【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 tic diagram of axial flow fan（1）整流罩：為了改善軸流風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣條件，需要在軸流風(fēng)機(jī)葉輪或前導(dǎo)葉之前安裝整流罩。實(shí)踐證明安裝整流罩可提高風(fēng)機(jī)全壓和全壓效率，同時(shí)軸流風(fēng)機(jī)的噪聲也得到降低。一般整流罩為半球或半橢球形。（2）導(dǎo)葉：分前導(dǎo)葉和后導(dǎo)葉兩大類。前導(dǎo)葉可以使氣流有預(yù)旋地進(jìn)入葉輪，這樣就可以使軸流風(fēng)機(jī)的一部分軸向氣流轉(zhuǎn)變?yōu)橹芟驓饬鳎ㄟ^(guò)這種轉(zhuǎn)變可提高軸流風(fēng)機(jī)的靜壓。與軸流風(fēng)機(jī)的前導(dǎo)葉對(duì)比，后導(dǎo)葉可以使軸流風(fēng)機(jī)的一部分周向動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)機(jī)靜壓，另外通過(guò)安裝后導(dǎo)葉也可以降低氣流與外筒之間的摩擦損失。（3）葉輪：主要功能是通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)氣流做功，使得氣流獲得能量，其中葉輪由輪轂和動(dòng)葉組成，通常動(dòng)葉是焊接在輪轂上。軸流風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉通常從葉根到葉頂是扭曲狀的，其分為機(jī)翼型和圓弧板型等。（4）外筒：包覆在軸流風(fēng)機(jī)的葉輪外面，可以起到收集和導(dǎo)向氣流的作用。（5）擴(kuò)壓筒：作用是將軸流風(fēng)機(jī)中一部分氣流的軸流動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)機(jī)靜壓，同時(shí)也可以減少出口氣流的擴(kuò)散損失。 軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)大多采用二維理想流動(dòng)理論，并伴有一些經(jīng)驗(yàn)公式和氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)[22]。核心方程是由二維理想流動(dòng)假定的連續(xù)方程和動(dòng)量方程導(dǎo)出的流型方程即式（21），氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)包括由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的葉型升力和阻力系數(shù)以及考慮粘性修正的葉型流動(dòng)效率等。流型方程中的流型系數(shù)對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的性能影響很大，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)軸流風(fēng)機(jī)采用自由渦設(shè)計(jì)即流型系數(shù)=1，近年來(lái)軸流風(fēng)機(jī)采用可控渦設(shè)計(jì)即≠1。另外傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)軸流風(fēng)機(jī)要采用葉片徑向堆積成型技術(shù)，而現(xiàn)在設(shè)計(jì)軸流風(fēng)機(jī)時(shí)一般采用葉片非徑向堆積技術(shù)。 （21）式中：——周向速度，m/s；——絕對(duì)速度，m/s；——半徑，m；——速度的周向分量；——流型系數(shù)。（1）流型系數(shù)的選取若軸流風(fēng)機(jī)采用合適的流型系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么其可以最大限度地利用電機(jī)輸入的功率，還可以將電機(jī)輸入功率最大限度地轉(zhuǎn)化為軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)功，這樣也就使得軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)出口動(dòng)能即式（22）減少到了最小。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)出口動(dòng)能達(dá)到最小時(shí)要滿足流型方程即，所以本文采用滿足的流型系數(shù)進(jìn)行T35軸流風(fēng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)[23]。 （22）式中：——空氣的密度，kg/m3；——軸向速度，m/s；——速度的軸向分量；——風(fēng)量，m3/h。（2）參數(shù)選取氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)是根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)的工作要求而給定的工況參數(shù)，包括全壓、風(fēng)量、葉輪直徑、轉(zhuǎn)速以及氣體密度等。另外具體設(shè)計(jì)時(shí)還需要選取的參數(shù)是輪轂比、流型系數(shù)、弦長(zhǎng)與葉型曲率半徑之比、效率曲線和升力系數(shù)曲線。根據(jù)以上選取的參數(shù)利用下面的計(jì)算公式去得到葉片的幾何參數(shù)，這些幾何參數(shù)包括拱高、弦長(zhǎng)、葉型半徑和安裝角等。（3）主要計(jì)算公式1．圓周速度和壓力系數(shù)的表達(dá)式分別如式（23）和（24）所示： （23）式中：——葉輪直徑，m；——葉頂（葉片最大半徑處）；——轉(zhuǎn)速，rpm；——圓周速度，m/s；——葉頂圓周速度，m/s。 （24）式中：——壓力系數(shù)；——全壓，Pa。在軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，軸流風(fēng)機(jī)是否加前后導(dǎo)葉要由值來(lái)定，具體為：當(dāng)時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)不加前后導(dǎo)葉；當(dāng)時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)要加后導(dǎo)葉；當(dāng)時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)既要加前導(dǎo)葉也要加后導(dǎo)葉。因?yàn)楸疚牡膲毫ο禂?shù)，這樣設(shè)計(jì)T35軸流風(fēng)機(jī)時(shí)不加前導(dǎo)葉和后導(dǎo)葉[24]。2．若軸向速度均勻，則有式（25）和（26）： （25）式中： ——輪轂直徑，m；——輪轂比。 （26）式中： ——進(jìn)口軸向速度，m/s；1——?dú)饬鬟M(jìn)口。3．葉片各基元級(jí)i截面上的出口周向速度，出口軸向速度和全壓由徑平衡方程（27），能量方程（28）及流型方程（29）共同確定。 （27）式中：——出口周向速度，m/s；2——?dú)饬鞒隹?；——出口軸向速度，m/s。 （28）式中：——流動(dòng)效率，由經(jīng)驗(yàn)給出。 （29）4．圖22是葉片基元級(jí)的速度三角形平面圖，圖中表示絕對(duì)氣流角，相應(yīng)的各參數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)（210）～（218）所示：圖22 葉型參數(shù)示意圖 The schematic diagram of vane type parameter假定軸流風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)口處的氣流均勻，因而有： （210）式中：——進(jìn)口絕對(duì)速度，m/s； （211）式中：——進(jìn)口周向速度，m/s； （212）式中：——進(jìn)口相對(duì)速度，m/s；——進(jìn)口圓周速度，m/s； （213）式中：——進(jìn)口相對(duì)氣流角，176。； （214）式中：——出口相對(duì)速度，m/s；——出口圓周速度，m/s。 （215）式中：——出口相對(duì)氣流角，176。； （216）式中：——平均氣流速度，m/s； （217）式中：——平均氣流角，176。； （218）5．確定葉片參數(shù)：當(dāng)葉片數(shù)值在范圍內(nèi)，并且攻角在2176。附近時(shí)，此葉片具有最佳的氣動(dòng)特性，相應(yīng)葉片參數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)式（219）～（221）所示： （219）式中：——攻角，176。；——弦長(zhǎng)，m；——升力系數(shù)；——葉型曲線的曲率半徑，m。 （220）式中：——安裝角，176。； （221）式中：——葉片數(shù)；——葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s。6．葉片的成型：葉片各基元級(jí)確定后，需要將它們堆積起來(lái)組成一個(gè)葉片，這一過(guò)程稱為葉片的成型[25]。最早葉片成型都是用圓柱面成型，具體是將葉片的各個(gè)基元級(jí)型線都靠在一個(gè)合適半徑的圓柱面上成型一個(gè)葉片，顯然成型后葉片的各基元級(jí)型線和原來(lái)設(shè)計(jì)的各基元級(jí)型線會(huì)有較大差別。對(duì)比葉片的圓柱面成型，葉片圓錐面成型是將葉片成型在一個(gè)圓錐面上，實(shí)踐證明葉片采用圓錐面成型時(shí)成型后葉片和原來(lái)設(shè)計(jì)葉片的差別會(huì)更小。 軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬 數(shù)值建模圖23 軸流風(fēng)機(jī)的建模圖 Modeling figure of axial flow fan數(shù)值建模包括模型的建立、網(wǎng)格的劃分、邊界條件的設(shè)置和數(shù)值計(jì)算的后處理等，可見(jiàn)數(shù)值建模是數(shù)值計(jì)算中的一個(gè)很關(guān)鍵步驟[26]。以低壓軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值建模為例，如上圖23所示。有些文獻(xiàn)認(rèn)為只要包括集流器、葉輪以及在此風(fēng)機(jī)前或后連接一段短管道等就可以進(jìn)行此風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬，同時(shí)認(rèn)為可以利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)考核該風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬結(jié)果，并且以為該數(shù)值建模已經(jīng)考慮了風(fēng)機(jī)各部件的影響，其實(shí)這樣的數(shù)值建模是有問(wèn)題的。因?yàn)槔脟?guó)家標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)考核模擬結(jié)果要滿足下面的條件，該條件是要在風(fēng)機(jī)前或后連接一段很長(zhǎng)的管道，通過(guò)連接長(zhǎng)管道去得到一段均勻的流動(dòng)區(qū)域。 幾何模型的簡(jiǎn)化為了建立風(fēng)機(jī)的三維流場(chǎng)計(jì)算域，需要先將風(fēng)機(jī)的工程設(shè)計(jì)參數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際風(fēng)機(jī)的三維數(shù)值建模。因?yàn)槔靡延械腃AD軟件進(jìn)行工業(yè)造型無(wú)法滿足計(jì)算要求，這樣本文采用商用CFD軟件進(jìn)行風(fēng)機(jī)的三維數(shù)值建模。在風(fēng)機(jī)的三維數(shù)值建模時(shí)，需要將風(fēng)機(jī)模型建立的盡量簡(jiǎn)潔和合理[27]。所謂模型的簡(jiǎn)潔性，就是對(duì)風(fēng)機(jī)的三維模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，具體是要減去對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響很小的、不必要的細(xì)節(jié)部分，比如：風(fēng)機(jī)實(shí)際的一些小零件如螺絲，螺栓等。簡(jiǎn)化后的風(fēng)機(jī)模型在流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)可大大節(jié)省計(jì)算資源，這樣把更多的計(jì)算資源用到了其它的數(shù)值計(jì)算上。所謂模型的合理性，就是為了合理給定風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口邊界條件而增加的一些計(jì)算域，具體是在風(fēng)機(jī)進(jìn)口增加一段管道，風(fēng)機(jī)出口用一個(gè)半球模擬出口環(huán)境，這樣的處理并沒(méi)有增加過(guò)多的計(jì)算量，反而改善了模擬計(jì)算的預(yù)測(cè)精度。 計(jì)算域的組成本文采用Fluent自帶的前處理器Gambit軟件進(jìn)行T35軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值建模，該模型包括下面五部分，具體如圖23和24所示。（1）進(jìn)口延伸區(qū)：管道長(zhǎng)度為12m即15d，其中d為管道的直徑。（2）進(jìn)風(fēng)口：，進(jìn)風(fēng)口的形狀是喇叭形。（3）葉輪：，其包括輪轂和葉片，葉片數(shù)為4片。（4）電機(jī)：數(shù)值模擬時(shí)對(duì)電機(jī)做了簡(jiǎn)化，直接用圓柱體代替電機(jī)；（5）出口球體：，并采用壓力出口來(lái)設(shè)置出口邊界。圖24計(jì)算域的放大圖 Enlarged figure of putational domain 網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格質(zhì)量直接關(guān)系到計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間以及計(jì)算的收斂性，劃分網(wǎng)格時(shí)要求單元體不能有大的畸變率。本文采用Fluent自帶的前處理器Gambit軟件進(jìn)行新T35軸流風(fēng)機(jī)模型的網(wǎng)格劃分。如圖25所示，該模型的整機(jī)網(wǎng)格為3149348，進(jìn)口延伸區(qū)為708275，集流器為178589，葉輪體為1143604，出口通道為605845，出口球體為496354。圖25新T35軸流風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格圖 Grid map of new T35 axial flow fan因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格不僅限制了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性，而且還不能模擬復(fù)雜的幾何體。與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格存在的以上缺陷，因此復(fù)雜的計(jì)算模型通常都采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。利用Gambit軟件對(duì)復(fù)雜的幾何體進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分，操作中不需要調(diào)整邊界上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置，而且Gambit中的工具“尺寸函數(shù)（size function）”可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的局部加密[28]。圖26 葉輪網(wǎng)格示意圖 Grid map of the impeller 圖27 葉片吸力邊的y+ 值 圖28 葉片壓力邊的y+值 y+ value of the y+ value of the blade suction side blade pressure side葉片近壁面的y+值很重要，其會(huì)直接影響風(fēng)機(jī)的軸功率和效率。若葉片近壁面的y+值太小，則對(duì)應(yīng)該近壁面的第一排網(wǎng)格就可能落在層流底層，這樣會(huì)因網(wǎng)格生成太多而無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。若葉片近壁面的y+值太大，則對(duì)應(yīng)該近壁面的第一排網(wǎng)格將超出邊界層湍流充分發(fā)展區(qū)，這種情況下來(lái)計(jì)算壁面切應(yīng)力也是不對(duì)的。另外不同風(fēng)機(jī)要求葉片面的y+值也會(huì)不同[29][30][31]，如：在進(jìn)行離心風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬時(shí)，該風(fēng)機(jī)葉片面上的y+值應(yīng)在60~100范圍內(nèi)；而在進(jìn)行軸流風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬時(shí)，該風(fēng)機(jī)葉片面上的y+值大體要在100~200范圍內(nèi)。為了使風(fēng)機(jī)壁面的y+值在200以內(nèi)，在劃分網(wǎng)格時(shí)需要對(duì)風(fēng)機(jī)壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密，此加密通過(guò)在風(fēng)機(jī)計(jì)算域內(nèi)定義加密函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于葉輪是風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，因此葉輪的網(wǎng)格加密一定要格外的關(guān)注，圖26為優(yōu)化后T35軸流風(fēng)機(jī)的葉輪網(wǎng)格示意圖。本文將優(yōu)化后T35軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果監(jiān)測(cè)了葉片吸力面和壓力面的y+值，上面圖27和圖28分別給出了優(yōu)化后T35軸流風(fēng)機(jī)的葉片吸力面和壓力面的y+值。從圖27中可見(jiàn)，葉片吸力面的y+值大體都在[, ]之間，僅僅該葉片吸力面中心的y+值在[, ]之間。而如圖28所示，葉片壓力面的y+值都在[, ]范圍之內(nèi)，可見(jiàn)優(yōu)化后T35軸流風(fēng)機(jī)的葉片滿足風(fēng)機(jī)壁面y+的要求。 計(jì)算方法和邊界條件軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的實(shí)際流動(dòng)是非定常的，葉柵之間以及葉輪和機(jī)殼之間的相互作用都會(huì)造成軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)[32]。但是由于存在計(jì)算機(jī)容量和計(jì)算時(shí)間的問(wèn)題，另外在風(fēng)機(jī)的研究中主要關(guān)注的是風(fēng)機(jī)總壓、軸功率以及風(fēng)機(jī)效率等這些整體的性能參數(shù)，而不是關(guān)注風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，所以可以忽略軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部實(shí)際流動(dòng)的不定常性，將風(fēng)機(jī)內(nèi)部的實(shí)際流動(dòng)簡(jiǎn)化為不可壓定常流動(dòng)。算法求解器：分離的隱式算法。湍流模式：本文采用標(biāo)準(zhǔn)kε雙方程湍流模式來(lái)模擬軸流風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況附近的湍流場(chǎng)。由于Fluent軟件自帶壁函數(shù)，所以本文利用Fluent自帶的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)去近似處理風(fēng)機(jī)壁面附近的流場(chǎng)，這樣可將近壁面的第一排網(wǎng)格設(shè)置在對(duì)數(shù)律層。離散方法：本文采用SIMPLE算法來(lái)求解控制方程，對(duì)于動(dòng)量方程、湍流模式方程均采用一階迎風(fēng)格式，這樣既可保證迭代過(guò)程較快收斂，又可避免解的震蕩，從而得到符合實(shí)際物理規(guī)律的結(jié)果。若風(fēng)機(jī)進(jìn)出口邊界設(shè)置與風(fēng)機(jī)實(shí)際流動(dòng)不符，那么數(shù)值模擬結(jié)果就會(huì)不準(zhǔn)確[33]。對(duì)于新T35軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬來(lái)說(shuō)，該風(fēng)機(jī)的進(jìn)口邊界應(yīng)該設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，因?yàn)樵擄L(fēng)機(jī)的流量已經(jīng)給出，要計(jì)算的是壓力。若將此風(fēng)機(jī)的進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，那么在風(fēng)機(jī)的壓力出口設(shè)置時(shí)應(yīng)該勾選目標(biāo)流量，這樣就需要通過(guò)很多次計(jì)算才能使目標(biāo)流量與已知流量相符，因此新T35軸流風(fēng)機(jī)的進(jìn)口應(yīng)該設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口。因?yàn)閷?shí)際新T35軸流風(fēng)機(jī)的出口靜壓為大氣壓力，這樣該風(fēng)機(jī)的出口邊界應(yīng)該設(shè)置為壓力出口，具體此風(fēng)機(jī)的邊界設(shè)置可見(jiàn)圖29和表21所示。另外如果計(jì)算域的出口有一段很長(zhǎng)的管道，那么自由出流條件和壓力出口條件將差別不大。圖29邊界條件示意圖 Schematic diagram of the boundary conditions表21 邊界條件設(shè)置邊界條件的名稱邊界類型進(jìn)口（inlet）massflowinlet風(fēng)機(jī)進(jìn)口（fanin）interior葉輪進(jìn)口（impellerin）