（制冷及低温工程专业论文）双圆弧叶片多翼风机内流场的数值模拟及叶型研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 多翼风机因其体积小、噪音低而在供暖通风空调工程中得到广泛应用。这 种风机的叶片形状主要有两种：机翼形和等厚圆弧形。机翼形叶片因其流动特 性较好而效率较高，但也存在叶轮重量大、加工困难、成本较高的不利因素； 等厚圆弧形叶片虽因流动分离严重而效率稍低，但因其叶轮加工简单、成本较 低而在中小型风机中大量使用。 优化这种风机的性能参数及提高设计效率的一种有效方法是用形状合适的 等厚圆弧形叶片取代目前广泛使用的单圆弧形叶片。双圆弧叶片是其中的一种， 这种叶片由两个不同曲率不同角度的单圆弧组合而成，通过选取不同的进口安 装角、圆弧曲率及角度等参数组合来改变叶片的形状，从而模拟机翼形叶片的 形状来接近机翼形叶片中的流动效果。但目前对于这种叶片形状的研究比较少。 本文针对这种双圆弧叶片对风机性能的影响进行了研究，并以能否获得更 大的风量和压力作为评价风机性能的标准。在研究过程中根据不同的叶片进口 安装角、圆弧曲率及角度等参数的组合，设计了多种叶片。首先对整机流场用 f l u c n t 软件进行了二维模拟，找出了几个主要叶型参数对风机性能的影响规律， 筛选出了几种性能优良的叶片，然后又对这几种叶片的风机的整机流场进行了 三维模拟。 二维数值模拟结果表明，在蜗壳内部随着流体向出口处的流动，静压逐渐 减小动压和全压逐渐增大，靠近出口处的静压最小动压最大。对不同叶片的分 析表明，圆弧角度和曲率相互影响。第一个圆弧的角度不能过小，如果低于6 0 。， 则无法发挥双圆弧叶片的优势，甚至有可能不如单圆弧叶片。圆弧曲率比( 第 一个圆弧与第二个圆弧的曲率的比值) 的大小也应当适中，当第一个圆弧的圆 心角较小时，圆弧曲率比应当较小；反之，圆弧曲率比可以适当增大。综合来 看，第一个圆弧的圆心角应当在7 5 。一9 0 。左右，曲率比应当在3 4 左右。对入 口安装角的研究表明，由于叶轮的高速旋转，气流并不是沿垂直于叶道入口的 方向进入叶道，而是对叶片的压力面有一定的冲击。当入口安装角较大时，气 流对叶片的冲击比较强烈，能量损失较大，而较小的入口安装角比较容易引导 气流流向，减少气流对压力面的冲击。从本文研究的叶片来看，入口安装角应 取6 0 0 左右。 山东大学硕士学位论文 三维模拟的结果表明，进气口内的气流，在叶轮前盘附近以轴向速度为主， 在叶轮中部开始逐渐转变为径向速度。从叶轮中部流出的气流，在蜗壳内形成 了强烈的旋涡，其中的大部分在前盘附近回流入叶轮。进气口内靠近后盘附近 的气流，其方向基本上完全转为径向，最终大部分流出风机，因此可以认为后 盘附近的流场决定了风机的性能。由于风机前盘附近和中部存在的轴向涡流大 大阻碍了气体的流出，所以在相同的出口静压下，三维模拟得到的出口流速小 于二维模拟的结果。但是由于后盘附近流场对风机性能的决定作用，而且后盘 附近的流场接近二维模拟得到的流场，所以三维模拟所得的结论和二维模拟的 结论基本相同。 关键词：多翼风机；双圆弧叶片；数值模拟 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i b l a d cf a nh a sb e e nw i d e l yu s e di n h e a t i n g ，v e n t i l a t i n g a n d a i 卜c o n d i t i o n i n gc n g i n e e t i n gb e c a u s eo fi t ss m a l l e rs i z ca n dl o w 盯n o i s c t h i sk i n d 0 ff h nh a st w 0t y p c so fb l a d ep r o f i l e ：a e r o f b i l s h a p e dp r o f i l ea n de q u a l t h i c k n e s s c i r c u l a ra r c p r o f i l c t h ea e r o f o i l s h a p e dp f o f i l c b l a d ch a sb e t t e rf l o w c h a r a c t e r i s t i c sa n dh e n c eh i g h e re f f i c i e n c y b u ti ta l s oh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ： h i g h e rw c i g h t ，h i g h e r s t卸dm o f ed i f f i c u l tt o m a n u f a c t u r i n g s o ， t h c e q u a l t h i c k n c s sc i r c u l a r a l cp r o f i l eb l a d eh a sb e e nw i d c i yu s e di ns m a l la n d m e d i u ms i z e df a nf o ri t si m p e n e ti se a s i e rt om a n u f a c t u f i n ga n dt h ei t sc o s ti s1 0 w e r t h o u g hi t se f f i c i e n c yi ss l i g h t l yl o w e fd u ct ot h es c r i o u sn o ws e p a r a t i o ni ni t sb l a d e c h a n n e l i no r d c rt oo p t i m i z ct h ep e r f b r m a n c eo ft h ee q u a l t h i c k n e s sc i r c u l a fa r cp f o f i l c b l a d ef a na n d i m p f o v c i t s e f f i c i e n c y o n eo fe f ! f e c t i v e w a y i st ou s e a p p r o p r i a t e s h a p e de q u a l t h i c k n e s sb l a d et os u b s t i t u t et h em o n o - a r cb i a d et h a ti s w i d e l yu s e da tp r c s e n t o n ct y p eo ft h i sk i n do fb l a d ei sd u a l - a f cb i a d e ，w h i c hi s c o m p o s e db yt w oc i r c u l a 卜a r ct h a th a v ed i f f c r e n tc u r v a t u r ea n dc e n t n la n g l e b y s e t t i n g d i f f e r e n ti n l e tm o u n ta n g l e ， a r c c u r v a t u r e ， c e n t r a l a n g l ea n d t h e i r c o m b i n a t i o n s ，w ec a nc h a n g et h es h a p e0 ft h eb l a d et 0s i m u l a t et h ea e r o f o i l s h a p e d b l a d e ，s 0t h a tt h en o wc h a r a c t e r i s t i c si nt h cb l a d ec h a n n e lc o u l da p p r o x i m a t e l y c l o s et ot h a ti nt h ea e r o f o i l - s h a p e db l a d ec h a n n e l h 0 w e v e f ，v e f yf e ww o r k si sd o n e o nt h i sk i n d0 fb l a d e 1 nt h i sp a p e f t h ee f f c c t0 fd u a l a r cb l a d eo np e f f b r m a n c eo ff a nw a ss t u d i e d t h ee v a l u a t i o nc f i t e f i o nu s e dw a sw h e t h e rt h ef a nc o u l d0 u t p u tm o r cf 1 0 wr a t ea n d h i g h e rp r e s s u r e d u f i n gt h ef c s e a r c h ，s e v e r a lb l a d e sw e r ed e s i g n e db yc h a n g i n g i n l e tm o u n ta n g l e ，a r cc u r v a t u r e ，c e n t r a la n g l ea n dt h e i rc o m b i n a t i o n s a f t e rt h a t ， w h 0 1 en o wf i e l d s2 - ds i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e du s i n gf l u e n tp r o g r a m t h ec f f c c t 0 ft h eb l a d ep r o f i l ep a r a m e t e r s0 nt h ep e r f o 珊a n c e0 ft h ef a nw a ss t u d i e d ，a n d s e v e r a lb e t t e r p e r f o r m a n c eb l a d e sw e r es e l e c t e d 3 ds i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e d0 n t h ew h o l en o wf i e l do ft h ef a nu s i n gs e l e c t e db l a d ew h e r e a f t e l m 山东大学硕士学位论文 t h c2 ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a ts t a t i cp r c s s u r cd e c r e a s e s ，d y n a m i c p r e s s u r ea n dt o t a lp r e s s u r ei n c r e a s eg r a d u a l l yw “ht h ca d v a n c eo ft h en u i dn o w i n g t 0t h c0 u t l e ti nt h es p i f a l ，t h em i n i m u mv a l u eo fs t a t i cp r e s s u r ea n dt h em a x i m u m v a l u eo fd y n a m i cp f e s s u r ea n dt o t a lp r e s s u r ea r ep r e s e n t e da tt h ep l a c cn e a rt ot h c 0 u t l e t0 ft h es p i r a l a n a l y s i so nd i f f e r e n tb i a d e ss h o w e dt h a tt h ec e n t r a la n g l ca n d c u “a t u r eo ft h ea f ca r ei n t e f a c t i o n a l i f t h ec e n t r a la n g l eo f t h ef i f s ta r cw a ss m a l l ， s u c ha sl e s st h a n6 0d e g r e e ，t h ea d v a n t a g e so ft h ed u a l - a r cb l a d ec a nn o tb eg e tt h e b e s to u to f ，s o m e t i m e si se v e nw o r s et h a nt h em o n o - a r cb l a d e c u r v a t u r er a t i o ( t h c f a t i oo fc u r v a t u r eo ft h ef i r s ta r ct ot h es e c o n da f c ) s h o u l db cm o d e r a t e 1 ft h ea n g l c o ft h ef i f s ta r cw a ss m a l l ，i ts h o u i db ed e c r e a s e do rv i c ev e r s a g e n e r a ls p e a k i n g ， c e n t r a la n g l eo ft h ef i r s ta r cs h o u l db e7 5 。一9 0 。，c u n r a t u r er a t i os h o u l db e3 - 4 r e s e a r c ho nt h ei n l e tm o u n ta n g l ci n d i c a t e dt h a tt h en u i dd i r e c t i o na tt h ci n l e to f t h eb l a d ec h a n n e li sn o ta 1 0 n gt h et a n g e n td i r c c t i o no ft h ea r c ，s 0i th a si m p a c tt o t h ep r e s s i v es i d e0 ft h eb l a d e t h el a r g e rt h ci n l e ta n g l ei s ，t h em o r ei n t e n s i v ct h c i m p a c to nt h eb l a d ei sa n dt h cm o r ct h ce n e r g y1 0 s si s ；w h i l et h es m a u e r i n l e ta n g l c c o u l dm a k et h eb l a d eg u i d et h cs t r e a ma n dd e c r e a s ct h ei m p a c tt ot h ep r e s s i v cs i d e o ft h eb l a d e f r o mt h er e s e a r c h0 ft h ep a p e r ，t h ei n l e tm o u n ta n g l es h o u l db c6 0 。 0 rs o t h e3 - ds i m u l a t i o nr c s u i t si n d i c a t e dt h a tt h es t r e a mv e l o c i t yi sm a i n l ya x i a i d i r e c t i o nn e a rt h ef t o n tp l a t ei nt h ei n i e t a n dt h e ng r a d u a l l yt u r n st 0r a d i a l d i r e c t i o na tt h em i d d l ep a n0 ft h ei m p e l l e lt h co u t n o wf r o mt h em i d d l ei m p e l l c r c a u s e da ni n t e n s i v ev o l u t i o n ，a n dm 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o nf r o m 3 ds i m u l a t i o nw a ss a m et ot h a tf r o m2 ds i m u l a t i o n 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：m l t i - b l a d ef a n ；d u a l - a r cb l a d e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 山东大学硕士学位论文 符号表 叶轮进口圆半径，m m 叶轮出口圆半径，m m 圆弧型叶片的圆弧半径，m m 圆弧型叶片的圆心角，度 叶片的进口安装角，度 叶片的出口安装角，度 双圆弧叶片的圆弧曲率的比值 风机出口处的静压力，p a 风机出口处的流速，m s 墨恐口凡氏盯己 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：至i 垫 日髓盟竺望 关于学位论文使用授权的声明 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：龌翩签易妊幽司 山东大学硕七学位论文 1 1引言 1 绪论 通风机作为一种通用机械，主要应用在矿井及地下工程通风、锅炉送风和 引风、化工厂高温腐蚀气体的排送，空调和防护设备的通风等方面。多翼风机 是通风机的一种，与其它型式的离心风机相比，主要特点是所采用的叶轮结构 有很大差别，如直径比大、相对宽度大、叶片数量多。同时为了在尺寸较小的 情况下获得较高的压力，几乎所有的多翼叶轮都是采用前向叶片l 。多翼离心 风机的这种特殊结构使得它的工作特点也不同于其它型式的通风机。起初，多 翼离心风机的工作效率很低，这在一定程度上限制了它的使用范围，也因此引 不起人们很大的研究兴趣。但多翼离心风机也有任何其它型式的通风机都不能 与之相比的独特优势：非常紧凑的结构以及相当低的运转噪声。在很多特定的 使用场合，例如在空调和通风工程中，在选用和设计通风机时，人们所考虑的 主要因素往往是通风机的运转噪声以及它在系统中占用空间的大小，而不是效 率，这时候效率是处于一个相对次要的位置上。多翼离心风机毫无疑问地能够 满足这一特殊的运转要求。因此，随着社会科学技术的进步和国民经济的发展， 多翼离心风机在这些场合逐渐成为其它型式通风机的替代品，慢慢地为人们所 熟悉，并广泛应用于空调、通风换气、电子仪表设备等系统中。近几十年来， 如何提高多翼离心风机的工作效率，进一步降低其运转噪声也成为了一个新的 研究热点并吸引了国内外的许多学者。通过不断深入地进行理论分析和试验研 究，目前己经取得了长足的进展，并使得多翼离心风机的应用领域不断扩大。 因此，提高多翼离心风机的性能已成为一个日益迫切需要解决的问题。但要设 计出高性能的风机，首先必须深入地研究其内部的流场结构，明确能量损失产 生的机理，再在此基础上提出一些具体而有效的改进方案1 2 j 。 各种离心机械设计水平与性能的提高，很大程度上取决于对真实流动现象 的物理本质的了解。为了提高风机的设计质量，更快更好地设计出高效风机， 就必须了解风机内部的实际流动情况，了解气体的速度及压力分布，了解风机 各结构参数对风机性能的影响。基于这一目的，一般有两种方法：一是利用试 验设备对通风机内部流场进行测试，二是通过流场计算，对风机内部流场进行 数学建模，通过计算机模拟的方法计算风机内部流场。目前，试验研究的方法 山东大学硕士学位论文 是分析流动现象、研究流动机理、探讨并获得流动新概念的主要研究手段。借 助于现代测试技术的发展，人们对风机的内部流动机理已经有了较为深刻的认 识。但是，风机结构的特殊性及其内部流场的复杂性，试验研究方法受到了很 大的限制。而且，试验研究的成本相当高，不但需要制作复杂而且庞大的试验 装置，而且为了获得稳定而且可靠的结果，不得不进行大量试验，依靠各种先 进手段测试试验参数，为此需要花费大量的久人力、物力及财力。同时研制周 期长，甚至有些复杂的物理现象仅仅通过试验是根本无法获得的。 近年来随着计算机技术的飞速发展，计算流体动力学( c f d ：c o m p u t a t i o n a l f l u i dd v n a m i c s ) 的应用日见广泛，对c f d 方法的研究不断深入，其准确性、可 靠性以及计算效率都有了很大的提高。到目前为止，己经出现了很多高效率、 高精度的算法，并且一些专用于求解流动与传热问题的大型商用软件也相继问 世，例如f u j e n t 、s 1 a r c d 、c f x 等。运用c f d 方法对流体机械内部流场进 行数值计算分析，己逐渐成为一种重要的研究技术手段。而且由于图形系统的 出现和不断完善，数值模拟的仿真性不断提高，它已经成为流动研究的主要手 段并在一定程度上正在取代或部分取代实物试验，从而可以减少试验周期，节 省试验费用，相比之下也更加容易实现。采用准确而可靠的算法进行数值模拟， 不仅可以获得大量的内部流场信息，看到流场的各种细节，形象地再现流动情 景，为流体机械的设计和改进提供依据，而且还便于优化设计，通过随时改变 几何参数或气动参数，可以方便的多次进行虚拟试验，从而获得流体机械的较 好性能。 1 2 国内外研究现状 最初设计的西罗柯型多翼离心通风机的叶片是单圆弧形结构，直径比 矾畋一o 8 7 5 ，叶轮相对宽度6 d ：一o 6 ，叶片进口安装角屈- 6 4 。，叶片出口 安装角晟一1 5 8 。，叶片数z - 5 4 【。尽管起初由于这种风机的效率很低，在使 用以及研究方面都没有引起足够的重视，但是由于它的小尺寸以及低噪特性的 独特优势，最终还是获得了广泛的应用。尤其近几十年来，国内外不少学者对 其进行了深入的研究，相继取得了不少卓有成效的研究成果。综合来看，研究 主要集中表现在以下两个方面：一是对多翼风机设计和结构的优化；二是对多 翼风机内流场的研究。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 1 多翼风机的设计和结构优化 ( 1 ) 叶轮的设计和结构优化 叶轮的主要结构参数有进口安装角、出口安装角、叶片数和轮径比，这些 参数对叶轮中的流场有重大影响，目前对叶轮结构参数的研究多数以试验研究 为主。秦国良对叶片出口安装角和风机性能之间的关系进行了试验研究，指出 设计点压力系数随安装角的增加而增加，并提出了一种多翼风机变出口安装角 的设计方法【3 l 。赵复荣等通过试验，不仅研究了叶轮各个结构参数对风机性能 的影响，而且指出各个参数之间也存在相互作用【4 1 。林世扬、刘素勤采用了正 交试验设计、方差分析的方法进行了最优水平搭配，并运用逐步回归法建立了 效率、噪声与叶轮结构参数及风机性能参数之间的近似函数关系，采用惩罚函 数法对风机效率进行了优化【外。黄宸武、区颖达针对影响空调器性能的多翼离 心风机叶轮的几个主要特征参数进行了试验研究，运用两指标的综合评分法对 试验结果进行了直观分析，提出风量加权系数取6 0 噪声加权系数比取4 0 ， 各参数影响的主次关系为出口安装角、进口安装角、轮径比、叶片数，文中最 后给出了主要参数的建议取值范围【们。魏文平利用试验研究了叶轮结构参数对 全压的影响，并进一步给出了各参数对风机全压影响的主次顺序：出口安装角、 叶片数、轮径比和进口安装角【7 1 。 以叶型或叶道为研究对象的多翼风机设计方法，目前在国内外并不多见， 但是多翼风机的叶型对流体流动却存在很大影响。试验表明，改善叶片型线， 并且较好地调节流量和叶片进口气流角的关系，可以在很大程度上减小尾迹区 及流动分离f 8 】。左文泉通过试验研究，认为叶道流场的稳定性与叶道几何参数 密切相关，多翼风机的喘振现象以及间歇式振动现象是由叶道流场失去稳定性 所引起的。当叶道中叶片非工作面一侧发生大面积气流分离时，多翼风机会产 生失速现象。当叶道入口处靠近叶轮前盘一侧的叶片工作面或非工作面上发生 小面积气流分离时，多翼风机会产生间歇式振动现象。对于某一由叶道中叶片 非工作面一侧气流分离所引起的失去稳定性的叶道流场，随叶轮上叶片数的增 加或叶片出口安装角的增加，上述失稳现象将逐渐减轻以致完全消失。可以通 过加大叶道收缩系数、增加叶道长宽比和提高叶道流场稳定性特征值来维持叶 道流场的稳定。左文泉还对一种单圆弧叶型多翼风机与4 种双圆弧叶型多翼风机 进行了试验研究，发现传统的单圆弧叶型空气动力特性不如双圆弧叶型，并指 3 山东大学硕士学位论文 出：具有较大圆弧半径的双圆弧叶型多翼风机具有良好的空气动力特性与低噪 声特性【9 】1 1 0 】。罗嘉陶和王嘉冰利用c f d 软件对c w 1 和c 4 型多翼风机进行了整 机模拟，认为用c w 1 翼型更有助于在叶轮的气流主要流出区获得更高的气流速 度，其翼型表面也更加符合气流的流线型设计，在前盘区域循环的流量较少， 因此可以获得更大的风量和全压【1 1 】。l i ns h e a mc h y u n 对便携式电脑用的冷却风 扇在叶片形状、叶片进口安装角、蜗壳出口上作了改进，并进行了性能测试， 而且借助于商用c f d 软件s t a r c d 成功地模拟了其内流场，揭示了内部流场的 基本特性，也证实了由于选择了更加适合风机低速特征的n a c a 4 4 1 2 翼型，消 除了叶片吸力面上的气流分离区，叶轮进出口流动更加均匀，提高了叶轮进行 能量传递的效率。文中还指出：叶片进口安装角为6 5 0 时在设计转速5 0 0 0 r p m 附 近可以获得良好的风机性能1 1 2 l 。 ( 2 ) 蜗壳的设计和优化 蜗壳宽度、扩散角和中心角的影响是复杂的。宽度过小，气流流速过大， 摩擦损失增加，过大，则扩压损失增加；扩散角小时，边界层分离现象严重， 而且气流与管壁相碰撞引起撞击损失，过大又会引起涡流损失并产生涡流噪声； 中心角小时，蜗舌与气流撞击，周围流动恶化，过大时部分气体未经扩压直接 排出，能量损失增大。针对这样的情况，刘素勤、林世扬提出了应以能量损失 最小为蜗壳宽度的确定原则，文中通过试验定量地给出了蜗壳宽度、扩散角及 中心角的计算公式【1 3 j 【1 舢。 在传统的蜗壳设计过程中，都是假设蜗壳进口流动均匀一致，按照一维理 论进行的，但是由于蜗壳结构的不对称，尤其是蜗舌的存在，造成按照理论预 测的气流流动与实际气流流动分布并不相符。基于这种情况，q i 提出了一种新 的二维逆向设计方法，按照叶轮出口气流角的分布来修正蜗壳各截面的大小， 因此可以适应蜗壳进口流动参数分布上的不一致，从而促进了叶轮出口速度的 均匀化，可以很好地提高风机性能，并且由于新设计的蜗壳内部的横截面积增 大了，气流速度因此也减小，噪声随之降低【1 5 】。 噪声和蜗舌半径以及蜗舌与叶轮间的间距有关。林世扬、刘素勤建议蜗舌 距离在o 0 7 7 0 0 9 4 问取值i ”】。蜗壳扩张角与气流角一致时，噪声低效率高。若 采用倾斜蜗舌，由于改变了从前盘到后盘之间的蜗舌间隙和蜗舌半径以及叶轮 和蜗舌非定常相互作用的相位差，使其产生的噪声也存在相位差，从而降低多 翼离心风机的旋转噪声，也会使总体噪声下降。对柜式空调器来说，为了节省 4 山东大学硕士学位论文 空间，一般采用内藏电动机的形式。黄建德等发现，内藏电动机长度、外径、 头部倾角设计不当会引起叶轮内部流动损失增大、噪声增大、风机性能降低； 内藏电动机长度越长，对气流的排挤率越大，叶轮进口处的流道变窄，流入气 流的轴向速度增大，从而前盘处脱流区域变大，叶轮内部损失增加：风机最高 效率随内藏电动机排挤率增大而减小；内藏电动机头部倾角小时，对气流进入 叶轮起“导流”作用，头部倾角大时，电动机头部下游产生脱流，损失增大【1 6 】。 ( 3 ) 整机的优化 在选择多翼离心风机结构参数时，由于给定的条件不同，往往不能局限于 某些文献所推荐的最佳值，而应该根据具体的情况，考虑各参数间的相互影响， 进行参数之间的合理匹配以达到最优的风机性能。许多学者都对叶轮重要参数 综合考虑，进行优化设计，并取得了满意的结果。h 维平通过对1 1 台立柜式空 调机组用风机的宽径比、叶片数、蜗壳螺线扩张角、蜗壳内贴泡沫塑料、蜗壳 出口型式、机械噪声的影响以及双进气风机的噪声测量进行综合对比分析，提 出选择多翼离心风机的结构参数时应该注意相互之间参数的匹配作用，而且应 该实现系列化，文中还提出应由正交试验法来设计的新设计思想【1 7 l 。吴熹、朱 毅征对叶轮流道和匹配蜗壳做了综合理论分析，得出了只要合理设计叶轮及其 匹配蜗壳，同样可以获得较大的压力系数及高效率的结论l l 叶。赵复荣、郭志新 等对不同叶轮宽度、内外径比、叶片数以及蜗壳外壁型线用进气试验法作了外 特性对比试验，指出叶片数的选取与叶轮的内外径有关，推荐节距与叶片弦长 之比为0 7 1 o 7 9 之间；叶轮宽度的确定主要考虑与蜗壳参数的匹配关系：采用 变螺旋角蜗壁可以缓解宽度不当引起的不良影响以及蜗舌处气流角和蜗壁螺旋 角不一致的矛盾1 1 9 j 。 此外，多翼离心风机在使用过程中，常常与各种不同的组合部件一起工作， 如：通风管道、换热器等。因此，在设计过程中，必须考虑整个系统各个部件 之间的协调性。夏付东等就指出在多翼离心风机的设计过程中不仅要考虑风机 本身的结构与性质，同时还必须考虑风机与系统问的匹配，否则将会造成相当 大的损失1 2 。 1 2 2 多翼离心通风机内流场的研究 ( 1 ) 流场的试验研究 由于多翼离心通风机的内部流场非常复杂，目前还没有建立一套通用的、 山东大学硕士学位论文 完善的设计方法。因此，通过试验研究和数值模拟手段来掌握多翼离心通风机 内部流场的基本规律，将有助于对现行的设计方法进行改进。 d e n g e f 对多翼离心通风机的内流场采用粒子跟踪测量技术( p t v ： p a r t i c l e r a c i n g v e l o c i m e t r y ) 进行测试，发现在多翼风机内部存在复杂的三维流 动，气流分布沿轴向和周向方向都有明显变化。通过测试结果可以观察到叶片 吸力面上的气流分离、前盘区域的涡流以及蜗舌部位的强烈紊流现象。这些现 象在流量减小时、风机结构设计不合理时以及叶轮和蜗壳不匹配时尤其明显。 这些区域的存在和风机的低效率是紧密联系在一起的，而且构成了风机噪声的 主要来源【2 ”。除了证实多翼风机内部上述基本流动特征之外，k i n d 等人的研究 结果还指出如果叶轮的出口与进口面积比过大，将导致气流更加容易产生分离 以及分布上的不均匀1 2 2 1 。r a j 和s a n d r av e l a r d es u a r e z 的研究则揭示出叶轮出口 气流“射流尾迹流动模式的存在【2 3 1 【2 4 1 。s u s u m u 和y a m 配a “通过测量多翼风机 叶轮进出口、蜗壳内部的速度和压力分布，认为在周向方向上，越靠近蜗壳出 口，气流速度越大；叶轮出口速度的波动很大，达3 0 左右；叶轮出口气流在 轴向和圆周方向分布并不均匀，尤其是径向流速成分；主气流朝向后盘位置倾 斜：叶轮进出口有效的通流宽度分别约为叶片宽度的3 4 ( 进口) 和2 3 ( 出口) 左右，前盘附近的气流流速很小；但叶轮出口相对宽度小于0 3 5 的时候，叶轮 出口有效的通流宽度急剧减小：而叶轮的内外径比和流量对于叶轮出口有效通 流宽度的影响较小。文中还根据多翼风机的特点，分别提出了叶轮内和蜗壳内 部的损失计算模型，包括分离损失、冲击损失、表面摩擦损失、叶道弯曲损失、 混合损失等等；在叶轮中，分离损失和冲击损失占主要地位，但流量增加的情 况下曲率损失和混合损失会有所增戈：在蜗壳中以周向冲击损失和表面摩擦损 失为主f 2 5 l 【2 6 】【2 钉。s u s u m u 和y a m a z a k i 的研究还发现：若将叶轮按照旋转方向扭 转一适当的角度，或者沿轴向方向适当地倾斜叶轮，可以对气流的分布有所改 善，促进气流沿轴向的均一化分布；并有助于提高效率、降低噪声；若轴向适 当地倾斜蜗壳，则在大流量下可以提高效率【2 8 】【2 引。 s h i g e mk a d o t a 采用火花追踪法对汽车空调用多翼风机的内流场进行了研 究，考察了叶道中和蜗壳内的流场分布，并使用半导体型压力传感器测量了叶 片表面的压力分布状况。结果表明：前盘区域出现涡流，叶片的吸力面的前缘 附近气流产生明显的分离，蜗舌处气流比较紊乱，叶片表面压力在前盘附近变 化比较大，而且经过蜗舌时压力也有较大的变化，气流分布沿周向位置的改变 6 山东大学硕士学位论文 有所不同，并且和流量的大小有关【3 0 】【3 1 1 。 周建华采用丝线法对前向多翼风机内流场进行可视化观测时发现，蜗舌处 气流分岔现象明显，紊流度较大；叶片进口和出口的吸力面上都存在气流脱流 现象：叶片出口的吸力面上的脱流以及蜗舌处的气流分离将引起噪声增大【3 2 l 。 黄建德和张泉等利用五孔探针对前向多翼风机蜗壳的内部三维流场进行测试， 得出结论：叶轮侧盖附近脱流区域的存在，造成全压大的主流偏向于叶轮中盘， 蜗壳入口气流沿轴向分布不均匀，减小了叶轮出口的有效面积；圆周部位，蜗 舌附近静压高速度小，其相反方向则静压低速度大；蜗壳两侧蜗板附近存在二 次流旋涡，其范围随周向角度增大而扩大，在风机出口处基本消失；蜗壳内周 向速度沿径向基本按等环量规律分布1 3 3 l 。 ( 2 ) 流场的数值模拟 随着计算机软硬件技术的发展和c f d ( c o m p u t a t i a lf l u i dd y n a m i c s ：计 算流体动力学) 方法的不断完善，流场的数值模拟己成为流体机械性能研究的 重要手段之一1 3 4 1 。目前工程上对风机的数值模拟主要分为二维模拟和三位模 拟。二维模拟可以有效地减少计算量和计算时间，便于对流场的情况做出定性 分析王灿星和林建忠等采用二维不可压理想流动和湍流边界层的流动模型计 算了多翼风机的内部流场，采用积分方法计算子午面和回转面的位流速度，叶 片边界层用有限元方法求解，在求解中引进了薄剪切层近似，并采用代数涡粘 性模型，简化了边界层控制方程，获得了比较理想的计算精度1 3 5 1 。周建华和王 硕渊通过对前向多翼叶轮分别考虑粘性和不考虑粘性两种情况进行数值计算， 指出前向多翼叶轮由于进口存在强烈的回流，因此有粘计算更接近实际情况 【3 6 1 。万亚平则采用二维粘性数值模拟的方法对某柜式空调多翼风机进行了数值 分析，获得了风机内静压的分布，与试验结果符合的比较好【3 8 】。伍晓芳采用二 维粘性数值模拟方法对三个不同参数的空调用多翼离心风机叶轮进行了数值计 算，分析了空调用多翼离心叶轮的内部流场，比较了三个叶轮的风量静压【3 9 l 。 沈建、孙庆宽和杨亚东应用s t a r c d 对柜式空调器室内离心风机系统在额定工 况下的蜗壳内部流动进行了非稳态仿真计算，指出现有产品的蜗壳设计与离心 风扇不匹配，蜗壳宽度偏小，扩压作用没有得到充分发挥，文中提出相应的改 进方法：调整叶片的进出口安装角或重新设计蜗壳的型线【4 们。鼬n d 将多翼离心 风机分成进口、叶轮、蜗壳三个区域，按照各个区域的特点分别建立流动模型， 对风机在设计点流量以及高于设计点流量的条件下进行性能预测，文中建议从 7 山东大学硕士学位论文 减小叶道损失和改善间隙处的流动上来提高风机效率。同时指出，在小流量条 件下，由于叶道中存在回流，因此需要考虑更多的因素【4 。 但是离心通风机内的流动非常复杂且部件之间的相互关联非常紧密不具有 任何轴对称性，属于三维的全粘性流动，而下游的部件会对上游的流动产生很 大的影响。在某些假定下对通风机内某个部件或某个流道所做的数值模拟很难 反映流动的本质，不可能为通风机的设计和改进提供准确的信息。因此有必要 对风机内部流场进行三维数值模拟。周建华对前弯多翼叶轮内流场进行了数值 模拟并计算了叶轮的滑移系数及水力效率，其研究表明滑移系数随流量减小而 增大，而水力效率随流量减小而降低，这些都与流道内的回流强度有关【42 1 。王 嘉冰等对柜式空调器用多翼离心通风机的三维流场进行了数值模拟，发现多翼 风机内部流场具有明显的不对称性，尤其是蜗壳内侧以及舌部附近的气流紊流 程度较强，同时还揭示了叶轮流道中的二次流现象，叶片吸力面上翼型前缘附 近存在的气流分离现象，蜗壳内侧前盘区域的气流泄漏现象，蜗壳出口侧进气 口背部的脱流区域，以及叶轮出口的“射流尾迹”模式。并指出各种涡流区域的 存在是多翼离心通风机效率低下的主要原因，也是其主要的噪声源，因此减小 这些涡流区域的范围，是提高多翼离心通风机效率和降低其噪声的主要途径和 研究重点【4 3 1 。游斌等应用三维雷诺平均守恒形n a v i c r s t o k c s 方程和k 一两方程 湍流模型对多翼离心风机的内流场进行了三维数值分析。结果表明，在多翼离 心风机内部存在着明显的三维流动。在蜗舌上游，叶片吸力面区域存在着明显 的进口回流：在远离轴线方向，靠近轮毅侧面端壁也存在着明显的出口回流。对 多翼离心风机某个叶片或某个截面的数值计算很难真实地反映风机内部的真实 流动特性【4 4 1 。潘地林应用三维粘性计算流体动力学软件s 1 a r c d 对一离心式通 风机蜗壳在不同工况条件下的内部流动情况进行了三维不可压缩横向流动的数 值计算分析，并对通风机蜗壳壁面压力分布情况进行了预测。文中给出了数值 分析结果与实测结果的比较，还对在蜗壳内部加装整流圆筒的情况进行了分析 研究【4 5 1 。 1 3 本文的主要工作 目前对多翼式通风机的研究，主要集中在蜗壳和叶轮的参数优化上，而对 于叶片形状的研究却比较少见。工程上常用的单圆弧叶片，一旦形状确定，叶 轮的进口安装角和出口安装角是相互关联的，无法随意改变，因此其对应的叶 8 山东大学硕士学位论文 轮参数的优化就十分有限。从工程实践上看，单圆弧叶片的性能较差，效率也 较低。机翼形叶片的性能较好，但是这种叶片的制造工艺相对复杂，比单圆弧 叶片笨重、转动惯量大、不易加工，所以虽然效率稍高，但并不常用。除了单 圆弧叶片和机翼形叶片外，工程上将两种不同半径、不同圆心角的圆弧加以组 合成“双圆弧叶片”，这种叶片既轻巧性能也比较好。但是目前对于双圆弧叶片 的研究很少，个别的也是通过试验进行研究，但只能对少数几种叶片进行对比， 且缺乏必要的理论指导。如果要得到有指导意义的规律，就需要对多种叶片进 行对比分析，然而试验研究就十分麻烦而且耗费巨大，而利用c f d 工具进行数 值模拟就十分高效、快捷、经济、方便。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 根据现有的某型多翼通风机，按照一定的规律设计多种叶片： ( 2 ) 利用c f d 软件，对不同叶片组合的风机进行二维数值模拟，从中优选出性 能较好的叶片，找出叶型参数对性能的影响规律； ( 3 ) 从二维计算的结果中，选取部分有代表性的叶片，进行三维数值模拟，分 析数值计算结果，并与二维计算结果进行对比。 9 山东大学硕士学位论文 2 数值计算的方法及叶型设计 过去设计通风机的主要方法是理论计算和试验相结合。而多翼风机的设计 理论至今仍使用上世纪埃克所创立的传统设计理论，风机各部件尺寸的确定具 有多个不确定因素。因而要想从众多的设计方案中得到一个最好的方案就需要 做大量的对比试验进行筛选；而采用了c f d 技术后则可以将筛选过程用数值模 拟来完成，从而减少试验次数，缩短产品开发周期，降低研发成本。对多翼