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(dòng)，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(duì)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(hào)： TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : B
文章編號(hào) : 1006-8155(2005)03-0008-03

Abstract :The viscous flow of reversible axial fan is simulated based on 3D Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations .Vortex forming mechanizm is carefully analyzed. Combining the requirments of fan forward and backword rotation velocity, pressure,flow rate and efficiency, the profile and stagger angle of reversible axial fan for metro are designed optimizingly, and satisfactory effect are obtained optimizingly,and satisfactory effect are obtained.
Keywords :Axial Fan Reversible 3-D Design

1　 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(duì)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(shí)，都能具有良好的氣動(dòng)性能。文獻(xiàn)［1,2］對(duì)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(duì)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(shí)并不要求正反向具有完全相同的性能要求，對(duì)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，一旦地鐵內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，要求風(fēng)機(jī)必須得具有迅速反向通風(fēng)的功能，由于這種狀況極為罕見，因此，并不要求此時(shí)風(fēng)機(jī)具有高效率，但要求通風(fēng)量大。針對(duì)這一工程背景，受某風(fēng)機(jī)制造廠的委托，對(duì)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(chǎng)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(dòng)。然后又仔細(xì)分析了流動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)是定常的。因此，將控制方程在非慣性的相對(duì)坐標(biāo)系下表達(dá)對(duì)于計(jì)算來說是非常方便的。參照文獻(xiàn)[3] ，相對(duì)坐標(biāo)系下的控制方程可以寫為

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下標(biāo) r 表示絕對(duì)量在相對(duì)坐標(biāo)系的分量。

控制方程的空間離散采用的是中心有限體積格式，時(shí)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(chǎng)的計(jì)算非常耗時(shí)，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 , 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(chǎng)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(gè)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(gè)地鐵用可逆軸流風(fēng)機(jī) , 由于該風(fēng)機(jī)將長(zhǎng)期正向運(yùn)行 , 只有在地鐵發(fā)生火災(zāi)等意外情況時(shí) , 才需要反向通風(fēng)。因此 , 希望正向運(yùn)行時(shí)具有較高的效率 , 反向運(yùn)行時(shí)流量比較大，效率要求不高，基本條件與要求如下 :

　　�。�1）反向運(yùn)行要求
　　　 ①葉輪直徑： 2000mm
　　　 ②風(fēng)量： 60m 3 /s
　　　 ③全壓： 1000Pa
　　　 ④輪轂直徑： 950mm
　　　 ⑤葉輪轉(zhuǎn)速： 985r/min
　　　 ⑥風(fēng)機(jī)全壓效率：≥ 60%
　　　 ⑦葉片個(gè)數(shù)： 14
　　　 ⑧葉根厚度：≥ 35mm

　　　（2）正向運(yùn)行要求
　　　 ①直徑： 2000mm
　　　 ②風(fēng)量： 50m 3 /s
　　　 ③全壓： 700Pa
　　　 ④輪轂直徑： 950mm
　　　 ⑤葉輪轉(zhuǎn)速：≤ 750r/min
　　　 ⑥風(fēng)機(jī)全壓效率：≥ 80%

以全三維雷諾平均 Navier-Stokes 方程的計(jì)算程序?yàn)榛�礎(chǔ)，通過數(shù)百個(gè)算例，分析流場(chǎng)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(gè)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56.6m3/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。

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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(dòng)時(shí)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(shí)，流道內(nèi)流動(dòng)合理，基本不存在漩渦 , 因此，流動(dòng)效率比較高。圖3分別為反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)根部、中部與頂部的流線圖。可以看出 , 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(huì)相對(duì)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(shí)流動(dòng)效率偏低，這也是我們預(yù)料之中的。

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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(chǎng)圖可以看出，在反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(huì)大大提高反向運(yùn)行時(shí)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)期目的。

5　 結(jié)論

通過對(duì)風(fēng)機(jī)粘性流場(chǎng)進(jìn)行精確的數(shù)值模擬，再仔細(xì)分析流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)際需求，對(duì)葉片造型進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)出了性能良好的可逆式軸流風(fēng)機(jī)。

流量和葉片沒有直接的關(guān)系式，軸流通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方法可以說是一門獨(dú)立的學(xué)科，我們無法在此告知您詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟，您可以查閱相關(guān)的書籍。
軸流通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)有單獨(dú)翼葉進(jìn)行空氣動(dòng)力試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)還有利用葉柵的理論和葉柵的吹風(fēng)試驗(yàn)成果來進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。
同時(shí)，葉型的種類也有很多如RAF-6E葉型,CLARKy葉型，Ls葉型，葛廷根葉型，圓弧板葉型等。
如果您只是想詢問與流量有關(guān)的公式，我們?cè)诖税褞讉�(gè)與流量有關(guān)的公式寫出：（cZ 、 N、ns、σ分別為平均軸向速度、軸功率、比轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速系數(shù)）
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廠房降溫
通風(fēng)降溫設(shè)備
降溫設(shè)備

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