摘要 ： 對某商用對旋軸流通風(fēng)機設(shè)計工況附近多個工況，分別采用單通道定常流和整機非定常流模型進行了氣動性能的數(shù)值預(yù)估，并和實測結(jié)果對比，探討了這兩種數(shù)值模型用于對旋軸流通風(fēng)機氣動性能預(yù)估的可行性。

關(guān)鍵詞 ： 對旋軸流通風(fēng)機；氣動性能；數(shù)值預(yù)估

中圖分類號 ： TH432.1 文獻標(biāo)識碼 ： B

文章編號： 1006-8155 （ 2008 ） 04-0020-04

Numerical Prediction of Aerodynamic Performance for a Contra-rotating Axial-flow Fan

Abstract: The numerical prediction of aerodynamic performance for a commercial contra-rotating axial-flow fan has been carried out near the design operation using the models of single channel steady flow and whole fan unsteady flow respectively. The comparison between the results from these two models and the results from real test shows that the feasibility of these two models used in prediction of aerodynamic performance for contra-rotating axial-flow fans.

Key words: contra-rotating axial-flow fan; aerodynamic performance; numerical prediction

0　引言

　　對旋軸流通風(fēng)機具有結(jié)構(gòu)緊湊、流量大、壓頭大和效率高等優(yōu)點，廣泛用于礦井、隧道等使用空間小又要求強烈通風(fēng)的場合。 由于對旋軸流通風(fēng)機將兩個相對旋轉(zhuǎn)的葉輪、電機和各種支撐都裝在一個葉頂間隙很小的筒體中，不僅流場是復(fù)雜的非定常流，性能測試也很難準(zhǔn)確，所以數(shù)值預(yù)估和性能實測數(shù)據(jù)不易吻合。 2002 年李秋實等用自編程序進行了定常和非定常的數(shù)值模擬 [1-2] ，計算只對設(shè)計工況進行，且忽略葉頂間隙的影響。定常計算預(yù)估總壓比試驗結(jié)果偏高了 1 ％，而非定常計算卻偏高 11 ％，也沒有預(yù)估效率比較。近年來有人用 FLUENT 程序?qū)�對旋風(fēng)機又做了一些定常計算 [3-6] ，所得氣動性能與試驗結(jié)果吻合仍然不佳，有的根本沒有試驗對比，總的來看，都只能用于定性分析對旋風(fēng)機的一些工作特點。

1 數(shù)值模擬方法

　　采用商用軟件 Fluent 6.3 對型號為 FBD № 5/2 × 7.5kW 的一個商用對旋軸流通風(fēng)機內(nèi)部三維流場，分別采用單通道定常流和整機非定常流模型進行數(shù)值模擬，由此得到風(fēng)機氣動性能。表 1 所示為該風(fēng)機的主要設(shè)計參數(shù)，葉片采用等厚度薄板，其葉型由葉片上 7 個截面的不同的雙圓弧型線組合而成。網(wǎng)格由 Gambit 軟件自動生成，采用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)混合型網(wǎng)格填充計算域，計算采用 RNG k-ε 湍流模式，它比常用的標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模式可更好地計算分離流動，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)和 SIMPLE 算法，動量方程的對流項采用二階迎風(fēng)格式，迭代采用多重網(wǎng)格技術(shù)加速收斂。建模時除省略電機及輪轂支架外，完全模擬實際試驗時的風(fēng)機整體結(jié)構(gòu) , 特別是兩個輪轂間的距離和葉頂間隙，它們對性能影響很大，必須嚴格確保相同。

1.1 單通道定常數(shù)值模擬

　　由于流動的軸對稱性，不同葉片通道內(nèi)流動幾乎相同，于是可以只計算一個葉片通道內(nèi)的流動來模擬實際試驗時的風(fēng)機整機流場，其建模的計算域和網(wǎng)格如圖 1 所示。為了網(wǎng)格劃分的方便，將計算域的幾何模型劃分為 8 個子區(qū)域：前級動葉區(qū)域 R4 、后級動葉區(qū)域 R5 、進氣通道區(qū)域 R3 、出氣通道區(qū)域 R6 、進氣導(dǎo)流罩區(qū)域 R2 、出氣導(dǎo)流罩區(qū)域 R7 ，此外還在進氣導(dǎo)流罩前添加了長度為 5 倍葉輪直徑的一段延伸區(qū)域 R1 ，在出氣導(dǎo)流罩外添加了一個半徑為 5 倍葉輪直徑，長度為 10 倍葉輪直徑的柱形風(fēng)室區(qū)域 R8 ，上述最后的兩個子區(qū)域的添加是為了模擬風(fēng)機在進氣法氣動性能試驗時所具有的真實邊界條件。在葉頂間隙區(qū)域和葉片的前后緣附近需加密網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約 70 萬。

表 1 風(fēng)機設(shè)計工況主要設(shè)計參數(shù)

葉輪直徑 D t / mm

500

轉(zhuǎn)速 N /(r/min)

2900

流量 Q /( m3 /h)

11000

總壓 pt/ Pa

3000

輪轂比 ν

0.6

前級葉片數(shù) Z f

9

后級葉片數(shù) Z r

7

　　選擇控制方程為定常雷諾平均的 N-S 方程。進口管道的進口截面給定均勻質(zhì)量入流條件；出口風(fēng)室的末端截面給定壓力條件，將均勻的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力作為出口靜壓；計算通道的兩側(cè)是旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件。所有固壁面均給定無滑移邊界條件。前后級葉輪區(qū)域（ R4 和 R5 區(qū)域）分別采用固結(jié)在其上的旋轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系，其余 6 個計算區(qū)域采用絕對靜止坐標(biāo)系計算。由于前后級葉輪的轉(zhuǎn)速方向相反，而且前后兩級葉輪的葉片數(shù)不一致，因而單個葉片通道所展開的角度是不同的，故此采用混合面模型（ Mixing Plane Model ）來銜接兩級葉輪流動�；旌厦嫒≡趦杉壢~片中間位置處，其上下游，即前級葉片通道出口和后級葉片通道進口，分別給定壓力出口和壓力進口邊界條件，以便使氣流總壓在混合面兩側(cè)盡量保持連續(xù)。在混合面兩側(cè)的流體均做定常計算，混合面一側(cè)的流體域計算所得物理量，在混合面處做周向平均，然后作為邊界條件提供給混合面另一側(cè)的計算域使用。

　　該計算在4節(jié)點并行機上進行計算，單個節(jié)點 CPU 主頻為3.0GHz ，計算8h后收斂，這時各方程迭代誤差小于1×10-5 。

1.2 整機非定常數(shù)值模擬

　　圖2所示為整機非定常計算建模的計算域及網(wǎng)格，除了沒有旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件外，其余邊界條件均與單通道定常計算模型相同。網(wǎng)格總數(shù)約 300 萬，控制方程為非定常雷諾平均的 N-S 方程。在與單通道計算相同的 4 節(jié)點并行機進行計算， 200h 后，各方程迭代誤差小于 1 × 10 -5 ，同時可見，風(fēng)機進口截面處按流量加權(quán)平均的靜壓值及兩級葉片中間位置處某點的靜壓值在一定范圍內(nèi)隨時間步已呈周期性變化（圖 3 、圖 4 ），這時認為流場已經(jīng)收斂，其性能時均值即為對應(yīng)的定常流值。

2 計算結(jié)果分析

　　根據(jù)風(fēng)機氣動性能測試標(biāo)準(zhǔn)ISO 5801 ：

　　1997，風(fēng)機的總壓定義為風(fēng)機進出口截面間靜壓差與軸向動壓差之和。注意：風(fēng)機出口的旋轉(zhuǎn)動壓是不計入風(fēng)機總壓的。由于風(fēng)機出口處為自由大氣，表壓為 0 ，所以風(fēng)機總壓的計算公式為

　　圖5和圖6分別為以上兩種數(shù)值模擬的總壓和總壓效率預(yù)估和試驗測試值比較。圖中實心方形為試驗測試結(jié)果（實測值），空心三角形為單通道準(zhǔn)定常計算結(jié)果，空心圓形為整機非定常計算結(jié)果。顯然，單通道定常計算預(yù)估總壓和總壓效率要比實測值稍高，整機非定常計算預(yù)估的總壓和總壓效率比實測值稍低，但相差均小，后者結(jié)果更好些。如流量為 12000m3/h 時，單通道定常計算預(yù)估的總壓及其效率分別比實測值高約4.5% 和1.7% ，整機非定常計算預(yù)估的總壓及其效率分別比實測值低2.5% 和2.4% 。說明以上兩種方法均可比較準(zhǔn)確地預(yù)估對旋軸流通風(fēng)機的氣動性能。

海爾“三超”直流雙新風(fēng)壁掛式空調(diào)
　　
價值點：超薄、超靜、超高效
　　
上榜理由：海爾“三超”直流雙新風(fēng)空調(diào)是由海爾自主研發(fā)設(shè)計的超薄、超靜、超高效空調(diào)，僅發(fā)明專利等就達11項，實現(xiàn)高效省電的同時，采用世界首創(chuàng)的自動開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)機厚度僅為16厘米，比普通空調(diào)減少了1/4，達到行業(yè)領(lǐng)先水平。不僅如此，采用世界領(lǐng)先的直流變頻技術(shù)，大大增強電能轉(zhuǎn)化效率，并結(jié)合中國電網(wǎng)特點，在壓縮機優(yōu)化、電控驅(qū)動、工程控制三方面首次利用世界領(lǐng)先的創(chuàng)新技術(shù)，省電50%以上。
　　
三星杰能系列空調(diào)
　　
價值點：外觀時尚豪華
　　
上榜理由：三星經(jīng)典的科技銀與簡約圓潤的面板輪廓讓杰能系列空調(diào)站在科技的前沿。該系列空調(diào)高效節(jié)能，銀離子抗菌；外觀時尚豪華，采用超大字符顯示的中央顯示屏，增強了整體的美感。
　　
美的新高效冷靜星系列空調(diào)
　　
價值點：強勁制冷熱
　　
上榜理由：強勁功能（遙控器上設(shè)對應(yīng)按鍵）為美的空調(diào)特有的功能，滿足消費者剛開機時對快速制冷、制熱的需求；全新的優(yōu)化風(fēng)道及采用威靈優(yōu)質(zhì)電機，令美的空調(diào)噪音低至25分貝，營造舒適安靜的睡眠環(huán)境，低噪音的室外機也不會打擾到鄰居；除擁有干燥防霉功能和甲醛克星濾網(wǎng)，還采用外資品牌在高端機才使用的銀離子抗菌濾網(wǎng)，抗菌率高達99.93%。
　　
LGP1系列空調(diào)
　　
價值點：將空調(diào)“家居化”進行到底
　　
上榜理由：LGP1系列空調(diào)將頂尖健康技術(shù)和超大功率結(jié)合在一起，P1系列不僅能滿足46-55的制冷制熱需求，還能夠從根本上保證室內(nèi)空氣的質(zhì)量。值得一提的是，P1系列的空氣凈化工程還能夠獨立運轉(zhuǎn)，在不開啟空調(diào)制冷制熱功能的情況下，可以單獨使用P1系列的空氣凈化工程。對于平時少開窗的用戶而言，既能夠凈化室內(nèi)空氣，又能夠節(jié)省電費開支，兩全其美。
　　
三星臻品系列空調(diào)
　　
價值點：外觀盡顯貴族氣質(zhì)
　　
上榜理由：三星電子在中國市場率先推出的臻品系列空調(diào)首創(chuàng)性地采用了象征高貴、奢華、品位以及個性的佩斯利花紋，盡顯貴族氣質(zhì)。上部和中部兩側(cè)以及中間送風(fēng)口構(gòu)成了臻品系列獨特的五維數(shù)控送風(fēng)，根據(jù)空間和使用習(xí)慣不同，可以在廣角送風(fēng)、左右送風(fēng)、集中送風(fēng)、凈化送風(fēng)等多種模式中自由組合或切換。
　　
志高花好月圓系列空調(diào)
　　
價值點：外觀變化隨心所欲
　　
上榜理由：時尚燈箱外觀，內(nèi)附各種風(fēng)格的彩畫，采用手提電腦液晶屏發(fā)光原理，在背部配置冷陰極發(fā)光管，以獨特的導(dǎo)光板設(shè)計，使空調(diào)通電亮燈時能透過鏡面清晰地看到彩畫，而且彩畫可自行更換，隨心所欲改變風(fēng)格。此外，采用高質(zhì)量制冷劑，純凈安全。
　　
海爾直流雙新風(fēng)空調(diào)
　　
價值點：空氣雙倍新鮮
　　
上榜理由：海爾直流高效雙新風(fēng)空調(diào)是海爾自主研發(fā)的創(chuàng)新突破，同時也是目前全球首臺同時采用“全熱雙新風(fēng)”技術(shù)和“直流變頻”技術(shù)的健康高效空調(diào)。尤其是采用全熱雙新風(fēng)技術(shù)，在實現(xiàn)交換的過程中，利用全熱交換器回收能量，保持溫度，并保持室內(nèi)空氣雙倍清新，增強人體活力。
　　
長虹“大清凈”系列生態(tài)空調(diào)
　　
價值點：空氣品質(zhì)專家
　　
上榜理由：“大清凈”系列是長虹最新推出的“生態(tài)空調(diào)”，被譽為“空氣品質(zhì)專家”，其模擬了自然生態(tài)空間的溫度、濕度、潔凈度以及氣流組織，提高了空調(diào)居室內(nèi)的空氣品質(zhì)。這款空調(diào)最大特點是裝有甲醛克星過濾網(wǎng)，能有效去除空調(diào)居室內(nèi)的致癌物質(zhì)甲醛，有利于人體健康。此外，長虹采用銀離子納米技術(shù)，具有抗菌、環(huán)保等優(yōu)勢，有效抑制細菌的再生與繁殖，并有效防止二次生物污染，保持空氣質(zhì)量。
　　
新科晶彩系列空調(diào)
　　
價值點：冷暖變色一目了然
　　
上榜理由：新科晶彩系列采用國際流行款式，配合中央顯示屏，滿足現(xiàn)代家庭裝飾風(fēng)格；全面運用新科人性化、高能效的“零缺陷”節(jié)能技術(shù)，達到國家能效等級新標(biāo)準(zhǔn)；智能大屏化彩色顯示技術(shù)的藍色、紅色、綠色，分別代表機器制冷、制熱和通風(fēng)狀態(tài)，使消費者一目了然，有效避免了普通空調(diào)要等到開機3到5分鐘后才能判斷機器的運行情況，從而極大節(jié)省了耗電量；強力抽濕，高效除塵，真正做到了“高能效、健康舒適”。
　　
海爾“三超”直流雙新風(fēng)柜式空調(diào)
　　
價值點：讓空調(diào)成為房間的“肺”
　　
上榜理由：海爾三超直流雙新風(fēng)空調(diào)是由海爾自主研發(fā)設(shè)計的超薄、超靜、超高效空調(diào)，也是目前全球唯一采用全熱換新風(fēng)技術(shù)的空調(diào)。采用世界首創(chuàng)的自動開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計，徹底解決空調(diào)界超薄與高效不能共存的難題，實現(xiàn)高效省電的同時，內(nèi)機厚度比普通柜機減少了5厘米以上，達到行業(yè)領(lǐng)先水平。尤其采用世界全熱雙新風(fēng)技術(shù)，將空調(diào)變成房間的“肺”，在“呼出”室內(nèi)污濁空氣的同時，“吸入”室外新鮮空氣，讓房間健康“呼吸”。

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