loading基于CFD的轴流通风机叶片的流场分析与改进设计
摘要：通过计算流体力学（CFD）方法对轴流通风机叶片的流场进行了虚拟样机的数值模拟，不仅得到了流场的工作特性数据，而且提出了对叶片叶型的改进设计方案，并通过真实样机的试验验证了数值模拟分析的正确性和改进设计的可行性。最后，还对数值模拟与真实试验数据之间的差异原因进行了讨论。 关键词：轴流式通风机；叶片；CFD；流场分析；改进设计
0 引言
轴流通风机的传统设计方法主要有两种：一种是利用孤立翼型进行空气动力试验所得到的数据进行孤立翼型设计，称为孤立翼型设计方法；另一种是利用平面叶栅的理论和叶栅的吹风试验所得到的数据进行设计，称为叶栅设计方法[1]。试验测量方法所得到的试验结果真实可信，但往往受模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度等的限制，有可能很难通过试验方法得到结果。此外试验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。计算流体力学（CFD）的计算方法是近年来发展起来的新型独立学科，它兼有理论性和实践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的计算技术[2]。轴流通风机叶片作为关键部件，其性能直接影响着风机的性能。轴流通风机设计的主要任务就是设计出能保证各项性能要求的高效率叶片。
本文介绍的是采用现今先进的CFD方法，以一款汽车用冷凝器风扇的叶片为例，进行探索性的流场分析与改进设计研究。
1 叶片的CFD流场分析
1.1 对象描述
该风扇总成的整体三维图如图1所示。叶片直径为250mm，材料为PP，其技术要求：在静压p=－50Pa（风机进口处的压力比周围空气低50Pa），转速为2600r/min的情况下，风扇总成在一个标准大气压、温度为20℃、相对湿度为50%的空气，用标准电机在12V的电压下进行送风测试时，其送风量应≥900m3/h，标准电机工作电流应≤7A。
图1 分析对象——风扇总成的三维图
1.2 划分网格
计算流体力学作为工程应用的有效工具，所面临的关键技术之一就是生成网格的质量的好坏，它直接影响到模拟结果的精度和所耗用的CPU时间。在计算敏感区域（壁面附近、尾流块、外形曲率大的表面）参数变化梯度大，如果网格太稀疏，则不能捕捉到流场的重要信息，造成误差大，甚至解不能收敛，故需取较密的一些网格；而在非计算敏感区域参数变化梯度较小，如果网格太稠密，则所耗用的CPU时间长，故应取较稀一些的网格。因此，应根据需要安排网格疏密。另外，曲线应尽量光滑，不能过分扭曲。在CFD的实际应用中，
1
计算量一般非常大，合理划分网格可以大大节省机时，还可以避免自动网格划分中带来的过度疏密。高正交网格和高效展玄比是高质量网格的2个基本要素，它直接影响到计算的收敛时间和稳定性。
显然该叶片是周期对称的，因而选用1/5的叶片进行计算。根据经验及反复调整，得到36万节点的扇叶周围气体的网格如图2所示，其网格参数的评价结果（见表1）显示该生成的叶片网格是高效网格。为了避免因为网格密度不足而造成计算不可靠的影响，对改进前后的叶片的计算域均进行加大网格密度的验证，由原来36万节点的网格加密为92万节点的网格。对加密的网格进行计算得到的结果与原结果对比，误差不超过万分之一，说明原计算所用的网格密度足够，其计算结果是可靠的。
图2 生成的叶片周围气体的网格
表1 网格的评价结果
网格最小夹角 37.2807°
网格最大夹角 142.003°
相临单元体积最大比
8.7231
最小单元体积 6.57807e-12 m3
展玄比 26.8433
1.3 边界条件及求解参数设置
在进行CFD流场分析时所采取的部分边界条件及参数设置如下： （1）对流方式：选用k-? SST（剪切应力输运模型[3]）模型；
（2）采用旋转坐标系的方法，设置计算域转速为技术要求的工作转速2600r/min；
（3）取参考压力为101325Pa，通过试算设定进口总压条件，调节进口总压的相对值使进口静压达到－50Pa，此时总压相对值约为－29Pa；
（4）由于在距叶片相对较近的一段距离内气体总压变化不大，且出口与大气相连，因而对风机出口设定出口平均静压相对值为0Pa；
（5）对于流线罩，考虑到实际状态为静止部件，其与叶片的距离较近，有相互作用，因而在边界条件中设为反向旋转的墙，即在旋转坐标系中流线罩是运动的。但由于流线罩是圆周对称的圆柱面，不会造成计算区域不稳定的问题；
（6）由于叶片顶部与流线罩相互作用强烈，生成叶片网格时将扇叶与流线罩间单独分两个重合的面。利用两个重合的面建立一液体对液体的接触面边界条件。该边界条件充分利用了其可允许压力突变的特点，将叶片顶部与流线罩的复杂流动通过两个重合面与叶片面分成流动相对平稳的两个区域。对于周期面自然选用周期边界条件，其余的面采用缺省的无滑移壁面边界条件。
（7）收敛控制与收敛准则：求解器的时间步长设为“自动调整时间步长”；最大迭代次数为500次；残差类型为均方根；前后计算的残差余量设为0.00001。 1.4 仿真结果与讨论
为了得出风机的工作特性曲线，在只改变转速而不改变其余边界条件的情况下，得到如表2的仿真结果。
表2 风机总成的仿真特性表
2
转速/ （r/min） 2200 2400 2600 2800 3000 2600*
进口静压/
Pa -42.7761 -46.2891 -50.0987 -54.3257 -59.012 -50.0247
出口静压/
Pa 0.521021 0.359684 -0.118407 -0.604545 -0.899897 0.867513
流量/ （m/h） 776.945 881.604 978.025 1073.88 1170.09 994.877
3
驱动功率/
W 38.0585 47.401 58.3476 70.9436 84.9523 59.0795
静压效率 全压效率
0.580628 0.557008 0.532155 0.512821 0.502729 0.530721
0.670252 0.672634 0.674805 0.680498 0.684392 0.61643
注：* 该组是为了与改进后的叶片在相同情况下进行比较而进行的计算，其设定进口边界条件为指定静压-50Pa。
从表2可见：
（1）随着转速的增加，流量逐渐增加，效率也逐渐增加。由于进口总压不变，流量增加，流速也增加，造成进口静压逐渐下降；
（2）转速从2200r/min增加到3000r/min时出口静压的变化只有约1.4Pa的变化，再一次验证了前面假设的正确性；
（3）对比在总压条件下与进口静压条件下两种工作在2600r/min的计算结果，可以看出除出口静压与全压效率有较小的差距外，其余指标均很接近，也说明了选用总压边界条件的正确性；
对技术要求的工作转速（2600r/min）时的计算结果作扇叶流线图（图3a）和展开图（图3b）。
(a) 叶片流线图 (b) 叶片中柱面流线展开图
图3 叶片流线图与展开图
从图3的分析可发现：由于叶片的扇面过大，造成前叶片下部面的法向与另一个叶片的后部相交，由此造成从一片叶片下部流出的流线在相邻叶片上部的位置有明显弯折的现象；同时叶片尖部与流线罩之间有明显的气流扰动。可以推断：由此可引起空气在流动过程中造成气流不必要的扰动，增加送风过程中的噪声，减小了送风量，同时也降低了该风机的效率。
2 改进设计
对叶片送风的仿真分析暴露了原叶片设计的不足，为此对叶型做如图4所示的修改，减小了叶片进口边的面积，但并不改变叶片的扭角。这样不仅可以验证前面的分析结果，更重要的是可以利用原叶片进行简单的改制，从而不用重新开模就可得到叶片改进后的样件，大大降低实验成本。
3
(a) 改进前的叶片 (b) 改进后的叶片
图4 改进前后的扇叶结构
通过采用与改进前相同的处理分析方法，并调节进口总压的相对值，使进口静压达到－50Pa，这时总压相对值约为－21.45Pa。经计算得到如表3的结果。
表3 改进后风机总成的仿真特性表
转速/ （r/min） 2200 2400 2600 2800 3000 2600*
进口平均气压/
Pa -39.0798 -44.5928 -50.0876 -55.7691 -61.7138 -50.2119
出口静压/
Pa -1.18167 -0.701812 -0.38032 -0.078771 0.172608 -0.635855
流量/ （m/h） 887.591 1022.74 1138.63 1247.18 1351.59 1158.92
3
驱动功率/
W 36.4395 45.1162 55.8951 68.2962 82.3036 51.3819
静压效率 全压效率
0.583183 0.619207 0.626735 0.626906 0.624572 0.680212
0.748245 0.793062 0.803513 0.806 0.806648 0.619552
注：* 该组是在为了与改进前的叶片在相同情况下进行比较而进行的计算，其设定入口边界条件为指定静压-50Pa。
对技术要求的工作转速（2600r/min）时的计算结果作叶片流线图（图5a）和展开图（图5b）。
(a) 叶片流线图 (b) 叶片中柱面流线展开
图5 改进后的叶片流线图与展开图
通过对比改进前后的叶片的仿真结果，可以发现：改进后的叶片消除了叶片下部流出的流线在相邻叶片上部出现的弯折现象，同时也明显改善了叶片尖部与流线罩之间气流的扰动。通过对比改进前、后的工作特性数据（表2与表3），可见：除消耗功率略微有所增加外，其余各项指标均优于改进前的叶片。这些结果初步说明该改进方案是可行的，可以进行进一步的真实样机的试验验证。
3 样机试验验证
为了进行该类风机性能的测试，我公司参照GB1236-1985《通风机空气动力性能试验方法》[4]进行了真实样机的试验。在保持测试静压与计算的进口平均气压一致的情况下，在实际大气压为96250Pa，气温23℃，湿
4