不同叶片厚度对轴流风机流动特性影响的数值模拟

李 俊 徐洪海 余培铨 徐金秋

（1.浙江省风机产品质量检验中心；2.浙江理工大学）

不同叶片厚度对轴流风机流动特性影响的数值模拟

李 俊1徐洪海1余培铨1徐金秋2

（1.浙江省风机产品质量检验中心；2.浙江理工大学）

为了获得不同叶片厚度对轴流风机流动特性的影响，对叶片相对厚度为6%、9%、12%以及15%的4种风机进行了数值模拟。结果表明：薄叶片风机在设计流量点附近有更好的气动性能，但流量变化对风机性能的影响明显大于厚叶片风机，厚叶片的风机有更大的稳定工作区间。叶片厚度的增加，改善了叶片前缘附近的流动情况，但使叶片尾缘附近的做功能力减弱，流动分离更加严重；减小了叶顶泄漏流对主流的影响和叶顶二次流动强度，但叶片中尾部二次流强度增加，使流动失稳，增加了能量损失，使得风机气动性能降低。

轴流风机；数值模拟；叶片厚度；流动特性

0 引言

轴流式通风机通常应用于大流量低压力的场合。其发展较离心式通风机晚些，但在19世纪末已经广泛应用于工业场合。随着航空事业的发展，机翼理论的研究和发展推动了轴流式通风机设计的发展[1]。目前国内外研究人员对轴流式通风机的研究和设计主要集中在通风机叶片结构的优化方面，从而提高轴流式通风机的全压和效率。在叶片优化设计的研究中主要关注的是比转速、叶片安装角、叶片进出口气流角等参数对风机性能的影响。许名珞[2]通过改变叶片安装角，从而改变了叶片的后弯角，最终结果发现仿真结果与实验测试结果相符，满足了优化目标。

国内外学者针对厚度变化的叶片对通风机性能的影响也进行深入研究。韩中合等人[3]针对3种不同的翼型厚度进行了数值模拟，发现较大厚度的翼型适合于大攻角的情况，但是容易出现尾部涡流。何元新[4]采用三维建模软件PRO/E对轴流风机叶片的造型问题提出了解决办法，使建立的三维模型与实际铸造模型一致，为数值模拟结果的准确性和可靠性提供了帮助。该研究仅仅是针对结构设计进行了优化，并没有针对优化后的结构进行数值计算，也没有验证设计的可靠性。沙毅和候丽艳[5]研究了轴流泵的叶片厚度对泵性能的影响及其内部流场的变化规则。采用圆弧法和流线法对QY90-4.4-1.5型潜水轴流泵模型进行了设计。通过对叶轮叶片进行加厚对比试验，发现薄叶片的性能要优于厚叶片的性能。施建荣等人[6]针对现有的风机模型，对3种不同厚度的翼型进行了数值计算，分析了3种翼型厚度的升阻比变化，并且进行了力学计算。发现了较薄的翼型升阻比较大。刘颖等人[7]研究了不同翼型厚度对轴流风机性能的影响，通过数值计算结果发现，改变风机翼型的相对厚度对全压效率的影响是明显的。李仁年等人[8]研究了多种后缘厚度下的升阻力随时间变化的情况，发现该现象与边界层分离有关，最终得出结论：后缘厚度大于临界值时，受力不稳定；小于临界值时，受力稳定。C.Sarraf等人[9]采用实验的方法研究了两种不同叶片厚度的轴流风扇对性能的影响，风扇整体的性能测试是在一个符合ISO-5801标准的测试平台上进行的，结果发现较薄叶片的风扇性能优于厚叶片，但是较厚叶片的风扇能保证较大的流量范围。另一方面，较厚叶片的气流波动程度低于较薄叶片，对边界波动和速度信号进行频谱分析，显示较厚叶片的风扇会产生更多的无相关性的谐波。该项研究有助于将空气动力学性能和声学性能结合在一起进行研究。Motta V等人[10]研究了叶片厚度对气动性能的影响，分析了叶片表面动载荷与叶片厚度之间的关系。

国内外学者针对叶轮中叶片厚度的变化对通风机的影响进行了广泛的理论研究和试验研究。为了丰富叶片厚度对轴流式通风机特性的影响，本文采用数值模拟方法分析了4种不同叶片厚度的轴流风机，来探究叶片厚度的变化对轴流式通风机的影响，以便为研究通风机的学者提供一定的参考思路。

1 数值模拟

1.1 几何模型的建立

为研究不同叶片厚度对轴流风机性能的影响以及风机流场的内外特性情况，本文以一款轴流风机为模型，对该风机的叶片厚度进行重新设计，获得了4种不同叶片厚度的轴流风机模型。

风机模型的叶片截面形状相同，但各截面的安装角不同，选取了5个截面，分别是叶根处截面，1/4叶高处截面，1/2叶高处截面，3/4叶高处截面，叶顶处截面，5个截面的安装角分别为53°、50°、47°、42°、36°。为了简化计算，该风机模型为单独叶轮，即R级型式。叶轮采用转速为1 450r/min的异步电动机驱动。4种风机模型的参数见表1。图1所示为叶片厚度为6%、9%、12%、15%的叶片厚度分布曲线和截面型线图。风机模型叶片的基础相对厚度为6%，图1（a）为沿弦长的厚度分布曲线，b为叶片弦长，最下面的曲线为原始叶片（厚度为6%）的叶片厚度分布曲线，通过改变叶片厚度分布曲线在Y坐标上的值，可以分别得到9%、12%以及15%的叶片厚度分布曲线。最终把厚度分布曲线叠加到图1（b）中的翼型中线两侧，即可得到不同叶片厚度的截面型线。本文只是针对叶片厚度的变化进行研究，不改变其它叶轮的结构尺寸，并在叶轮沿径向方向上均匀的选取了5个截面作为截面型线，获得不同厚度的叶片。图2即为4种不同叶片厚度的三维模型，图中从里到外分别为叶片厚度为6%、9%、12%、15%的叶片。

表1 4种风机模型的基本参数Tab.1 The basic parameters of the four fan models

图1 不同叶片厚度的叶片截面图Fig.1 The blade section with different blade thickness

图2 4种不同厚度叶片的三维模型Fig.2 Three dimensional model of four different blade thickness

1.2 计算模型和网格划分

图3为风机流场计算域，为保证气流流动平稳，将叶轮进口流场向外延长至2倍叶轮直径处。为保证数值计算收敛性，把叶轮出口流场向外延长至3倍叶轮直径处。把整个风机流场分为3个计算域，进口和出口计算域为静止计算域，叶轮流场计算域为转动计算域。整个计算模型采用混合网格，进口和出口计算域为结构化网格，为保证数值计算精度，叶轮计算域采用非结构化网格。图4为对风机流场计算域进行离散化以后的整体网格模型，通过对4种风机模型的网格进行网格无关性验证后，最终选择计算模型的网格数量均为300万左右，保证计算的准确性和收敛性。

图3 风机流场计算域Fig.3 The computational domain of fan flow field

图4 风机流场计算域网格模型Fig.4 The mesh model of fan flow field

1.3 计算方法和边界条件

本文对整个风机进行三维定常数值模拟。采用有限体积法求解三维不可压缩雷诺时均方程[11]，对流项采用高分辨率的二阶精度差分格式，其它项采用中心差分格式，湍流模型采用k-ω SST模型，求解器采用全隐式耦合多重网格求解技术。k-ω SST湍流模型通过将k-ω模型和k-ω模型加权平均的方式组合起来，在壁面处采用k-ω模型，在远离壁面区域采用k-ε模型，充分利用了k-ω模型对逆压梯度模拟精度高的优点和k-ε模型对湍流初始参数不敏感的特点，提高了数值模拟的准确性，该模型由Menter[12]在1994年提出。

数值模拟边界条件为速度进口和压力出口，进出口湍流动能和湍流动能耗散率由经验公式计算确定；计算流体采用25℃的空气，参考压力为一个标准大气压；采用无滑移壁面条件，近壁面采用标准壁面函数，忽略重力和壁面粗糙度对流动的影响；动静交界面采用冻结转子的边界条件。

2 数值模拟结果分析

2.1 风机气动性能分析

图5 不同流量下的全压性能曲线Fig.5 The total pressure performance curve under different flow rates

图6 不同流量下的全压效率曲线Fig.6 The total pressure efficiency curve under different flow rates

图5和图6分别为不同叶片厚度的全压曲线和效率曲线。由图5可知，随着流量的增加，轴流风机全压先增大后减小，但是随着叶片厚度的改变，曲线的形状有所不同；在最高全压点的左侧，随着流量的增加，薄叶片风机全压增加速度更快，但是在最高全压点的右侧，薄叶片风机全压下降的速度也是最快的，致使在设计流量点附近薄叶片风机有更高的全压，但是在大流量和小流量区间，厚叶片风机有更高的全压。图6全压效率的分布规律与图5基本相同。

综上可知，不同叶片厚度的风机模型，薄叶片风机在设计点附近有更好的气动性能，但是流量的变化对风机性能影响明显大于厚叶片风机；虽然厚叶片风机在设计点附近的气动性能有所下降，但是流量的变化对风机气动性能的影响小于薄叶片风机，厚叶片风机的稳定工作区间更大。

2.2 叶轮内部流动特点分析

图7为叶片不同截面载荷分布图，图7（a）为3个叶高截面示意图，截面位置分别为5%、50%、95%。叶片表面的压力梯度方向对叶片表面的流动情况影响很大，顺压梯度有利于流体的流动，逆压梯度不利于流体的流动。压力面和吸力面压差表示叶片该截面处叶片载荷的大小，载荷越大表示叶片的做功能力越强，效率也越高[13]。

图7 叶片不同截面载荷分布Fig.7 The load distribution at different sections of blade

由图7（b）可知，在5%截面处，随着叶片厚度的增大，压力面压力有所减小，吸力面靠近前缘部分压力也有所减小，但尾缘附近的压力有所增加。总体来说叶片在该截面处靠近前缘部分叶片载荷基本没有发生变化，但尾缘附近的载荷显著减小，故随着叶片厚度的增加，叶根附近的载荷有所减小，叶根附近的做功能力也减小。压力面上随着叶片厚度的增加，接近叶片前缘的逆压梯度减小比较明显，利于流动，减小前缘分离涡流，接近叶片中部和尾缘的压力梯度很小，对流体的流动影响小。吸力面上随着叶片厚度的增加，前缘附近顺压梯度增加，有利于流体的流动，但是在叶片的中后部，随着叶片厚度的增加，逆压梯度增加迅速，会导致叶片尾缘出现流体分离。图7（c）是50%截面处叶片表面压力分布图，由图7（c）和图7（b）的比较，可以发现5%截面和50%截面压力分布规律基本相同，随着叶片厚度的增加，叶片的载荷有所减小，叶片的做功能力减小，特别是在叶片尾缘附近的载荷减小明显；叶片厚度的增加，叶片前缘附近的流动情况明显得到改善，但是叶片尾缘附近的流动有所恶化。图7（d）为95%截面处压力分布曲线，同样可以看出，前缘附近的流动情况有所改善，但是由于曲线之间差距很小，改善不明显。在叶片中后部，压力面的压力增加明显，吸力面的压力改变不大，导致随着叶片厚度的增加，叶片中后部，叶片载荷减小，叶片做功能力减弱，气体获得的能量减小。

综上所知，随着叶片厚度的增加，叶片前缘附近的流动得到改善；叶片中后部的载荷有所减小，叶片的做功能力减弱，但是叶片尾缘处，压力面附近的流动有所恶化，加大了能量损失。

图8为不同厚度的叶顶附近的湍流动能分布。湍流动能的分布表征流体湍流脉动的程度，反映流体微团之间发生碰撞和动量交换的程度。其大小和空间不均匀性也在一定程度上反映脉动扩散和粘性损失的大小和位置。

图8 叶轮叶顶附近湍动能分布Fig.8 The turbulent kinetic energy distribution near the impeller blade tip

为分析叶顶间隙附近的流动情况，对叶顶附近的湍流动能进行分析，沿着轴向位置取5个等分位置。叶轮旋转方向和主流方向如图8（a）所示。由图8可知，随着叶片厚度的增加，在叶顶附近的湍动能发生了很大的变化，特别是在叶片尾缘靠近吸力面的湍动能变化最为显著，也是泄漏流的位置。分析发现，随着叶片厚度的增加，叶片尾缘各截面湍动能明显减小，说明叶片厚度增加，泄漏流对主流的影响减小，泄漏涡强度减弱，使叶顶附近流动更加稳定，减小了叶顶尾缘的流动损失。

轴流风机在工作过程中，在靠近轮毂和机壳的位置，由于气流在三维方向的流动而产生涡流损失。这些涡流损失会伴随着能量的耗散，而这些耗散损失也就会降低风机的整体运行效率。为更清楚地显示叶轮中的流动和分离情况，采用Q涡准则，显示了叶轮流道中和叶轮出口涡的分布情况。图9为叶轮内外部流动涡分布情况，图9（a）1处为叶顶间隙泄漏涡，从图中可以看出随着叶片厚度增加，泄漏涡的范围有所减小，这与图8中湍动能分析得出的结论一致。图9（a）2处为叶根附近压力面前缘分离涡，可以看出随着叶片厚度的增加，分离涡的大小明显减小，这与图7（b）中的分析一致。图9（a）3处为叶根附近压力面尾缘分离涡，可以看出随着叶片厚度的增加，分离涡明显增加，这也与图7（b）中分析的结论一致。图9（a）4处为叶轮出口涡流，可以看出随着叶片厚度的增加，叶轮出口旋涡明显减弱，甚至有些旋涡消失，所以，叶片厚度增加，也可以改善叶轮出口的流动情况。

图9 叶轮内外部流动涡分布Fig.9 The flow vortex distribution around impeller

2.3 叶轮出口流动分析

图10为叶轮出口湍动能沿径向分布，由图可知，随着叶片厚度的增加，在叶片中下部，湍动能变化不大，这说明厚度的增加，对此处影响不是很大，但是在叶片中上部，叶片厚度的增加，湍动能发生了显著的变化，而且随着叶片厚度的增加湍动能减小，这与图8中分析的结论一致。总之，随着叶片厚度增加，使叶顶附近的流体波动减小，减小了叶顶附近叶轮出口的能量损失。

图10 叶轮出口湍动能的径向分布Fig.10 The radial distribution of turbulent kinetic energy at impeller outlet

图11 叶轮出口速度的径向分布Fig.11 The radial distribution of velocity at impeller outlet

图11为叶轮出口径向速度沿径向分布，径向速度的大小表示径向二次流的流动强度，径向速度越大，二次流损失也越大，而且径向速度的大小还能反映流体离心力与压力平衡情况，径向速度越小则压力平衡情况越好，流动损失也越小，叶轮的气动性能也越好。由图11可知，随着叶片厚度的增加，径向速度的绝对值在0到0.8的区间内是增加的，但是在0.8到1的位置有所减小。这说明随着叶片厚度的增加，在绝大部分位置，二次流动是增加的，气体的不平衡性也是增加的，这导致叶轮的气动性能降低，这图5和图6中的分析一致。

3 结论

本文通过对叶片相对厚度为6%、9%、12%、15%的4种风机进行数值模拟，研究了厚度变化对风机性能的影响和内部流场的变化规律。通过不同模型之间相互比较得出了以下结论：

1）本次研究的风机模型中，薄叶片的风机在设计流量点附近有更好的气动性能，但是流量变化对风机性能影响明显大于厚叶片的风机，厚叶片的风机有更大的稳定工作区间。

2）本次研究的风机模型中，叶片厚度的增加，改善了叶片前缘附近的流动情况，但是使叶片尾缘附近的做功能力减弱，流动分离更加严重。

3）本次研究的风机模型中，叶片厚度的增加，减小了叶顶泄漏流对主流的影响，减小了叶顶二次流动强度，但叶片中尾部二次流强度增加，使流动失稳，增加了能量损失，使得风机气动性能降低。

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Numerical Simulation of the Blade Thickness Effect on the Flow Characteristics of Axial Fans

Jun Li1Hong-hai Xu1Pei-quan Yu1Jin-qiu Xu2
(1.Zhejiang Fan Test Center of Product Quality；2.Zhejiang Sci-tech University)

The influence of the blade thickness on the flow characteristic in axial fans is determined by numerical predictions for four relative thicknesses of the blades,i.e.,6%,9%,12%,and 15%.The results show that the fan with a blade of small thickness has a better aerodynamic performance near the design operating point,but the influence of flow changes on the efficiency is significantly greater than for a thick fan blade,which has a more stable operating range.An increase of the blade thickness improves the flow characteristics near the blade leading edge,but reduces the performance near the blade trailing edge,where flow separation becomes more serious.An increase of the blade thickness reduces the influence of the tip leakage flow on the main core flow and the intensity of the secondary flow at the blade tip,but increases the tendency to flow instabilities downstream of the leading edge,which also increases the energy loss and reduces the aerodynamic performance of the fan.These results provide a theoretical basis for the optimization and design of high efficiency blades for axial fans.

axial fan,numerical simulation,blade thickness,flow characteristics

TH432.1；TK05

1006-8155-(2017)05-0020-07

A

10.16492/j.fjjs.2017.05.0003

2017-07-27 浙江 绍兴 312300