葉片結構局部優化對風扇性能的影響分析

宋 樺

(太原軌道交通集團有限公司, 山西太原 030002)

0 引言

目前,公共建筑、工業建筑能耗居高不下,一方面與建筑的運營人員對機電設備系統的運行操作習慣有關,另一方面與機械設備本身的效率存在較大關系。通風類相關機械本身效率不高也是相應建筑通風能耗較大的原因之一,許多學者針對這一問題也進行了多方面研究。肖美娜等[1-3]通過模擬計算分析了蝸殼、翼型、葉片等結構變化后,對流場分布、流動穩定性等方面進行研究分析,總體認為機械結構的變化會對流場產生較大影響,特別是對蝸殼局部進行切削后不僅對切削位置附近的流體流場產生顯著影響,并會延伸到整個風機內流場中;姜華等[4-13]對葉輪葉形及其與蝸殼的位置關系進行數值研究,對噪音、效率、壓力分布等進行分析討論,認為葉形及結構相對位置關系會對風機噪音、效率等性能參數產生影響,從而影響到風機運行能耗。

1 控制方程

1.1 連續性方程

空氣流動中,連續性方程為:

按照空氣不可壓縮,以上方程簡化為:

div(U)=0

1.2 動量方程

常系數粘性不可壓縮流體流動方程為:

1.3 湍流流動方程

風扇葉片氣體運動為湍流,流動方程為:

2 數值計算

2.1 模型參數

本研究將五葉型風扇設置為基準對比模型,參數見表1,模型見圖1。

圖1 五葉風扇葉片模型

表1 風扇葉片模型物理參數 單位:mm

2.2 假設簡化

為簡化分析,增加電腦運算速率,做以下簡化。

(1)滿足理想氣體狀態方程。

(2)忽略風扇內部復雜結構對氣流的影響。

(3)忽略葉片邊緣銳化處理。

2.3 邊界條件

計算時,進風口設置為速度入口,氣體狀態默認為標況;出風口定義為自由壓力出口;計算過程采用動坐標,逆時針設置。本次計算風速如表2所示。

表2 進風風速

2.4 網格劃分

應用Gambit建立物理模型并劃分網格,鑒于葉片結構的無規則性,應用四面體網格劃分模型,葉片處弧形角度較大,此處進行網格加密;為保證整體網格劃分質量,模型網格skewness控制在0.95以下,且大于0.85的不超過1%。

3 優化模擬

對各葉片優化方案CFD計算,計算結果分析如下。

3.1 基準模型

設定五葉風扇原始模型為基準模型,通過CFD模擬得到風扇入口全壓為0,出口靜壓為0的壓力分布分別如圖2、圖3所示。將工況四定義為特征流量,壓力分布見圖4、圖5。

平衡經濟利益與健康價值、關注公共健康與個人健康一向是政府應該承擔的責任，同時也是消費者關心的重要問題。因而，面對這些具有公益性質的問題，醫藥企業通常面臨著向政府承擔責任和向消費者承擔責任的雙重挑戰。具體而言，政府在與醫藥企業共同分擔責任的同時，還負有對醫藥企業進行監管的義務，消費者在消費醫藥企業醫藥產品的同時，還享有對醫藥企業進行監督的權利。這些共同構成了督促醫藥企業承擔社會責任的外部力量。

圖2 壓力面壓力分布(單位:Pa)

圖3 吸力面壓力分布(單位:Pa)

圖4 特征流量壓力面壓力分布(單位:Pa)

圖5 特征流量吸力面壓力分布(單位:Pa)

由圖2、圖3可以清晰看到風扇葉片表面壓力梯度的變化情況,并且由圖分析可知在葉片前端部分有一個壓力梯度急劇變化的區域,壓力面及吸立面壓力沿著葉片軸部至葉片頂端逐漸提升,位于壓力面的葉片頂端存有一個較高的靜壓區,此區域證明在壓力面葉片頂端處存有一個滯留氣流的區域,導致流體在葉片壓力面將易于發生脫落。由圖4、圖5能夠得出在壓力面氣流滯留區域內壓力顯著變大,同時吸力面葉片頂端負壓區域變大,壓力變低,該基準模型擁有較好的壓力分析結果,具有較強的通風換氣性能。

3.2 優化方案

根據以上模擬分析,針對五葉片和三葉片,對前、后端分別提出2種優化方案,如表3所示。

表3 優化方案

葉片示意見圖6,前后端后端加凸起示意見圖7。

圖6 葉片示意

圖7 前后端加凸起示意

4 模擬結果及分析

4.1 壓力比較

通過數值分析得到各優化方案(入口全壓為0,出口靜壓為0)的壓力面、吸力面壓力分布如圖8、圖9所示。特征流量下的壓力分布如圖10、圖11所示。

圖8 壓力面壓力分布(單位:Pa)

圖9 吸力面壓力分布(單位:Pa)

將優化前端的方案一與圖2模擬結果比較可得到優化后風扇壓力面的葉片頂端處有一個高靜壓區,同時此壓力面位于葉片頂端氣流滯留區內壓力較優化前顯著增加,因而氣體在壓力面上較易于脫落。但能夠說明葉片前端面上壓力梯度減小,流場分布趨于均勻,方案二與圖2能說明優化后風扇壓力面在葉片頂端處氣流滯留區壓力明顯比其他方案較大,氣流在葉片壓力面會更易脫落。但是葉片前端壓力梯度相比基準模型略低,流場壓力分布更加穩定;后端方案一與圖2相比能說明葉片表面壓力梯度發展的趨勢,并能夠看見吸力面葉片頂端處壓力比基準模型更低,從前端到后端的壓力變化規律為先減后增;壓力面的靜壓出現葉軸部到葉片頂端逐漸變大的趨勢,方案二與圖2比較可得到吸力面葉片葉頂端處壓力比基準模型要低,從前端到后端壓力呈現逐漸降低的發展規律。

前端的優化方案一與圖3相比,吸力面葉片頂端處低負壓區域面積變大,方案二與圖3比較,吸力面葉片頂端處高壓區域比優化前變大,可說明優化后的方案擁有更強的通風性能;后端方案一與圖3比較可以看出壓力面葉片頂端出現低負壓區,該氣流滯留區域上壓力較基準方案小,氣流在葉片壓力面不易脫落,方案二與圖3比較看出壓力面的靜壓呈現葉軸部到葉片頂端變大的規律,同時壓力面葉片頂端出現靜壓較大區域,氣流滯留區內壓力較基準方案略小,氣流在該區域上不易脫落。

前端優化方案與圖4、圖5對照可以得到方案一和方案二不同速度下吸力面與壓力面壓力分布無顯著差別;對于后端,方案一與圖5相比說明特征流量情況下壓力面氣流滯留區域上壓力較其他情況變大,同時吸力面頂端低負壓范圍增加,方案二相比說明長后凸起與短后凸起壓力面分布大體相同,然而小后凸起尾端凸起處壓力梯度變小,說明此處氣體加速度不大,不易發生尾端流體脫落。

4.2 流量特性曲線分析

圖12 靜壓流量

圖13 全壓流量

經過相比研究發現,靜壓變化特點隨流量提高先增加后減小,直到降低到零,當靜壓為零時,便得出風扇流量最大值,由圖12、圖13能看出三葉優化方案最大流量約420 m3/h,短前凸起優化方案最大流量約455 m3/h;長后凸起優化方案最大流量約455 m3/h,短后凸起優化方案最大流量約465 m3/h,可見短后凸起模型的性能較好。

全壓隨流量增加的變化規律為先增加后降低,分析可知,當流動趨于平穩時,各流量研究點處,基準模型全壓比短前凸起高,短前凸起全壓比三葉高,說明五葉基準方案通風效果最好,而三葉最差,但三葉能夠較大程度降低造價?；鶞誓Ｐ腿珘罕榷毯笸蛊鸶?短后凸起模型全壓均比長后凸起高,說明基準模型通風效果最好,長后凸起模型較差。

針對4種優化模型,分別選擇前端優化及后端優化方案中性能最優的方案,繪制靜壓流量與全壓流量,如圖14、圖15所示。

圖14 葉片最優方案靜壓流量

圖15 葉片最優方案全壓流量

通過對比分析可得,當流動趨于穩定時,基準模型全壓、靜壓均比短前凸起高,短前凸起模型全壓均比短后凸起模型高。短前凸起模型靜壓與短后凸起相比大體相同,說明基準模型通風效果最好,短后凸起模型較差。

4.3 功率分析

風扇的好壞通常表現在能耗效率方面,在相同功量情況下軸功率大小便可較好說明風扇效率。分別選擇前端優化及后端優化方案中最優的模型計算其軸功率,如圖16所示。

圖16 軸功率對比

由圖16得出,不同的優化方法對風扇軸功率影響較小,說明優化方案下風扇軸功率近乎相同,差別較小。

5 結論

通過研究五葉基準模型、前凸起模型、三葉模型中數值計算結果,同時比較五葉基準模型、全后凸起模型、短后凸起模型數值計算結果,得出結論:

(1)三葉增加前端凸起的方案,盡管能大程度地減少建材成本,但卻降低了風扇通風性能,相同流量下壓力降低約6 Pa,最大流量降低幅度超過10%。

(2)風扇前端增加凸起對葉片進口處壓力梯度會產生較大波動,同時對提升風扇的機械剛度有利,能夠有效預防葉片在轉動過程中可能產生的振顫情況,可以預見對降低噪音也會產生積極效果。

(3)尾端增加長凸起方案,因為凸起本身體積存在對氣流流場影響較大,阻礙了氣流流線脫落,但卻使得風扇通風性能降低很大;尾端增加短凸起模型,既阻礙了尾端氣流脫落,又很好地保持了風扇通風性能。

(4)各優化方案軸功率與五葉基準方案基本相同,因而風扇運行效率相近,能耗基本相同。