李 婧,劉金文,田志強,勞春峰,魏 偉,顧明亮,陳紹文

(1.青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司，山東 青島 266100；2.數(shù)字化家電國家重點實驗室，山東 青島 266100;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

層流送風(fēng)技術(shù)來源于尼古拉·特斯拉的發(fā)明“特斯拉渦輪”。“特斯拉渦輪”被尼古拉·特斯拉稱為是“他所有發(fā)明中最偉大的一個”[1]。特斯拉渦輪主要由流體剪切力驅(qū)動，利用流體的“層流邊界層效應(yīng)”或者“粘性效應(yīng)”實現(xiàn)對“渦輪環(huán)片”做功，因而不需要沖擊渦輪葉片，因此也成為“無葉向心渦輪”[2-4]。特斯拉渦輪的特點是制造簡單、離心式、造價低，且能夠利用多種類型的工作流體進行發(fā)電，包括液體、氣體和納米流體等。對特斯拉渦輪的研究已經(jīng)開展了很多年，研究人員發(fā)現(xiàn)環(huán)片的幾何參數(shù)對其流場和性能有重要的影響，尤其是環(huán)片相關(guān)的幾何參數(shù)最為關(guān)鍵[5-6]。

層流無葉風(fēng)機被認(rèn)為是“特斯拉渦輪”的逆向應(yīng)用，利用層流無葉風(fēng)機環(huán)片的轉(zhuǎn)動帶動氣體流動，對氣體做功，不需要復(fù)雜的風(fēng)機葉片。圖1展示了層流無葉風(fēng)機的工作原理。電機帶動圓盤高速旋轉(zhuǎn)，環(huán)片與各圓環(huán)片間隔內(nèi)的空氣接觸并發(fā)生相互運動，則靠近環(huán)片表面的邊界層因受粘性剪應(yīng)力(τ)作用，被旋轉(zhuǎn)的環(huán)片帶動做旋轉(zhuǎn)運動，而后在離心力的作用下向環(huán)片四周流出，形成從中間向四周的離心出風(fēng)。

采用基于特斯拉渦輪的層流送風(fēng)技術(shù)，在國內(nèi)外的公開研究文獻中還較少見，但是對于無葉風(fēng)扇[7-8]和常規(guī)風(fēng)機[9-10]的優(yōu)化和設(shè)計研究也有一些，主要目的是通過合理的氣動設(shè)計提升氣動性能，以達到節(jié)能降噪的目的。其中，A.Km等[7]通過CFD數(shù)值方法開展設(shè)計選型和優(yōu)化，使得風(fēng)扇的出口速度范圍大幅增加，提高了風(fēng)扇的氣動性能。

本文的研究主要基于海爾的專利技術(shù)“層流風(fēng)扇”來開展，以獲取合理的氣動方案和設(shè)計。通過數(shù)值模擬方法深入研究了多個關(guān)鍵幾何參數(shù)對流場和主要氣動參數(shù)的影響，以指導(dǎo)將來的在家用空調(diào)送風(fēng)中的應(yīng)用。

1 數(shù)值模型與數(shù)值方法

研究所采用的層流送風(fēng)風(fēng)機數(shù)值模型如圖2所示，部分關(guān)鍵幾何參數(shù)定義的示意圖如圖3所示，給出了環(huán)片厚度、環(huán)片距離、環(huán)片內(nèi)徑和外徑的基本描述。圖示風(fēng)機的外徑為350 mm，內(nèi)徑為200 mm，葉片環(huán)片層數(shù)為8層；環(huán)片厚度為2 mm；環(huán)片間距保持不變，為13.75 mm；單層環(huán)片的總高度保持不變，為15.75 mm。層流風(fēng)機的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 000 r/min。

數(shù)值計算采用商業(yè)軟件來進行，研究模型計算域的幾何結(jié)構(gòu)建立由Siemens公司的UG軟件來實現(xiàn)。在進行數(shù)值建模的過程中，為了滿足數(shù)值計算中邊界條件設(shè)定的要求，在風(fēng)機的進氣位置設(shè)置了進氣圓筒域，其直徑與環(huán)片的外徑相同。在計算邊界條件的設(shè)定中，進氣圓筒壁面的邊界條件被設(shè)定為光滑壁面。此外，在風(fēng)機出口處向外延伸出一段流體域，該流體域的出口邊界條件設(shè)置為氣流開口，并給定靜壓。計算域的網(wǎng)格離散化使用Ansys公司ICEM軟件來進行，為了提高計算效率，網(wǎng)格采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總數(shù)約9 739 199個胞元，靜止域則有985 037個胞元。圖4和圖5分別給出了計算域和風(fēng)機局部的網(wǎng)格示意圖。

數(shù)值計算采用Siemens公司的Star CCM+商業(yè)軟件來實現(xiàn)。各方案網(wǎng)格使用相同的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)域共有邊界條件的設(shè)置也相同，固壁面為光滑無滑移絕熱壁面，進、出口給定大氣壓為101 325 Pa，溫度為298.15 K。風(fēng)機轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000 r/min。采用k-ε湍流模型來計算雷諾平均N-S方程組(Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations，RANS)。

RANS方法通過求解平面直角坐標(biāo)系下經(jīng)過雷諾時均處理后的控制方程組來獲得流場中的流動信息，主要包括雷諾時均處理后的可壓縮黏性流體連續(xù)性方程、雷諾時均處理后的N-S動量方程和能量方程。標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型是目前應(yīng)用最廣泛的湍流模型之一，其中k為湍流脈動動能，ε為湍流能量耗散率。k-ε模型收斂性好，使用范圍較廣，在工程上被廣泛使用。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)片內(nèi)徑的影響

環(huán)片內(nèi)徑是影響層流風(fēng)機的關(guān)鍵幾何參數(shù)之一，其定義如圖3所示。環(huán)片內(nèi)徑的變化改變了氣流在層流風(fēng)機內(nèi)的折轉(zhuǎn)，因此會較大程度上影響風(fēng)機流道內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)及相關(guān)氣動參數(shù)。為簡化計算過程，此時僅考慮不設(shè)置增壓葉片下的情況。研究中保持環(huán)片的外徑不變?yōu)?50 mm，通過改變環(huán)片的內(nèi)徑來研究內(nèi)徑對流場和氣動性能的影響。環(huán)片內(nèi)徑(半徑)分別被設(shè)定為150 mm，125 mm，115 mm，100 mm，75 mm和50 mm共六個方案進行分析。此時環(huán)片層數(shù)為8層；環(huán)片厚度為2 mm。

圖6給出了不同環(huán)片內(nèi)徑情況下的風(fēng)機流量和全壓升變化情況。隨著環(huán)片內(nèi)徑的變化，當(dāng)環(huán)片內(nèi)徑值為115 mm時的風(fēng)機流量達到最高值；同時發(fā)現(xiàn)，該方案的全壓值也為所有方案最大。由圖6的計算結(jié)果也可以明顯發(fā)現(xiàn)，層流送風(fēng)風(fēng)機能夠?qū)崿F(xiàn)較大的空氣流量，在1 000 rmp時的最高流量可接近550 m3/h,但是全壓升較低，不具備克服較大壓升的能力，在應(yīng)用時應(yīng)充分考慮這一特點。

圖7和圖8分別給出了層流風(fēng)機內(nèi)部的速度流場和速度流線分布的情況，由圖可見，環(huán)片的內(nèi)徑越小，即環(huán)片的寬度越大時，上部環(huán)片的加速作用也越明顯。根據(jù)層流風(fēng)機的做功原理表明，環(huán)片的寬度越大導(dǎo)致有效的做功面積也越大，相應(yīng)的做功能力也越強。

另外，隨著環(huán)片內(nèi)徑的逐漸減小，環(huán)片寬度的增大導(dǎo)致上部環(huán)片的氣流折轉(zhuǎn)阻力更大，流動更容易出現(xiàn)分離，不利于提升層流風(fēng)機的流動效率。從圖8可以明顯看到，環(huán)片的內(nèi)徑越大，進入到上層環(huán)片的氣流流量越大，流動越順暢；而當(dāng)環(huán)片內(nèi)徑較小時，上層環(huán)片均出現(xiàn)一定程度的流動分離，且在環(huán)片末段出現(xiàn)局部氣流的回流，這可能導(dǎo)致流量的大幅下降。

綜合來看，環(huán)片內(nèi)徑變化對層流風(fēng)機性能的影響具有兩面性特征，一方面由于環(huán)片內(nèi)徑增加會導(dǎo)致做功能力下降的不利影響；另一方面環(huán)片內(nèi)徑的增加也會給流動狀況帶來有益的影響，兩者綜合的影響結(jié)果將會導(dǎo)致最優(yōu)的環(huán)片內(nèi)徑，即當(dāng)環(huán)片內(nèi)徑為115 mm時的性能達到最優(yōu)。

2.2 環(huán)片層數(shù)的影響

以上述研究為基礎(chǔ)，保持環(huán)片內(nèi)徑為115 mm，環(huán)片厚度為2 mm；環(huán)片間距保持固定，為13.75 mm。在此基礎(chǔ)上通過增加環(huán)片層數(shù)(同時風(fēng)機總高度也在增加)，來研究環(huán)片層數(shù)對層流風(fēng)機性能的影響規(guī)律。層數(shù)被分別設(shè)定為為8層，10層，12層，以分別探討不同環(huán)片層數(shù)下的層流風(fēng)機送風(fēng)效果。

表1給出了不同環(huán)片層數(shù)下的壓升和流量變化，可以明顯看出，流量隨著層數(shù)的增加而增加，但8到10層增加效果并不明顯，而10到12層的增加效果較為明顯，增加幅度超過10%。此外，環(huán)片層數(shù)對全壓升的影響也較小，12個環(huán)片最大時也不超過5 Pa。

表1 不同環(huán)片層數(shù)的全壓升和流量

圖9給出了環(huán)片層數(shù)為12層時的流場流速和流線分布圖，對比圖7和圖8中環(huán)片為8層的結(jié)果，可以明顯發(fā)現(xiàn)，僅僅頂部1～2層環(huán)片的局部流動出現(xiàn)分離，大部分的環(huán)片流動情況良好；由于環(huán)片數(shù)量的增加，做功能力也相應(yīng)增加，因此流量增幅明顯。

2.3 環(huán)片間距的影響

繼續(xù)保持環(huán)片內(nèi)徑為115 mm，外徑為175 mm，環(huán)片厚度為2 mm；環(huán)片層數(shù)固定為8層。通過改變環(huán)片間距(同時改變了單層環(huán)片總高度)來分析環(huán)片間距對送風(fēng)效果的影響。環(huán)片間距分別設(shè)定為9.75 mm，11.75 mm，13.75 mm，15.75 mm，17.75 mm。

表2給出了不同環(huán)片間距情況下的全壓升和流量變化情況，從圖中明顯可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)片間距的增加，層流風(fēng)機的全壓升逐漸降低，最小時接近0；而流量則隨著環(huán)片間距的增加逐漸增加，從515 m3/h開始逐漸增加，最高達到909 m3/h，增幅達到76.5%。綜合分析來看，環(huán)片間距的影響程度較為明顯，在工程設(shè)計和應(yīng)用中需要重點考慮。

表2 環(huán)片間距變化時的參數(shù)變化

圖10和圖11給出了不同環(huán)片間距時的流場、流速、流線的分布情況，如圖所示，當(dāng)環(huán)片的間距較小時，整個層流風(fēng)機的高度、通流面積也較小，導(dǎo)致風(fēng)機的通流能力明顯下降，出現(xiàn)了明顯的堵塞現(xiàn)象，流量也隨之下降；而隨著環(huán)片間距的逐漸增加，流道內(nèi)的流速逐漸增加，盡管頂部盤片周邊存在局部流動分離，但是通流面積增加是流量增加的主要因素。

2.4 環(huán)片厚度的影響

保持環(huán)片內(nèi)徑為115 mm，外半徑為175 mm；單層環(huán)片總高度為15.75 mm；轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 000 r/min，環(huán)片層數(shù)確定為8層。通過改變環(huán)片厚度(同時改變了環(huán)片間距以保證環(huán)片總高度不變)來觀察對送風(fēng)效果的影響。環(huán)片厚度分別設(shè)定為2 mm和4 mm。

表3 不同環(huán)片厚度變化時的參數(shù)變化

當(dāng)環(huán)片厚度從2 mm增厚到4 mm后，總壓升有了一些提高，整機流量卻稍有減小，整體的性能變化也不算明顯。從圖12和圖13的流場對比情況來看，除了局部的流場有變化以外，風(fēng)機內(nèi)整體的流場情況變化較小。由于整體的環(huán)片高度不變，如果盤片厚度的增加意味著通流面積的減小，流量也隨之減小。

4 結(jié)論

通過數(shù)值研究手段，對層流送風(fēng)風(fēng)機的流場和氣動性能進行了分析，探討了層流風(fēng)機的關(guān)鍵幾何參數(shù)對其流場和氣動性能的影響規(guī)律，在本文研究的參數(shù)選擇范圍內(nèi)，得到以下一些結(jié)論：

(1)層流送風(fēng)風(fēng)機具有低轉(zhuǎn)速和低全壓升的特性，通過對幾何關(guān)鍵參數(shù)的恰當(dāng)選取，可以滿足一定的送風(fēng)流量的需求，對于低噪聲、常規(guī)流量的送風(fēng)有一定潛在的應(yīng)用前景。

(2)環(huán)片內(nèi)徑對層流風(fēng)機的影響較為明顯，一方面由于環(huán)片內(nèi)徑增加會導(dǎo)致做功能力下降的不利影響；另一方面環(huán)片內(nèi)徑的增加也會給流動狀況帶來有益的影響，存在最優(yōu)的環(huán)片內(nèi)徑(半徑)115 mm，使得流量達到接近550 m3/h。

(3)環(huán)片層數(shù)的增加直接使得層流風(fēng)機的通流面積增加，其中從10層到12層的增加效果較為明顯，流量增加幅度超過10%。

(4)環(huán)片間距和環(huán)片厚度都會直接影響層流風(fēng)機的通流面積，在本文的研究參數(shù)選取范圍內(nèi)，一般通流面積增加則流量增加，而各個參數(shù)對全壓升的影響均較小，所有計算方案的最大全壓升小于7.5 Pa。