基于CFD的軸流風機葉片上弦差對其 動態特性影響

呂云鵬

（衢州職業技術學院 機電工程學院，浙江 衢州 324000）

當前軸流風機作為工業生產中非常重要的機械設備，已被廣泛應用于軍工民用、交通運輸、航空航天等領域。而在交通運輸行業中，發揮冷卻作用的風扇能耗達到了汽車發動機輸出功率的5%～10%。因此，提高風機的工作效率成為了提高能源利用率的關鍵問題。

由軸流風機的結構和工作原理可知，軸流風機的葉片上下弦差會從根本上對風機的性能產生影響。因此，不同軸流風機設計的葉片上下弦差參數值是判定其性能優劣非常重要的因素。

日本工學院大學的Shinsaku、Masayuki等人通過試驗和數值模擬技術，研究了上游障礙物對軸流風機流動特性的影響。法國國立高等技術工程學校的A.Maaloum等人分析了軸流風機進氣管道輪廓及風帽形狀對軸流風機的影響。盛才良、王新等對當前軸流風機輪轂與葉片普遍采用的固定鏈接結構進行了受力分析，力分析顯示，在氣動力、離心力等力的復合作用下，葉根處存在較大彎矩。

一般來說，上弦差的數值對于軸流風機來說越大，其工作效率越高，但是從另外一方面考慮，隨著該數值的變大，風機葉片的單位面積承受氣流的氣壓越高，從而對于電機的工作效率有著更高的要求。但是，軸流風機領域針對葉片上弦差這一影響因素并沒有可循的標準，所以，本試驗研究對象為市場上在售的某型號軸流風機，然后通過-模型、-模型及剪切應力傳輸模型（Shear Stress Transfer, SST）三種湍流模型分別對多種工況下不同上弦差的軸流風機進行仿真模擬，通過比對研究，分析其流動特性，進而探討葉片上弦差參數對于軸流風機性能影響的大致趨勢，并最終為軸流風機的結構設計優化提供理論基礎。

1 試驗條件

本次試驗的器材為國標下的B類試驗裝置，包括風機入口、出口，試驗方法采用進氣試驗法；試驗標準采用《工業通風機用標準化風道性能試驗》（GB/T 1236—2017）。

試驗通過實際測得的軸流風機的質量、流量、靜壓和軸功率等來計算軸流風機的靜壓效率等參數，從而得到軸流風機的性能曲線。軸流風機的軸功率計算通過采集電機工作時候的電壓以及工作電流方式進行。工況的改變本文主要指軸流風機的氣體流量的變化，以調整通風管道入口的網柵大小來實現流量的變化。試驗原理圖如圖1所示。

圖1 實驗原理圖

2 三維建模網格劃分

本文所研究的對象為單級軸流風機，采用三維建模得到軸流風機葉片模型如圖2所示。其中，葉輪外徑為400 mm、葉頂間隙為5 mm、葉片上弦差為50 mm、葉片下弦差為60 mm、葉片數為8個、額定工況為7.179 kg/s。

圖2 葉片模型圖

風機的網格由Gambit軟件生成。因各葉片模型均勻圓周排列，每個流道也存在均勻圓周排列的關系，所以在建立流道這一過程中可通過建模軟件Gambit制作單流道網格，然后由各個單流道網格合成全流道網格。軸流風機葉輪的全流道網格如圖3所示。

圖3 軸流風機葉輪全流道網格

在網格生成的過程中，在部分曲率較大的曲面上容易出現質量相對較差的網格，所以，為了仿真模擬實驗能夠順利進行以及保證實驗數據的精確程度，必須對所生成的網格進行檢查。該次實驗所要求檢查通過單元大小的歪斜度，所對應的網格質量參數為EquiSize Skew，一般情況下，EquiSize Skew在0到1之間，0為質量最好，1為質量最差。本次實驗所建立的軸流風機葉輪全流道網格的EquiSize Skew值小于0.3的子網格數占比為99.89%，說明該全流道網格的劃分質量高，能夠匹配本次仿真實驗所要求精度。

3 數值模擬分析

該模型需要設定三個邊界條件：入口、出口以及物理環境條件；需要設定三種類型條件：壁面、對稱面及流體介質類型。其中，入口條件設定為質量流量入口，可通過模擬得到的體積流量計算得到質量流量數據，范圍為4.528 kg/s～ 9.774 kg/s；出口條件設定為壓力出口條件，壓力出口默認風機的出口沒有外界因素的干擾，為理想的大氣環境，因此，設置平均壓力為0 Pa；壁面類型采用無滑移壁面（no spill）；鑒于本實驗運用穩態計算的方法，因此在動靜臨界處選用“Frozen Rotor”方法。

如前文所述，分別選取SST、-、-三種湍流模型進行仿真實驗，軸流風機全壓及靜壓與流量之間的特性曲線如圖4、圖5所示。

從全壓、靜壓與流量特性曲線圖中可以看出，三個湍流模型所得出的實驗數據走向和試驗基本一致。但在圖5靜壓與流量特性曲線可以看出，在較小流量的工況之下，-與-湍流模型所得到的靜壓值明顯低于實驗數據，而SST模型在任何工況之下都能與實驗數據吻合度極高，大致的數值走向基本一致。然而，在軸流風機領域，靜壓值向來都是評判風機好壞的一個重要指標，因此，通過數值模擬可得出SST湍流模型對于本試驗的研究更為合適。

圖4 全壓-流量特性曲線

圖5 靜壓-流量特性曲線

4 不同葉片上弦差的流動分析

本文將以上弦差值為自變量參數，研究在不同工況下，不同上弦差值的軸流風機的性能。

不同上弦差與流量的特性曲線如圖6所示。

由圖6得知，同一工況下，上弦差值越大靜壓值也越大，兩者之間的趨勢呈正相關。其中，在額定工況特別是大流量工況之下，上弦差值對于靜壓值的影響相對比較明顯；小流量工況之下，上弦差值的改變對靜壓值影響較小。因此，氣流攻角通過改變上弦差值變動，從而提高軸流風機的靜壓值。

圖6 靜壓-流量特性曲線

靜壓效率-流量特性曲線如圖7所示。

圖7 靜壓效率-流量特性曲線

雖然某一工況之下，增大上弦差值能夠對于軸流風機的靜壓值有比較好的促進效果，但是，對于靜壓效率的影響卻微乎其微。隨著上弦差值的增大，軸流風機葉片的工作負載也會隨之提高，這勢必會導致在特定工況下，更多的葉片對氣流做功，必然會耗費軸流風機電機的機械能。

圖8 各弦差下靜壓云圖

圖8所示為各上弦差值軸流風機在額定工況下的靜壓云圖。從中可以看出，軸流風機的上弦差值越大，其軸向的靜壓值也越大，且隨著上弦差值的改變并未影響軸流風機軸向靜壓的動態軌跡。可以得出，在一定程度上，上弦差值的改變并不會影響軸流風機的軸向動態軌跡，但其能增大軸流風機的靜壓值，從而使軸流風機的性能得以提升。

從圖9各上弦差的速度云圖可以看出，各弦差下的氣流速度的分布位置大致相同，葉片頂點的周邊區域的氣流速度較快，且高速氣流區的大小也會隨葉片上弦差值的增大而增大。通過對比圖8和圖9可以看出，適當減小軸流風機的上弦差值不利于靜壓值的提升，但在一定程度上對葉頂間隙區域的二次流損失有較好的促進效果；適當地增大軸流風機的上弦差值雖然會加劇葉頂間隙區域的二次流損失，但對于靜壓值的增益效果是非常明顯的，在考慮軸功率增大以及二次流損失的情況之下，其靜壓效率依然能夠維持在較高的水平。

圖9 各弦差下速度云圖

5 試驗驗證

軸流風機試驗平臺主要有風機進口管道、軸流風機、電動機組成，試驗中采用的電動機是軸流風機的全部動力來源，其中主要設備包括數字壓力表、數字閃頻轉速表以及變頻控制機柜等。試驗平臺及測量設備如圖10所示。

圖10 試驗平臺及測量設備

本次試驗采用流量計測量，得到的數據為氣體質量，通過一個算法可將氣體質量流量換算為體積流量。為保證試驗結果的可靠性，本次實驗總共進行5次測量，并且將一些幅值波動異常的數據點刪除之后進行均值處理。表1為上弦差為50 mm的風機所測得的流量與靜壓值的關系表。其中，密度=1.2 kg/m，=1.01×10Pa。

通過表1得知，軸流風機上弦差為50 mm時，在不同流量下實際靜壓值與仿真靜壓值的平均誤差百分比為2.29%。同理也可得，上弦差為50 mm時，靜壓效率的誤差百分比僅為1.78%；上弦差為45 mm時，靜壓值的誤差百分比為3.46%，靜壓效率的誤差百分比為2.97%；上弦差為55 mm時，靜壓值的誤差百分比為2.31%，靜壓效率的誤差百分比為3.07%；上弦差為60 mm時，靜壓值的誤差百分比為4.06%，靜壓效率的誤差百分比為1.89%。

表1 流量與靜壓值關系表

綜合以上實驗和仿真的數據可知，靜壓值與靜壓效率的誤差百分比僅在1.78%～4.06%之間，不僅可以證明SST仿真模型的可靠性，同時也驗證了在臨界值內，隨著葉片上弦差的增大對靜壓值有較好的效果，對靜壓效率影響不明顯。

6 結論

本文的研究驗證了葉片上弦差值的大小可以改變氣流的攻角，上弦差值越大軸流風機的靜壓性能越好，對于軸流風機的性能有較好的促進作用，但是若超越一定臨界值，靜壓性能提升不明顯；除此之外，本文研究表明，在某一工況下，軸流風機葉片上弦差值的增大，對于其靜壓效率的提升并沒有很好的效果，驗證了上弦差參數的調整僅適用于提升靜壓值。