【正文】 從圖312和313中可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)全壓效率和風(fēng)機(jī)靜壓效率也會(huì)隨著前傾角的增大而減小。、10176。、6176。、2176。從圖310和311中可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)全壓和風(fēng)機(jī)靜壓大體上均隨著風(fēng)機(jī)前傾角的增大而減小。、10176。、6176。、2176。圖39 葉片前傾 Forward lean blade為了討論新T35軸流風(fēng)機(jī)的葉片前傾對(duì)其性能的影響，本文建立了7種不同前傾角的T35軸流風(fēng)機(jī)模型并進(jìn)行了流場(chǎng)模擬。若風(fēng)機(jī)采用葉片前傾就可以減小葉片邊界層內(nèi)流體的離心力，這樣風(fēng)機(jī)的葉頂損失也會(huì)相應(yīng)得到降低。相反葉片后傾即BSK是葉片的上面截面相對(duì)于下面截面在葉輪旋轉(zhuǎn)方向上沿圓周向后旋轉(zhuǎn)一段距離。非徑向堆積技術(shù)可以減少氣流在輪轂和葉頂上的損失，可以控制二次流和高損失流體的遷移，也可以成為減少風(fēng)機(jī)噪聲的獨(dú)特工具，因此非徑向堆積技術(shù)被廣泛地用于軸流風(fēng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)中。表36不同流型系數(shù)的計(jì)算結(jié)果Table 36 Calculation results of different flow pattern coefficient流型系數(shù)風(fēng)機(jī)全壓（pa）全壓效率（%）葉輪壓頭（pa）葉輪效率（%）風(fēng)機(jī)靜壓（pa）風(fēng)機(jī)靜壓效率（%） 葉片前傾的影響軸流風(fēng)機(jī)葉片大多采用徑向堆積技術(shù)即RS，也就是說(shuō)風(fēng)機(jī)葉片的重心總是在對(duì)應(yīng)的徑向線(xiàn)上[47][48]。風(fēng)機(jī)靜壓效率也會(huì)隨著流型系數(shù)的增大而先增大后減小，風(fēng)機(jī)的靜壓效率會(huì)達(dá)到峰值。從圖37和38中可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)全壓效率會(huì)隨著流型系數(shù)的增大而先增大后減小。風(fēng)機(jī)全壓和風(fēng)機(jī)靜壓均達(dá)到極值。圖35和36給出了新T35軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)全壓和風(fēng)機(jī)靜壓隨著這6種流型系數(shù)的變化曲線(xiàn)，、。另外當(dāng)流型系數(shù)=2時(shí)，此時(shí)葉片的扭曲程度要比流型系數(shù)=1時(shí)大，此設(shè)計(jì)不能達(dá)到改善風(fēng)機(jī)性能的目的。另外葉輪中部測(cè)定的參數(shù)不能預(yù)估葉輪整體的性能狀況，需要將葉輪的所有參數(shù)沿徑向積分去得到葉輪的整體性能狀況。當(dāng)流型系數(shù)=0時(shí)，此時(shí)軸流風(fēng)機(jī)葉片采用的是變環(huán)量設(shè)計(jì)即可控渦設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的氣流沿葉片徑向?yàn)榈戎芟蛩俣确植?。顯然等環(huán)量流型設(shè)計(jì)更適合于風(fēng)機(jī)的二維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并且此設(shè)計(jì)特別適用于展弦比較大的軸流風(fēng)機(jī)。實(shí)踐證明自由渦設(shè)計(jì)會(huì)使軸流風(fēng)機(jī)葉片根部的扭曲增大，軸流風(fēng)機(jī)葉片應(yīng)采用流型系數(shù)≠1的可控渦設(shè)計(jì)，并且不同流型系數(shù)對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的影響不一樣[43][44][45][46]。圖33不同輪轂比的全壓效率 圖34不同輪轂比的靜壓效率 Total pressure efficiency Static pressure efficiency of different hub ratio of different hub ratio表35 定量分析了不同輪轂比模型對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)全壓和全壓效率值。從圖33和34中可以看到，隨著輪轂比的增大對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)全壓效率和風(fēng)機(jī)靜壓效率會(huì)逐漸減小。風(fēng)機(jī)全壓和風(fēng)機(jī)靜壓均達(dá)到峰值。圖31和32給出了11種輪轂比模型在設(shè)計(jì)工況下的風(fēng)機(jī)全壓和風(fēng)機(jī)靜壓隨著輪轂比的變化曲線(xiàn)，、。因此本文討論新T35軸流風(fēng)機(jī)的輪轂比對(duì)其性能的影響很有價(jià)值。若軸流風(fēng)機(jī)輪轂比的取值太大，這樣會(huì)降低軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。下面將研究新T35軸流風(fēng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)要素對(duì)其性能的影響。考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間，%。這三套網(wǎng)格的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)表33所示，三套網(wǎng)格中具體每個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)見(jiàn)表34所示。該網(wǎng)格試驗(yàn)共有三套加密網(wǎng)格，每套網(wǎng)格都滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)壁面y+的要求，這三套網(wǎng)格總數(shù)分別為221萬(wàn)（方案1），314萬(wàn)（方案2）和430萬(wàn)（方案3）。%，可見(jiàn)新T35軸流風(fēng)機(jī)的性能更好一些。本文最后對(duì)該T35軸流風(fēng)機(jī)設(shè)置了兩個(gè)靜壓環(huán)，這兩個(gè)靜壓環(huán)的位置分別為遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)進(jìn)口3d處的圓環(huán)壁面上以及風(fēng)機(jī)出口處的圓環(huán)壁面上，具體的數(shù)值模型可見(jiàn)圖23所示，另外詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)表32所示。為此本文根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值建模方法設(shè)計(jì)了新T35軸流風(fēng)機(jī)模型，具體新T35軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程是：首先測(cè)量了原T35軸流風(fēng)機(jī)的葉片各個(gè)基元級(jí)參數(shù)，并且利用改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序?qū)θ~片測(cè)定參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，然后該設(shè)計(jì)程序輸出了新T35軸流風(fēng)機(jī)的葉片各基元級(jí)的點(diǎn)坐標(biāo)，具體氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序的改進(jìn)以及葉片參數(shù)的測(cè)量可見(jiàn)本章的11節(jié)。 （3－1）式中： 其中： =, =, =, =, =這里，分別為流體密度、壓力、湍能、湍能耗散率、流體動(dòng)力粘性系數(shù)和湍流粘性系數(shù)；分別為流體速度在x,y,z方向上的分量。 物理模型的建立物理模型描述的是實(shí)際中涉及的物理問(wèn)題，建立物理模型就是將實(shí)際中的物理問(wèn)題采用恰當(dāng)?shù)目刂品匠毯瓦吔鐥l件進(jìn)行描述[39][40]。本文將原風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了改進(jìn)，利用已知的攻角去計(jì)算程序中所需要的升力系數(shù)，這樣使得模擬的結(jié)果更加準(zhǔn)確可信。本文對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，將T35軸流風(fēng)機(jī)的葉片測(cè)定參數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的分析處理，并且輸出了葉片各基元級(jí)的點(diǎn)坐標(biāo)，這樣也就確定了風(fēng)機(jī)的葉片型線(xiàn)，另外表31中的B/R值是通過(guò)參考以往性能較好風(fēng)機(jī)的B/R值而得出。為此本文對(duì)原風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了改進(jìn)，首先改進(jìn)了數(shù)據(jù)的輸入和輸出格式，這樣不僅避免了輸入易錯(cuò)的缺點(diǎn)，而且便于與后續(xù)的數(shù)值模擬進(jìn)行銜接，從而大大地提高了工作效率。表31不同基元級(jí)的測(cè)量數(shù)據(jù) r（m）βA(176。具體的葉片參數(shù)測(cè)量方法是直接用平面截取葉片，再在平面內(nèi)進(jìn)行葉片參數(shù)的測(cè)量，最后將測(cè)量好的葉片參數(shù)輸入到風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)程序中。 軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序的改進(jìn)及葉片參數(shù)的測(cè)量軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)通常是采用已有的設(shè)計(jì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，但已有的設(shè)計(jì)程序存在不少缺點(diǎn)。本文中的幾何建模包括T35軸流風(fēng)機(jī)的本身建模以及為了計(jì)算需要而加的進(jìn)出口延伸部分，詳細(xì)的幾何建模見(jiàn)本章的13節(jié)所示。數(shù)值建模是數(shù)值模擬的第一步，準(zhǔn)確的模型可以為后續(xù)的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。 T35軸流風(fēng)機(jī)的模型建立在Fluent軟件中，每一種具體的模型都有其特定的設(shè)置，所以在計(jì)算之前關(guān)鍵要考慮是什么樣的物理模型，流動(dòng)是層流還是湍流，是否有能量的交換，計(jì)算中是否存在化學(xué)反應(yīng)等[38]。文章最后對(duì)T35軸流風(fēng)機(jī)提出了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，葉片前掠角為4176。第三章 T35軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要素對(duì)其性能的影響第三章 T35軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要素對(duì)其性能的影響本章根據(jù)第二章介紹的軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬方法，對(duì)T35軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值建模、網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置，依據(jù)網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了網(wǎng)格試驗(yàn)，在Fluent中選用了合適的數(shù)值求解方法，并且對(duì)該T35軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。在以上的基礎(chǔ)上，本章進(jìn)一步敘述了軸流風(fēng)機(jī)的整機(jī)數(shù)值模擬，著重介紹了軸流風(fēng)機(jī)幾何模型的建立、模型的網(wǎng)格劃分、模型的邊界設(shè)置、計(jì)算域的簡(jiǎn)化、模擬結(jié)果的收斂標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)值結(jié)果的處理方法等。表24不同進(jìn)出口邊界條件的數(shù)值模擬結(jié)果Table 24 Numerical simulation results of different import and export boundary conditions方案12風(fēng)機(jī)進(jìn)口總壓（pa）風(fēng)機(jī)出口靜壓（pa）風(fēng)機(jī)出口總壓（pa）風(fēng)機(jī)全壓（pa）全壓效率（%）葉輪效率（%）風(fēng)機(jī)靜壓（pa）風(fēng)機(jī)靜壓效率（%）注明：表24中，方案1表示風(fēng)機(jī)進(jìn)口采用質(zhì)量風(fēng)量進(jìn)口，風(fēng)機(jī)出口采用自由出流；方案2表示風(fēng)機(jī)采用壓力進(jìn)出口邊界設(shè)置。從表24中可見(jiàn)，這兩種不同邊界條件下計(jì)算結(jié)果也不相同，%，%。（2）將此風(fēng)機(jī)的進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，風(fēng)機(jī)的出口設(shè)置為壓力出口，具體的計(jì)算結(jié)果也見(jiàn)表24。表23不同靜壓取值的結(jié)果對(duì)比Table 23 Results parison of different static pressure values方案（pa）（pa）12注明：表23中，表示風(fēng)機(jī)出口管道的平均截面靜壓，表示風(fēng)機(jī)出口管道上圓環(huán)壁面的平均靜壓。具體的數(shù)據(jù)如表23所示。這一方面因?yàn)轱L(fēng)機(jī)出口管道的截面靜壓分布很不均勻。因?yàn)樵娇拷L(fēng)機(jī)出口截面上監(jiān)測(cè)氣流的流動(dòng)，監(jiān)測(cè)到的氣流流動(dòng)不均勻程度就越大，對(duì)應(yīng)測(cè)得的風(fēng)機(jī)出口靜壓就越不準(zhǔn)確，因此在軸流風(fēng)機(jī)的幾何建模時(shí)一定要按標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口接合適的管道。圖212計(jì)算采用的建模圖 Modeling diagram in calculation如表22所示，軸流風(fēng)機(jī)采用不同的數(shù)值建模會(huì)使其計(jì)算結(jié)果差別很大，方案2的風(fēng)機(jī)靜壓比方案1的風(fēng)機(jī)靜壓高25Pa，%。另外為了模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)的進(jìn)口環(huán)境，建模時(shí)在集流器前還連接了一個(gè)直徑為5m的半球，具體建模如圖212實(shí)線(xiàn)所示；方案二與方案一的區(qū)別是將風(fēng)機(jī)出口管道長(zhǎng)度10d改為5d，具體建模如圖212的虛線(xiàn)所示。 （229）式中：——葉片數(shù)；——轉(zhuǎn)速，rpm；——軸功率，W；——單個(gè)葉片的扭矩，Nm；——葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s； 效率的計(jì)算風(fēng)機(jī)的全壓效率、靜壓效率和葉輪效率的計(jì)算公式分別表示如下： （230）式中：——風(fēng)機(jī)的全壓效率； （231）式中：——風(fēng)機(jī)的靜壓效率； （232）式中：——葉輪的效率；——葉輪進(jìn)口總壓，Pa；——葉輪出口總壓，Pa； 不同數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比 不同建模的結(jié)果對(duì)比以低壓軸流風(fēng)機(jī)為例，設(shè)計(jì)風(fēng)量為36000m3/h，轉(zhuǎn)速為1450rpm，性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)GB/T12362000中的出氣法測(cè)試得到[36]。軸流風(fēng)機(jī)出口處的計(jì)算軸向動(dòng)壓的計(jì)算公式為： （227）式中：——風(fēng)機(jī)出口處的截面面積，m2；（2）靜壓：定義是軸流風(fēng)機(jī)的全壓值與軸流風(fēng)機(jī)出口處的計(jì)算軸向動(dòng)壓值之差。軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的計(jì)算軸向動(dòng)壓的計(jì)算公式為： （224）式中：——風(fēng)量，m3/h；——風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道的截面面積，m2；管道進(jìn)口阻力損失可表示為： （225）式中：——沿程損失系數(shù)；——風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道直徑，m；——測(cè)靜壓點(diǎn)距風(fēng)機(jī)進(jìn)口的長(zhǎng)度，m； （226）式中：——出口靜壓，Pa；——出口動(dòng)壓，Pa；其中風(fēng)機(jī)出口靜壓監(jiān)測(cè)面是風(fēng)機(jī)出口外圍圓環(huán)壁面，圓環(huán)寬度是10mm。圖211 全壓和靜壓的計(jì)算圖 Calculation chart of total pressure and static pressure 全壓和靜壓的計(jì)算（1）全壓：定義是風(fēng)機(jī)出口截面的總壓值與風(fēng)機(jī)進(jìn)口截面的總壓值之差，其相關(guān)的計(jì)算式如下式所示[34]： （222）式中：——風(fēng)機(jī)全壓，Pa；——風(fēng)機(jī)進(jìn)口截面的總壓，Pa；——風(fēng)機(jī)出口截面的總壓，Pa； （223）式中：——進(jìn)口靜壓，Pa；——進(jìn)口動(dòng)壓，Pa；——風(fēng)機(jī)進(jìn)口的沿程損失，Pa； 其中風(fēng)機(jī)進(jìn)口靜壓監(jiān)截面為距風(fēng)機(jī)進(jìn)口3d處的外圍圓環(huán)壁面，圓環(huán)寬度是10mm。從圖中可見(jiàn)，此數(shù)值計(jì)算迭代到4000步時(shí)Fluent監(jiān)測(cè)的6個(gè)方程殘差均小于104，而且在4000~4500步之間時(shí)監(jiān)測(cè)的風(fēng)機(jī)進(jìn)出口總壓、軸功率系數(shù)和扭矩系數(shù)的波動(dòng)范圍均很小，所以對(duì)于此T35軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算迭代到4500步時(shí)計(jì)算就可以結(jié)束。如果不能達(dá)到要求，則要調(diào)整松弛因子繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算。在性能較差風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工況和性能較好風(fēng)機(jī)的非設(shè)計(jì)工況下，計(jì)算的時(shí)間步數(shù)為4000~5000時(shí)，要求Fluent監(jiān)測(cè)的連續(xù)性方程和湍能耗散率方程的殘差均小于103，同時(shí)x，y，z三個(gè)方向的動(dòng)量方程以及湍能方程的殘差也要小于104。在性能較好風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工況下，計(jì)算的時(shí)間步數(shù)為4000~5000時(shí)，要求Fluent監(jiān)測(cè)的6個(gè)方程殘差均小于104，這6個(gè)方程分別為連續(xù)性方程、x，y，z三個(gè)方向的動(dòng)量方程以及湍流模式方程。在性能較差風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工況以及性能較好風(fēng)機(jī)的非設(shè)計(jì)工況下，不能用方程的殘差小于某一值作為收斂判據(jù)。因?yàn)閿?shù)值計(jì)算是否收斂影響到了計(jì)算結(jié)果和計(jì)算精度，這樣就需要準(zhǔn)確地去判斷風(fēng)機(jī)流場(chǎng)計(jì)算的收斂性。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。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。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]。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。算法求解器：分離的隱式算法。 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]。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。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。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)。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