可逆式軸流風(fēng)機(jī)的三維設(shè)計(jì)

1、可逆式軸流風(fēng)機(jī)的三維設(shè)計(jì)3-D Design of Reversible Axial Fan 黃典貴 李孝偉/上海大學(xué) 力學(xué)研究所摘要： 應(yīng)用三維雷諾平均Navier-Stokes方程模擬可逆式軸流風(fēng)機(jī)的粘性流動，仔細(xì)分析渦流產(chǎn)生的機(jī)制，并結(jié)合風(fēng)機(jī)正反向旋轉(zhuǎn)速度、風(fēng)壓、風(fēng)量和效率等要求，對地鐵用可逆式軸流風(fēng)機(jī)的葉型和裝配角進(jìn)行了優(yōu)選設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機(jī) 可逆式 三維設(shè)計(jì)中圖分類號：TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B文章編號: 1006-8155(2005)03-0008-03Abstract ：A code based on 3-D Reynolds-Averaged N

2、avier-Stokes equations is used to design a reversible axial fluid fan for metro. Carefully analyzing the viscous fluid structure in the passage among hundreds of tests, a best shape of blade for the target fan is obtained. The rotative velocity, flux, exit pressure and efficiency are anticipative.Ke

3、ywords ：Axial Fan Reversible 3-D Design1 引言通常，在發(fā)生火災(zāi)等緊急情況下，要求風(fēng)機(jī)具有反向通風(fēng)能力,這種風(fēng)機(jī)稱為可逆風(fēng)機(jī)，其翼型稱為可逆翼型。對可逆風(fēng)機(jī)的具體要求就是風(fēng)機(jī)在正向和逆向送風(fēng)時，都能具有良好的氣動性能。文獻(xiàn)1，2對可逆翼型進(jìn)行了一些研究，S型葉片是可逆風(fēng)機(jī)中比較常用的一種葉片，但是，研究表明，這種正反向性能相同的雙對稱翼型在升力系數(shù)與失速攻角方面并不令人滿意1。有時并不要求正反向具有完全相同的性能要求，對地鐵而言，為了保持地鐵內(nèi)良好的環(huán)境，正常情況下通風(fēng)機(jī)都是常年在設(shè)計(jì)工況下工作的，從節(jié)能角度講，當(dāng)然希望風(fēng)機(jī)具有較高的工作效率。但是，一旦地

4、鐵內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，要求風(fēng)機(jī)必須得具有迅速反向排風(fēng)的功能，由于這種狀況極為罕見，因此，并不要求此時風(fēng)機(jī)具有高效率，但要求排風(fēng)量大。針對這一工程背景，受某風(fēng)機(jī)制造廠的委托，對這類風(fēng)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。確認(rèn)了風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的流場結(jié)構(gòu)是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為此，根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)的三維雷諾平均Navier-Stokes方程來模擬其流道內(nèi)的粘性流動。然后又仔細(xì)分析了流動中漩渦的產(chǎn)生機(jī)制，并結(jié)合風(fēng)機(jī)正反向旋轉(zhuǎn)速度、風(fēng)量、風(fēng)壓和效率等要求，對地鐵用可逆式軸流風(fēng)機(jī)的葉型和裝配角進(jìn)行了設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。2 流動控制方程在固連于風(fēng)機(jī)的非慣性旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下觀察流體的絕對運(yùn)動，流場是定常的。因此，將控制方程在非慣性的相對坐標(biāo)系下表達(dá)

5、對于計(jì)算來說是非常方便的。參照文獻(xiàn)3，相對坐標(biāo)系下的控制方程可以寫為_收稿日期:2005-12-27 上海市 200072式中 在上述公式中，分別為流體的密度、速度在絕對坐標(biāo)系下的分量、總能、總焓、壓強(qiáng)、粘性系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)和溫度；和分別為絕對坐標(biāo)系和相對坐標(biāo)系下坐標(biāo)軸方向的單位矢量；為相對坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度矢量；下標(biāo)r 表示絕對量在相對坐標(biāo)系的分量?？刂品匠痰目臻g離散采用的是中心有限體積格式，時間方向采用的是五步龍格-庫塔法求解。3 設(shè)計(jì)結(jié)果與討論由于三維風(fēng)機(jī)粘性流場的計(jì)算非常耗時，所以無論是采用伴隨方程法或是采用遺傳算法等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算工作量都是難以承受的。經(jīng)驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)工況下,

6、葉片流道中的漩渦越小，風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量將越大，并且由粘性引起的能量消耗將越小。因此，本研究從工程應(yīng)用和工程實(shí)際需求出發(fā)，采用了流場結(jié)構(gòu)分析和葉片外形調(diào)整相結(jié)合的辦法來進(jìn)行可逆式軸流風(fēng)機(jī)的葉型和裝配角的優(yōu)選設(shè)計(jì)，以分別達(dá)到正、反向旋轉(zhuǎn)速度下要求的風(fēng)量和效率及全壓。從數(shù)百個算例中優(yōu)選出最后的設(shè)計(jì)方案, 應(yīng)該指出, 在同等條件下, 得到的優(yōu)選結(jié)果不一定是最優(yōu)的,可能還有一定的潛力可以挖掘。受某公司委托,希望設(shè)計(jì)出一個地鐵用可逆軸流風(fēng)機(jī), 由于該風(fēng)機(jī)將長期正向運(yùn)行, 只有在地鐵發(fā)生火災(zāi)等意外情況時, 才需要反向排風(fēng)。因此,希望正向運(yùn)行時具有較高的效率, 反向運(yùn)行時流量比較大，效率要求不高，基本條件與要求如

7、下:（1）反向運(yùn)行要求葉輪直徑：2000mm風(fēng)量：60m3/s全壓：1000Pa輪轂直徑：950mm葉輪轉(zhuǎn)速：985r/min風(fēng)機(jī)全壓效率： 60%葉片個數(shù)：14葉根厚度： 35mm（2）正向運(yùn)行要求直徑：2000mm風(fēng)量：50m3/s全壓：700Pa輪轂直徑：950mm葉輪轉(zhuǎn)速： 750r/min風(fēng)機(jī)全壓效率： 0%以全三維雷諾平均Navier-Stokes方程的計(jì)算程序?yàn)榛A(chǔ)，通過數(shù)百個算例，分析流場結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)，不斷修改葉片幾何形狀與安裝角度，得到了一個最好的葉片形狀造型，其三維造型如圖1所示。該葉型的反向風(fēng)量為61.4m3/s，全壓效率為63.5%，全壓為1100Pa；正向風(fēng)量為56.6

8、m3/s，全壓效率為84.5%,全壓為1000Pa，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于篇幅所限，設(shè)計(jì)過程中的各種算例我們就不再描述了，下面只給出最后的結(jié)果。圖1可逆風(fēng)機(jī)流道三維造型圖1是設(shè)計(jì)得到的可逆風(fēng)機(jī)流道三維造型, 圖2分別為正向轉(zhuǎn)動時根部、中部與頂部的流線圖。從流線圖中可以看出，風(fēng)機(jī)正向運(yùn)行時，流道內(nèi)流動合理，基本不存在漩渦, 因此，流動效率比較高。圖3分別為反向轉(zhuǎn)動時根部、中部與頂部的流線圖?？梢钥闯? 葉片根部和頂部由粘性產(chǎn)生的漩渦較為明顯，所以風(fēng)機(jī)效率會相對較低，但葉片中部基本沒有漩渦，也就是說，在主流區(qū)，流道實(shí)際通流面積還是能保證的，因此，流量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但由于根部與頂部漩渦的存在，使得反轉(zhuǎn)時流動效率偏低，這也是我們預(yù)料之中的。(a) 根部 （b）中部 （c）頂部 圖2 風(fēng)機(jī)正向運(yùn)行時葉片根部、中部、頂部的流線圖(a) 根部 （b）中部 （c）頂部 圖3 風(fēng)機(jī)反向運(yùn)行時葉片根部、中部、頂部的流線圖總體上，設(shè)計(jì)的可逆式軸流風(fēng)機(jī)達(dá)到了委托方的要求，尤其是正向運(yùn)行的各項(xiàng)指標(biāo)都是令人滿意的。但從流場圖可以看出，在反向運(yùn)轉(zhuǎn)時，粘性消耗比較明顯，所以再進(jìn)一步提高反轉(zhuǎn)效率的空間還比較大。采用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，如利用正反組合葉片，在不降低正向運(yùn)行效率的前提下，肯定會大大提高反向運(yùn)行時的效率。目前, 該風(fēng)機(jī)已經(jīng)通過委托方的性能試驗(yàn),各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了要求,說明本設(shè)計(jì)研究達(dá)到了預(yù)