盧繼方，肖云峰，管新宇，肖 笛

(1.貴州永紅航空機械有限責任公司，貴州 貴陽 550009；2.北京石油化工學院，北京 102617)

0 引言

軸流式風機具有風量大的特點，在散熱、冷卻、通風等領域有著廣泛的應用[1]。小型高速軸流風機能夠提供較大的風量和風壓，但在產品性能設計與數(shù)值模擬預測上存在較多挑戰(zhàn)。在無人機中，對于滑油冷卻軸流風機，其轉速需求范圍為5 500～11 800 r/min，風量范圍為1 000～8 000 m3/h，與一般民用大型低速的軸流風機區(qū)別較大[2]。

計算機數(shù)值模擬技術的飛速發(fā)展，使得計算流體力學(CFD)技術能夠在葉輪機械這類復雜流動產品中有著越來越多的應用[3]。NUMECA FINE/Turbo軟件是一款專業(yè)的葉輪機械性能計算仿真軟件，其具有專業(yè)、專用的葉片結構化網格劃分模塊AutoGrid，并內置有豐富的湍流模型，在其求解核心Euranus中，基于密度求解全可壓縮形式三維雷諾平均N-S方程，通過在不同湍流模型下對小型高速軸流風機進行空氣動力性能預測，并與試驗結果進行對比，得出不同湍流模型下小型高速軸流風機性能預測結果的準確性[4-6]。

本文以小型高速軸流風機為研究對象，使用NUMECA FINE/Turbo中的5種湍流模型，即BL代數(shù)零方程模型、SA一方程模型、LKE兩方程低雷諾數(shù)k-ε模型、SST兩方程低雷諾數(shù)k-ω模型、V2F四方程模型，開展風機空氣動力性能模擬計算，并與試驗結果進行對比分析，在計算準確性、計算開銷等方面評價各湍流方程在小型高速軸流風機性能計算上的特點。

1 風機結構信息

按照GB/T 19075—2003《工業(yè)通風機 詞匯及種類定義》，軸流式通風機定義為“氣體沿著與通風機同軸的圓柱面進入和離開葉輪的通風機”。根據JB/T 10562—2006《一般用途軸流通風機 技術條件》，典型的軸流式通風機結構由整流器罩、集流器、前導流器、葉輪、機殼、后導流器組成。典型的“前導葉+動葉+后導葉”的“P+R+S”結構形式的軸流風機完整機械結構如圖1所示。

1—整流罩；2—集流器；3—前導流器；4—葉輪；5—機殼；6—后導流器；βbout—后導葉片安裝角；βb—葉輪葉片安裝角；βbin—前導葉片安裝角。

大量工程研制和使用實踐證明，轉子加后導葉(R+S)的小型高速軸流風機具有優(yōu)異的綜合性能，能夠獲得較高的風量和風壓，該形式風機結構示意如圖2所示。

圖2 軸流風機典型結構形式

本文所述的小型高速軸流風機，其設計指標流量為1.75 m3/s、靜壓1 100 Pa，額定轉速11 000 r/min，其轉子葉片數(shù)為17，靜子葉片數(shù)為19，輪轂直徑為150 mm，轉子外徑為261 mm，轉子葉片葉頂間隙為1 mm，轉子和靜子的軸向間距為10 mm，該風機動靜葉片結構見圖3。

圖3 風機葉片結構

轉子和靜子葉片由葉片根部至葉片頂部。氣流角度的分布數(shù)據見表1。

表1 風機葉片轉子、靜子葉片氣流角 單位：(°)

2 數(shù)值模擬計算過程

2.1 總體計算步驟

NUMECA求解計算軸流式通風機的主要步驟包括幾何準備、網格劃分、求解設置、迭代計算、結果查看共5部分，每一步都需要人工干預，特別是在迭代計算時，需要時時觀察殘差曲線，一旦殘差曲線震蕩、居高不下或上揚發(fā)散，需要查找原因，重新開始計算。

2.2 網格劃分

軸流式通風機進口條件不涉及畸變情形(即總溫、總壓不隨時間而變化，不受非對稱幾何影響而變換)，因此，利用單周期計算域能夠較好地預測其氣動性能。

根據ywall計算公式開展第一層網格高度的計算。

因葉片表面流動存在逆壓梯度、流動分離，原則上不能使用壁面函數(shù)高雷諾數(shù)湍流模型，因此，采用附面層直接求解的低雷諾數(shù)湍流模型。此時，要求y+1=1～10，利用上式評估出第一層網格尺寸為ywall=0.008 mm。網格劃分結果如圖4所示。

圖4 網格劃分結果

網格質量，首先具有“一票否決權”的是負網格數(shù)量，而后是最小偏斜度、最大長寬比、最大延展比，定量檢查結果如表2所示，根據網格定量指標的要求，所劃分的網格質量較好，能夠滿足仿真計算的需求。

表2 網格定量結果檢查

2.3 求解設置

流體介質選擇：考慮到流動具有一定壓縮性，流體介質選擇理想空氣。

湍流模型：考慮到需要解析葉片表面的流動，不適宜使用高雷諾數(shù)的湍流模型，因此選擇低雷諾數(shù)湍流模型，包括零方程(B-L)、一方程(SA)、兩方程(LKE、SST)和四方程(V2F)模型。

進口邊界條件：考慮到風機進口并不存在畸變情況，因此選擇定值總溫、總壓條件。

出口邊界條件：設置為背壓。

固壁面條件：考慮到流體流動本質特點，固壁面均設置為無滑移條件，其中輪轂和葉片設置為轉動，其余設置為靜止，以便符合風機實際情況。

3 模擬計算結果

3.1 固壁面yplus檢查

以SA湍流模型下的計算結果為例，對固壁面yplus進行后處理，發(fā)現(xiàn)機匣、輪轂及大部分葉片處接近于零，最大yplus位于動葉前緣和靜葉前緣兩處，為5.27，滿足小于10的仿真計算要求，yplus(y+)云圖見圖5。其余湍流模型下最大yplus未超過10。

圖5 yplus后處理云圖

對葉柵流道進行處理，在靜壓圖底上疊加顯示速度矢量，可明顯觀察到吸力面存在逆壓梯度，而壓力面無，這與軸流風機工作原理相契合。吸力面最大的逆壓梯度為3 856 Pa，壓力面壓力高于吸力面，最大升壓值為4 249 Pa，分析可見其實現(xiàn)了翼型升壓做功的功能，葉柵通道流場信息見圖6。

圖6 葉柵通道流場信息

對葉片吸力面附近的流動細節(jié)進行查看，通過速度矢量可以看出，沿著吸力面，在葉片表面附近，并未出現(xiàn)分離現(xiàn)象，而且在近壁面流動中，速度趨向于0，滿足附面層流動情況，流場細節(jié)見圖7。

圖7 流場細節(jié)

通過以上分析，表明SA湍流模型下，已正確合理獲取了葉柵通道流動的流場特征，CFD計算能夠正確有效地預測風機內部流動。同樣，對其余湍流模型下流場進行檢查分析，均達到了相同要求。

3.2 計算收斂情況

以SA模型下的收斂曲線進行分析，可以明顯地看到，收斂歷史具有顯著的三重多重特性，在第三層最粗網格計算250步后殘差降低至-2.8，以此結果作為初場初值，在第二層較細網格計算250步后殘差降低至-3.6。在第三層和第二層網格上計算速度較快，可以非常便利地觀察到計算穩(wěn)定性，節(jié)省計算時間，提高計算效率。最后，在第一層最細網格上計算500步后殘差降低至-6.1，并在接下來的500步中，殘差不再下降并保持穩(wěn)定，表明流場已完全收斂，收斂史見圖8。

圖8 SA計算收斂史

對比不同湍流模型下的殘差水平，流場計算收斂后，觀察殘差下降水平，以及在收斂階段的殘差震蕩量，結果見表3。

表3 各湍流模型下殘差變化

殘差水平中，殘差下降水平代表著流場細節(jié)的捕捉程度，其值越小意味著計算精度越高；收斂階段殘差震蕩量代表著求解計算的穩(wěn)定性，其值越小意味著計算穩(wěn)定結果越準確可靠。由此可見，SA和SST模型具有高精度和高準確度的特點。

3.3 數(shù)值計算結果

以1 100 Pa為背壓設置在出口邊界條件上，利用NUMECA軟件處理模塊CFView，計算可得，BL、SA、LKE、SST、V2F湍流方程下所計算出的風機流量分別為2.117 kg/s、2.096 kg/s、2.089 kg/s、2.061 kg/s、1.91 kg/s，對于上述計算結果，需要結合試驗結果評價其準確性。

4 試驗結果及對比

按照GB/T 1236—2017《工業(yè)通風機 用標準化管道性能試驗》規(guī)定的B型裝置對風機進行性能測試，試驗裝置原理圖如圖9所示。

1—氣壓/溫度計；2—被試品；3—聯(lián)接段；4—U型管；5—質量流量計；6—節(jié)流錐。

按照GB/T 1236—2017的要求，通過控制節(jié)流錐不同開度，在保持U型管特定壓力值的情況下，即控制風機的靜壓，來測試不同風壓下軸流風機的風量，通過標準中的換算，最終得出產品氣動性能結果(見表4)。

表4 風機氣動性能測試結果

對各湍流模型的計算評價不僅僅停留在殘差水平的單一指標上，需要結合試驗結果評價其準確性以及各湍流模型計算開銷，即需要的計算時間，相關統(tǒng)計結果見表5。結果表明：5種湍流模型下的仿真計算結果，與試驗的偏差均控制在了10%以內，在一定意義上均可用作工程計算。計算開銷最小的為代數(shù)(零方程)模型BL，準確度最高的為SST。綜合分析，SST具有最優(yōu)的表現(xiàn)?？紤]到設計計算的迭代性，具有實踐意義的計算模型可以設定為利用BL模型進行快速篩選計算，進而采用SST模型進行詳細計算。

表5 各湍流模型下設計工況性能對比情況

5 結論

本文根據風機設計理論以小型高速軸流風機設計結構為輸入，利用商用軟件NUMECA開展軸流風機仿真，在不同湍流模型下進行CFD性能數(shù)值預測，并對仿真和試驗結果進行分析對比論述，主要結論如下。

1)基于NUMECA FINE/Turbo軟件，在不同湍流模型下開展小型高速軸流風機性能仿真分析，結合試驗測試結果，數(shù)值模擬結果與試驗結果相比偏差均未超過10%，5種低雷諾數(shù)湍流模型(BL、SA、LKE、SST、V2F)均具有較好的工程使用意義。

2)運用NUMECA軟件進行數(shù)值仿真計算，結果表明SA模型具有準確性、穩(wěn)定性和計算開銷綜合性能最優(yōu)的特點，在性能預測中可以很好地使用。其中，BL模型具有計算開銷最小、收斂史較好、準確度較好的特點，SST型具有計算開銷較大、收斂史最好、準確度最好的特點。在實際工程計算中，可以先利用BL方程開展快速篩選計算，再使用SST模型進行詳細計算。

隨著航空技術的發(fā)展，小型高速軸流風機將越來越多地應用在環(huán)控熱管理系統(tǒng)中，具有廣闊的市場前景，本文基于NUMECA軟件開展了小型高速軸流風機的性能預測與試驗對比的研究，總結提出了適用于中低壓軸流風機空氣動力性能計算模式，能夠為該類風機性能預測提供有價值的信息，并為同類風機的設計計算提供可靠的依據。