng)機(jī)輪轂面上的靜壓大致相同。由不同形狀因子下的風(fēng)機(jī)靜壓、流量和效率的曲線比較可知，當(dāng)Z為0.59時，靜壓、效率和流量相對最高分別為5.2Pa、61%和112m3/h。由入口靜壓和入口湍流度與距流道入口距離的曲線比較可得，當(dāng)距流道入口距離為0.082m且Z為0.59時，入口靜壓最大為3.92Pa；當(dāng)距流道入口距離為0.246m且Z為0.59時，入口湍流度最大為35%。由出口靜壓和出口湍流度與距導(dǎo)流罩出口端面距離的曲線比較可得到，當(dāng)距導(dǎo)流罩出口端面距離為0.072m且Z為0.59時，出口靜壓最大為4.2Pa；當(dāng)距導(dǎo)流罩出口端面距離為0.072m且Z為0.59時，出口湍流度最大為53%。