基于NACA3505翼型叶片的CFD研究

曹惠玲，罗立霄，喻腊生，李凡停

（1.中国民航大学航空工程学院，天津 300300；2.哈尔滨工业大学能源学院，哈尔滨 150001）

随着计算机技术的进步和计算方法的不断改进，计算流体动力学（computational fluid dynamics，简称CFD）在很多领域得到广泛的应用。此外，由于风机内部流场的实验测量还存在很大的困难，使得数值模拟成为研究叶轮内部流场的一种重要手段。特别是近几年来，在借鉴航空机械研究成果的基础上，风机内部流场数值模拟取得了巨大进步。从无粘性的理想流体发展到粘性的实际流动，从二维、准三维流动发展到全三维流动。通过分析流场及风机结构，对影响风机性能的主要设计参数进行优化设计，同时还应用于对轴流风机噪声的预测。

李巍、王国强[1]采用人工可压缩性方法对具有叶顶间隙的轴流叶栅内湍流流动进行了数值模拟。结果表明，叶顶间隙的减小使间隙涡产生过程延缓，强度的衰减速度增大，作用范围减小；间隙的存在导致主流速度明显降低，叶尖附近的二次流速度明显增大。

Elhadi和吴克启[2]对轴流风机内的三维流动现象作了数值模拟，计算基于求解雷诺时均的Navier-Stokes方程，分析了不同工况和不同区域内的流动状况，高负荷工况下在静叶吸力面出现了大尺度的涡流和回流现象，这主要是流量减小时径向离心作用造成的。为了改善这种流动状况，重新设计了静叶，其安装角较以前改变了10°，数值分析结构表明新风机在静叶区域流动明显改善，性能有所提高。

王军[3]等针对分体空调器室外机轴流风扇系统特点，采用CFD方法对该系统中的气体流动进行数值模拟，内流分析与性能实验结果比较表明，CFD技术能够有效地改进空调器风扇系统设计，为不同叶型风扇的应用提供了依据。Longhouse[4]对低速轴流风扇做了噪声与性能实验，指出外罩与叶顶间隙对风机噪声有很大影响。同时与叶片顶部固定在一起的旋转外罩比固定外罩在其他条件不变时噪音要低。王东宝[5]等利用风机三维流场计算和分析方法，对两台轴流风机的预测风机A声压级和线性声压级与实测误差分别小于2 dB和3～4 dB。还预测两台轴流风机噪声的1/3倍频谱的趋势和实测符合良好，绝大部分频谱的误差小于3 dB，最大误差小于5 dB。

上述表明CFD在中小型风机的设计中已取得一定的实际成果。本文研究CFD在大型风机叶片的设计应用。以国内某型号发电机空冷风机为例，在满足原有设计条件要求下，通过NACA翼型设计出新的扭曲叶片。利用CFD技术对原有叶片和新设计叶片的流场进行比较计算。

1 计算方法

1.1 建立叶片物理模型

设计新的风机叶片时，风机叶片的翼型气动性能是风机气动设计和性能分析的重要基础。风机在低雷诺数下的性能非常敏感，来流湍流的变化、翼型自身振动或表面粗糙度都可引起风力机性能的很大改变。

经过选型，在低速状况下，选NACA3505型翼型。为满足风机叶片强度设计的要求，对原有翼型的后缘数据进行小部分修改，使满足叶片强度要求。

在给定叶片设计参数条件下，经过多次计算后确定安放角、叶片根部与顶端扭曲度，使整个风机计算效率最高。

1.2 计算区域定义

流场计算目的是更精确地反映实际流动。为计算方便，把空气流过的区域划分成三个互不重叠的子区域，然后确定每个子区域中的节点位置及该节点代表的控制体积。先用实体把计算域表示出来，以便划分网格。把整个流场划分为三部分：进气部分、旋转部分、出口部分，如图1、图2所示。

1.3 控制方程

轴流式冷却风扇叶轮内部为三维粘性湍流，这是一种高度复杂的物理现象，对于这样复杂的场，目前还未充分了解。但是在工程实践中，通常采用湍流模型来预测湍流流场。本文采Reynolds平均动量方程来描述风机不可压气体的流动，其张量形式为

式中：ui（i=1，2，3）为流体流速；p表示流体压强；μ为动力粘度′（i，j=1，2，3）为雷诺应力项；Si为广义源项。

采用RNG k-ε模型和连续性方程使动量方程封闭，压力项采用二阶中心差分格式，其他项采用二阶迎风差分格式。采用速度入口及压力出口边界条件，在近壁区采用速度分布对数律固壁函数。

1.4 边界条件设定

风机的边界条件要求物理上合理，数学上适用，计算方法可行的原则进行设置。为了模拟进口和叶轮、叶轮和蜗壳之间的相对运动，分别在相邻区域间建立交界面。在叶轮机械流场计算中，所要处理的边界条件有：进、出口边界条件，固壁边界条件等。本文采用速度进口、压力出口、多参考系模型来进行定常计算，最终求取面积平均压力，叶片对转轴的扭矩等。

2 计算结果分析

2.1 流场分析

轴流式冷却风扇内部流动较复杂，不同位置流动性质不同，下面主要分析变化剧烈的流场部分：叶片和流道，并且对原型叶片与设计叶片进行对比分析。

1）叶片背面静压分布

经计算得出叶片背面的静压分布：

由图3和图4可以看出原型叶片上端背面出现严重涡流，而新设计的叶片前缘背面低压区较小，压力分布较为均匀，压力梯度减弱，只有叶片根部出现一个小涡流，脱流区减少，气流涡流损失减弱。不仅提高风机的效率，而且减小扭矩。

2）叶道流场分布

经计算得出流道静压分布：

从图5和图6可以看出，原型叶片正面出现大的高压区，容易产生堵塞。新设计的叶片前缘只有正面出现一个小涡流，而且气流能有效附着在翼型表面，附面层背面的脱流层也减弱，使得叶片背面受力均匀。气体来流对叶片前缘的冲击减弱，气流流过叶片背面顺畅。经过叶片后，气流均匀，设计合理。冲击损失减少，效率提高。

2.2 效率计算

经过流场计算，可以直接提取相关参数。在Fluent中，流场内某一点的总压P0由下式定义

其中：Ps为静压。使用Fluent提供的表面积分功能，可得到叶片进口总压P0in和出口总压P0out。

利用Fluent在后处理环节提供的报告扭矩的功能，可得到叶片对转轴的扭矩M。这样可以获得某工况特定流量Q下的全压效率

其中：ω为风机的转速。

1）原型叶片

叶片进口总压：P0in=-7150.14 Pa，出口总压：P0out=4426.84 Pa，叶片对转轴的扭矩：M=1885.84 N·m，全压效率：ηt=68.4%。

2）新设计叶片：

叶片进口总压：P0in=-6786.77 Pa，出口总压：P0out=2263.32 Pa，叶片对转轴的扭矩：M=1415.72 N·m，全压效率：ηt=71.2%。

经计算表明在满足设计要求情况下，全压效率提高了2.8%，而扭矩减小470.12 N·m，流场分布得到了改善，叶片寿命增加，风机的耗功率可得到明显降低。

2.3 效率分析

在轴流风机中，轮毂比一定的情况下，效率损失主要来源于叶片环中的损失。气流经过叶片环的压力损失非常复杂。为了能用简化的计算方法计算气流经过叶片环中总的压力损失，通常把损失分成五部分：翼型阻力损失、冲击损失、涡流损失、径向间隙损失及排挤系数。

1）翼型阻力损失

轴流通风机叶片环中的翼型阻力损失，通常认为与几何参数相同的平面直列叶栅中的翼型损失相同。实际上，叶轮中的翼型损失数值与平面叶栅是不同的，这是由于叶片附面层中的气流流动具有空间的特征。而NACA3505翼型前缘端较薄，相对厚度也较小，翼型阻力损失较少。

2）冲击损失

从叶道流场可以看出气体来流对叶片前缘的冲击减弱，沿叶片表面摩擦损失变小，气流流过叶片背面顺畅。经过叶片后，气流均匀、冲击损失减少、效率提高。

3）涡流损失

当气流流过叶道时，气流与叶片间存在相对运动，存在相互作用，而且叶片正面的压力要大于叶片背面的压力。在沿着叶片高度的中间部分，相邻叶片之间的横向压力梯度为气流的离心力所平衡，所以气流不会产生横向方向的流动。从图6可以看出涡流附面层较薄，涡流脱离强度较小，涡流损失也小。

4）径向间隙损失

由于叶轮在机壳里回转，叶片顶端与机壳间必须留有径向间隙，在气流由叶片正面流向背面的过程中，会产生尖端漩涡，造成气流损失。本文选取的计算域不考虑径向间隙损失，故亦无径向间隙损失。

5）排挤系数

排挤系数，是考虑叶片厚度对流道排挤程度的系数，其值等于实际的有效过流面积与无叶片时过流面积之比。叶片厚度排挤作用使得进口速度增加产生压力损失，NACA3505翼型的最大相对厚度只有5%，排挤系数较小，流量增加。

经过流场计算、计算分析表明，叶片背面的压力分布较为合理，涡流附面层较薄，涡流脱离强度较小，叶片前缘端没出现大的涡流，后缘也没出现脱流，在满足设计要求情况下，扭矩变小，叶片寿命加长，同时降低了风机的功率消耗，全压效率也提高到71.2%。

3 结语

从叶片选型看，对于风机叶片，如果要获得更大的静压差，最大相对弯度应该变小，给予叶片背面更长的流道，使叶道起到扩压作用；最大相对弯度变小，也有利于推迟附面层分离，效率提高。中弧线最高点离前缘的位置应该适宜，往前容易使叶片后缘脱流，产生更大的尾涡，往后叶片切向空气的作用长度变小，效率也会降低。叶片的最大相对厚度直接关系到叶片的排挤系数，相对厚度减小，叶片排挤系数变小，效率提高，同时要保证叶片的强度。

风机设计还要考虑叶片对扭轴转矩的影响，从叶道截面的静压分布图中可以看出，叶片前缘两侧分别有一高压和低压漩涡，对叶片产生一个极大的反转向力，形成扭矩；在各项设计参数要求都满足的前提下，扭矩应该尽量减小，由此降低了风机的功率消耗，这对提高大型气冷发电的效益十分可观。

[1]李 巍，王国强.具有叶顶间隙轴流叶栅流动数值模拟[J].上海交通大学学报，2000，34（12）：1708-1712.

[2]ELHADI E，WU KEQI.Simulation of vortex flows in axial flow fan using computable fluid dynamics[J].Pakistan Journal of Information and Technology，2002，3（1）：24-24.

[3]王 军，金培耕.空调用轴流风扇系统内流特性分析与应用[J].工程热物理学报，2002，23（3）：305-308.

[4]LONGHOUSE R E.Control of tip-vortex noise of axial flow fans by rotating shrouds[J].Journal of Sound and Vibration，1978，58（2）：201-214.

[5]王东宝，李 嵩，朱之墀.低压轴流风机噪声频谱预估与实测[J].流体机械，2004，32（1）：7-9.