吳華春，呂翔亙，楊一帆

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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基于CFD新型多層鋸齒邊緣扇葉優(yōu)化

吳華春，呂翔亙，楊一帆

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

針對現(xiàn)有家用電風(fēng)扇扇葉風(fēng)電轉(zhuǎn)化效率低、風(fēng)速小和邊緣紊流大的問題，在討論現(xiàn)有多種扇葉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型多層鋸齒邊緣的扇葉結(jié)構(gòu)，采用Inventor軟件進(jìn)行參數(shù)建模，通過正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計多組實(shí)驗(yàn)，基于CFD方法運(yùn)用Gambit劃分網(wǎng)格，采用Fluent進(jìn)行三維流場數(shù)值仿真，獲得每組扇葉模型的流量、速度和邊緣紊流分布情況。通過多組對比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，獲得了一種新型多層鋸齒邊緣扇葉模型，并采用3D打印進(jìn)行快速制造原型樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該風(fēng)扇扇葉具有風(fēng)電轉(zhuǎn)化效率高、風(fēng)速大而均勻、邊緣紊流較少等優(yōu)點(diǎn)。

CFD；多層鋸齒扇葉；流場優(yōu)化

電扇是用于清涼解暑和流通空氣的家用電器，以其價格低、耗電少、使用靈活等優(yōu)勢，廣泛用于家庭、辦公室、商店、醫(yī)院和賓館等場所，加之現(xiàn)有空調(diào)容易造成“空調(diào)病”，不適合老人、小孩等體質(zhì)較弱的人群使用，因而電扇仍是許多消費(fèi)者的優(yōu)先選擇。中國年鑒統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[1]，電扇銷售量仍然非常巨大，每年約為350萬臺，如圖1所示。然而，現(xiàn)有風(fēng)扇扇葉風(fēng)電轉(zhuǎn)化效率相對較低、風(fēng)速小且邊緣紊流大，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

圖1 電風(fēng)扇年銷售量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)對扇葉進(jìn)行內(nèi)部流場分析和數(shù)值模擬[2-5]，已逐漸成為一種重要的手段。只需要改變模型幾何參數(shù)，便可在較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次實(shí)驗(yàn)，獲得較優(yōu)扇葉模型。文獻(xiàn)[6]采用CFD方法，選擇Fluent對發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行了流體仿真分析和氣動噪聲計算，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。文獻(xiàn)[7]采用CFD方法對某汽油發(fā)動機(jī)冷卻水套進(jìn)行了模擬計算，并根據(jù)計算結(jié)果對缸墊水孔進(jìn)行優(yōu)化以調(diào)整水套內(nèi)的水流分布，獲得了更好的扇葉效果。王芳群等設(shè)計了一款無源磁懸浮氣泵，對直葉片和流線形型片進(jìn)行了CFD仿真，取得了優(yōu)化效果[8]。綜上所述，利用CFD方法，不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且可縮短設(shè)計周期和降低成本。

為此通過正交實(shí)驗(yàn)法對多個變量設(shè)計進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，采用CFD對各組模型進(jìn)行流場分析和數(shù)值模擬，并對仿真結(jié)果進(jìn)行綜合比較，得到較優(yōu)的扇葉模型。

1 研究方法

1.1 多層仿生鋸齒扇葉模型

為了有效降低扇葉外邊緣風(fēng)速差產(chǎn)生的紊流損失，使風(fēng)速差均勻產(chǎn)生在每一個臺階扇葉的邊緣，合理避開震區(qū)，提高扇葉空氣動力性能，使扇葉在相同轉(zhuǎn)速時具有更均勻風(fēng)速、更大流量和更高靜壓，該設(shè)計扇葉使用多層鋸齒結(jié)構(gòu)，如圖2～圖4所示。

該模型為一種多層仿生鋸齒扇葉結(jié)構(gòu)，輪轂上呈環(huán)狀排布有5個扇葉單元，每個扇葉單元均由3個相互疊置且長度依次遞增的扇葉片組成，扇葉單元中相鄰的兩層扇葉片之間留有間隙h，相鄰扇葉層之間有個半徑差，扇葉片遠(yuǎn)離輪轂端面設(shè)置有仿生鋸齒結(jié)構(gòu)1(見圖4)。

圖2 3D打印三維模型

圖3 外形尺寸示意圖

圖4 簡化分析模型

為了減少仿真分析時的工作量，在對仿真分析結(jié)果影響不大的情況下，將風(fēng)扇輪轂上的孔洞簡化為實(shí)體，并對一些特別細(xì)小的曲面進(jìn)行簡化，簡化后的三維模型如圖4所示。應(yīng)用三維建模軟件Inventor建立多個實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲猩热~的最大直徑選為400 mm，中心輪轂直徑為100 mm。

1.2 Gambit前期網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

將扇葉簡化三維模型在Inventor中以STEP格式導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行前處理，將風(fēng)扇流體仿真模型分為旋轉(zhuǎn)流體區(qū)、通道區(qū)、入風(fēng)口區(qū)及出風(fēng)口區(qū)4個部分，入風(fēng)口區(qū)直徑設(shè)為1 000 mm、長度為6 000 mm，出風(fēng)口區(qū)直徑設(shè)為1 000 mm、長度為2 000 mm。為了與實(shí)際電扇防護(hù)罩到風(fēng)扇外緣的間隙情況盡量一致，在建立旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域時，旋轉(zhuǎn)流體區(qū)的間隙為10 mm。考慮到風(fēng)扇模型的復(fù)雜性和4個區(qū)域的體積大小，在劃分網(wǎng)格中，旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域網(wǎng)格尺寸最小為1，通道區(qū)網(wǎng)格稍大為2，出入風(fēng)口區(qū)網(wǎng)格最大為5，在梯度變化較大處，如扇葉邊緣對網(wǎng)格進(jìn)行加密，從而保證計算的精度。網(wǎng)格劃分區(qū)域尺寸如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分區(qū)域尺寸圖

在入風(fēng)口區(qū)空氣的壓強(qiáng)為大氣壓，流動方向由入風(fēng)口區(qū)沿Z軸流向出風(fēng)口區(qū)。將入風(fēng)口端面設(shè)定為壓力入口條件，出風(fēng)口區(qū)出口端面設(shè)為壓力出口條件(沒有附加壓力作用，相對氣壓為0)，其他的壁面設(shè)定為墻，其中扇葉設(shè)為移動壁面，旋轉(zhuǎn)流體區(qū)設(shè)置為流體，然后導(dǎo)出網(wǎng)格。

1.3 Fluent工況加載及流程數(shù)值模擬

假定空氣為不可壓縮氣體，忽略重力影響，流動中沒有熱量交換。將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件，選用k-Epsilon湍流模型并結(jié)合動量守恒方程和連續(xù)性方程對模型進(jìn)行流場分析，當(dāng)計算結(jié)果收斂時體積流量趨于一個穩(wěn)定值，此時停止迭代計算，最后在Fluent-report菜單中查看檢測面的體積流量，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 普通扇葉與鋸齒扇葉的對比

為了驗(yàn)證在扇葉邊緣增加鋸齒是否可以有效減少紊流、增加風(fēng)速，通過反求法建立了普通扇葉模型和鋸齒扇葉模型，如圖6和圖7所示。并在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行流體仿真和數(shù)值模擬，記錄每組數(shù)據(jù)的流量和最大風(fēng)速，其中在轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時求解結(jié)果如圖8和圖9所示。對比圖8和圖9可以看出普通扇葉由于邊緣紊流較嚴(yán)重導(dǎo)致風(fēng)力集中、風(fēng)速相對較小，而鋸齒扇葉云圖過渡平穩(wěn)、風(fēng)速較為均勻、邊緣紊流較弱、能量損耗小，進(jìn)而使得風(fēng)力柔和且風(fēng)速相對均勻。

圖6 普通扇葉模型

圖7 鋸齒扇葉模型

圖8 普通扇葉云圖

圖9 鋸齒扇葉云圖

2.2 多層扇葉對比

由于距離輪轂越近，扇葉的線速度越小，意味著中間部分風(fēng)速相對較小。為了增加中間部分風(fēng)速，使整個出風(fēng)口端面風(fēng)速分布相對均勻，設(shè)計多層扇葉。為了不過于增加扇葉的整體質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，上一層扇葉比下一層縮進(jìn)一定的距離，對比實(shí)驗(yàn)中縮進(jìn)值取40 mm(上一層扇葉半徑比下一層扇葉半徑小40 mm)。在5種轉(zhuǎn)速下計算每組體積流量和最大風(fēng)速，并根據(jù)速度矢量圖分析風(fēng)速均勻情況，其中在轉(zhuǎn)速為700 r/min時統(tǒng)計結(jié)果如圖10所示，可以看出三層扇葉的體積流量和最大風(fēng)速比單層、雙層扇葉的都高，且風(fēng)速分布較為均勻?？紤]到現(xiàn)有扇葉罩結(jié)構(gòu)限制和層數(shù)過于增加會使電機(jī)負(fù)載過大，該設(shè)計取三層扇葉為較優(yōu)扇葉模型。圖10中的距離表示測點(diǎn)距離軸中心的垂直距離，測點(diǎn)距離扇葉端面20 cm。

圖10 700 r/min時風(fēng)速分布對比圖

2.3 正交實(shí)驗(yàn)對比

正交實(shí)驗(yàn)法是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，其根據(jù)正交性“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)從全面實(shí)驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法。筆者設(shè)計實(shí)驗(yàn)思路是：在驗(yàn)證三層扇葉和邊緣鋸齒效果較好的基礎(chǔ)上，對扇葉的層間距、層縮進(jìn)(為了方便分組，將相鄰層扇葉的半徑差統(tǒng)稱為層縮進(jìn))和轉(zhuǎn)速3個因素設(shè)計五水平的等水平正交實(shí)驗(yàn)，如表1所示。效應(yīng)曲線圖如圖11所示。將每組模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行流場分析和數(shù)值模擬，得到的等水平正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表2所示。

表1 參數(shù)設(shè)計正交表

圖11 效應(yīng)曲線圖

表2 等水平正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

由圖11可以發(fā)現(xiàn)：扇葉的層間距在12 mm、層縮進(jìn)量在40 mm時綜合性能最好。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的真實(shí)性，通過3D打印制作了1∶1的實(shí)物模型，并在電扇上做了多組和普通扇葉的對比實(shí)驗(yàn)，其中在3個擋位同轉(zhuǎn)速時得出的統(tǒng)計結(jié)果如圖12～圖14所示。

通過圖12～圖14可以發(fā)現(xiàn)：風(fēng)速先隨著與中心軸距離的增加而增加，隨后減少且兩邊關(guān)于中心對稱呈M型；普通扇葉的最大風(fēng)速與最小風(fēng)速之差大于三層鋸齒邊緣扇葉，也就是說多層鋸齒扇葉風(fēng)速分布比普通扇葉的均勻，且轉(zhuǎn)速在同擋位下風(fēng)速普遍高于普通扇葉，實(shí)驗(yàn)效果與仿真結(jié)果吻合度較好，因此三層鋸齒扇葉風(fēng)速較大且較為均勻，綜合性能均優(yōu)于普通扇葉。

圖12 一擋風(fēng)速分布對比圖

圖13 二擋風(fēng)速分布對比圖

圖14 三擋風(fēng)速分布對比圖

由于三層鋸齒扇葉的質(zhì)量要大于普通扇葉，同轉(zhuǎn)速條件下三層鋸齒扇葉的功耗必然大于普通扇葉。為了進(jìn)一步科學(xué)地驗(yàn)證三層鋸齒扇葉具有較好的風(fēng)電轉(zhuǎn)化效率和降低噪音的優(yōu)化效果，在武漢產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所進(jìn)行了三層鋸齒扇葉與普通扇葉的風(fēng)速及風(fēng)量對比檢測。

檢驗(yàn)報告顯示，三層鋸齒扇葉相較于普通單層扇葉，能效值(總風(fēng)量/輸入功率)由1.01提高到了1.28，風(fēng)扇功耗同比減少約26.7%，能耗等級由三級提高到一級(根據(jù)GB12021.9-200X交流電風(fēng)扇能效等級及功耗限定值)；相較于普通單層扇葉，三層鋸齒扇葉使風(fēng)扇工作噪音由60.6 dB降低至57.3 dB，降低了3.3 dB(根據(jù)GB19606-2004，Φ400扇葉噪聲限值為67 dB)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析

扇葉增加鋸齒邊緣可以有效減少紊流,對風(fēng)速有一定的提高作用，而多層扇葉可以在提高風(fēng)速的同時讓風(fēng)速更均勻，考慮到扇葉罩尺寸的限制和電機(jī)的負(fù)載情況，采用了三層扇葉。通過正交實(shí)驗(yàn)法綜合對比發(fā)現(xiàn)：三層鋸齒扇葉在層間距為10 mm、層縮進(jìn)為40 mm時，風(fēng)速最大、風(fēng)速分布最均勻、邊緣紊流最弱、噪音低、能效值較高，綜合效果最好。武漢產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所的檢測結(jié)果驗(yàn)證了三層鋸齒風(fēng)扇的良好性能。

3 結(jié)論

筆者利用CFD并通過正交實(shí)驗(yàn)法對不同參數(shù)的扇葉模型進(jìn)行流場分析和數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)際扇葉的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等因素，優(yōu)化了現(xiàn)有扇葉的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在風(fēng)速大而均勻的同時又減少邊緣紊流的效果，提高了扇葉的能效值。

CFD模擬具有較強(qiáng)的仿真性，能夠在產(chǎn)品開發(fā)之初進(jìn)行多次高效的仿真模擬并找出設(shè)計的缺陷，避免了后期設(shè)計變更的風(fēng)險，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計的周期，降低了產(chǎn)品開發(fā)的費(fèi)用。通過該方法，可以對同一類型的葉輪機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化分析，在提高優(yōu)化效率的同時節(jié)省人力物力，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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WU Huachun:Prof.; School of Mechanical and Electronic Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Optimization of Multilayer Serrated Edges Based on CFD

WUHuachun,LVXianggen,YANGYifan

The domestic electric fans have some problems, which are the low conversion efficiency from wind to electricity of the blades, the small and concentrated wind speed, and the big edge turbulence. Computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed to discuss the existing varieties of fan blade structures and provide a fan blade structure with multilayer jagged edges. Software Inventor was employed to construct the parameters model. Gambit was used to divide grids based on CEF method and Fluent was applied to 3D flow field simulation in the orthogonal experiments. The distribution of flow, speed and edge turbulence of each fan blade was then obtained. A new multilayer jagged fan blade model was achieved through several comparison experiments. And a physical model printing by 3D technology was obtained for testing. The experimental results show that wind power of this fan has the advantages of high conversion efficiency, high and uniform speed, and less edge turbulence.

CFD; multilayer saw tooth fan blades; flow field optimization

2015-05-25.

吳華春(1976-),男,江蘇南京人,武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275371).

2095-3852(2015)06-0706-04

A

TH122

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.010