梁 鐘 王 軍 蔣博彥 李佳俊

（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

兩種尾緣凹陷方式對(duì)開(kāi)式軸流葉輪內(nèi)流特性及性能影響分析

梁 鐘 王 軍 蔣博彥 李佳俊

（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

開(kāi)式軸流葉輪因其無(wú)外殼結(jié)構(gòu)造成風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。論文采用數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，以某室外機(jī)用開(kāi)式3葉軸流葉輪為模型，通過(guò)改進(jìn)葉輪尾緣結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩組不同的尾緣凹陷方案進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示：尾緣凹陷能夠有效改善葉片表面壓力分布，減小壓力面與吸力面之間的壓力差，減小葉頂間隙渦流區(qū)，改善角區(qū)分離，減弱葉輪尾跡，有效改善葉輪內(nèi)部流動(dòng)。對(duì)比實(shí)際工作流量點(diǎn)，在相同轉(zhuǎn)速條件下，尾緣凹陷使得風(fēng)機(jī)全壓降低5.2Pa，功率降低28.0%；在相同工況條件下，葉輪功率降低達(dá)14.3%，節(jié)能效果明顯。

開(kāi)式軸流葉輪；空調(diào)；尾緣凹陷；尾跡

0 引言

開(kāi)式軸流葉輪主要運(yùn)用于空調(diào)室外機(jī)之中，不同于全管道式的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。在室外機(jī)中，葉輪外側(cè)的導(dǎo)流罩只覆蓋葉頂?shù)牟糠謪^(qū)域[1]，使得該區(qū)域渦流更為復(fù)雜；同時(shí)出口格柵與葉片尾緣脫落渦發(fā)生干涉作用，也使葉輪內(nèi)流耗散較大，效率低下。對(duì)開(kāi)式軸流葉輪內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行控制是提升其性能的有效方法。其中彎掠優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]和前、后尾緣[3-6]的處理是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

對(duì)于葉輪尾緣，Seung Heo[7]等研究發(fā)現(xiàn)斜S尾緣能有效減少湍流動(dòng)能并降低寬頻噪聲；游斌[8]等研究發(fā)現(xiàn)對(duì)尾緣進(jìn)行凹陷同時(shí)對(duì)前緣局部加厚和葉片其他區(qū)域整體減薄處理，能夠減輕風(fēng)輪質(zhì)量，降低電機(jī)負(fù)荷同時(shí)減弱轉(zhuǎn)子尾跡。

本文針對(duì)葉輪尾緣流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)改進(jìn)葉輪尾緣結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩組不同的尾緣凹陷方案進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，旨在探究尾緣凹陷對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)流及性能的影響。

1 研究對(duì)象

1.1 原型葉輪

本文以某款空調(diào)室外機(jī)為原型，其主要結(jié)構(gòu)包括：壓縮機(jī)、熱交換器、電機(jī)及電機(jī)支架、出口格柵和風(fēng)扇。為便于模擬對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，去除其中的熱交換器、出口格柵等結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)化后的三維模型如圖1所示。其整體結(jié)構(gòu)尺寸為885mm×340mm×680mm，葉頂間隙δr=6mm，軸流葉輪外徑D2=528mm，內(nèi)徑D1=130mm，轉(zhuǎn)速n=760r/min。

圖1 空調(diào)室外機(jī)與葉輪三維模型圖Fig.1 Air conditioning outdoor unit and impeller threedimensional model

1.2 兩種葉輪尾緣凹陷方式

通過(guò)尾緣凹陷切割得到新的改型葉輪，凹陷型線是由6個(gè)控制點(diǎn)確定的非均勻有理樣條曲線。圖2為尾緣凹陷示意圖。每一控制點(diǎn)的位置由兩個(gè)參數(shù)h和θ確定，其中h=2e/(D2-D1)為相對(duì)葉高，決定控制點(diǎn)的徑向位置；θ為同葉高下，控制點(diǎn)和原尾緣型線的夾角，決定控制點(diǎn)的周向位置。本文設(shè)計(jì)了兩種不同的尾緣凹陷方式，分別對(duì)應(yīng)改型葉輪B和葉輪C，原型葉輪對(duì)應(yīng)葉輪A。兩組型線深入葉輪中的程度不同但其1和6控制點(diǎn)相同。表1為兩組型線各控制點(diǎn)的h和θ值。

圖2 尾緣凹陷型線示意圖Fig.2 Schematic diagram of the trailing edge depression scheme

表1 各控制點(diǎn)參數(shù)表Tab.1 Control points parameters

2 數(shù)值模擬與試驗(yàn)方法

2.1 網(wǎng)格生成與計(jì)算方法

本文采用商用軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。將計(jì)算區(qū)域劃分為3部分，分別為進(jìn)口區(qū)域、葉輪區(qū)域、出口區(qū)域。圖3為計(jì)算域示意圖。其中進(jìn)口區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為90.4萬(wàn)，A，B，C三種方案葉輪區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)分別為159.8萬(wàn)、157.7萬(wàn)、157.5萬(wàn)，出口區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為84.7萬(wàn)。各區(qū)域間通過(guò)interface連接。

圖3 計(jì)算域示意圖Fig.3 Computational domain diagram

計(jì)算方法采用SEGREGATED隱式求解；湍流模型為Realizablek-ε模型；壁面附近應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；湍流動(dòng)能、湍流耗散項(xiàng)、動(dòng)量方程都采用二階迎風(fēng)格式離散；壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。邊界條件采用壓力進(jìn)口和壓力出口，葉輪區(qū)域選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。當(dāng)各個(gè)速度分量和k、ε的計(jì)算殘差小于10-4，監(jiān)測(cè)值穩(wěn)定后，認(rèn)為當(dāng)前計(jì)算已經(jīng)收斂。

2.2 試驗(yàn)裝置與方法

性能試驗(yàn)按照《GB/T1236-2000工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》[9]進(jìn)行，采用B型試驗(yàn)裝置，通過(guò)多噴嘴流量計(jì)測(cè)量流量，電測(cè)法測(cè)量功率。圖4(a)為性能試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖4(b)為空調(diào)室外機(jī)整機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，整機(jī)試驗(yàn)中包含了熱交換器、出口格柵等部件。

(a)性能試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖(a)Performance experiment device structure diagram

圖4 試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Experiment device diagram

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 壓力面與吸力面壓力云圖分析

針對(duì)兩種尾緣凹陷形式和原始葉輪模型，計(jì)算了室外機(jī)在正常使用風(fēng)量（3000m3/h）條件下的結(jié)果。為探究其對(duì)葉片載荷分布影響，對(duì)葉片壓力面與吸力面壓力云圖進(jìn)行了分析。

圖6為A，B，C葉輪壓力面的壓力云圖對(duì)比。從圖6中可以看出：A，B，C葉輪壓力面的最高壓力分別為60Pa、55Pa、55Pa，依次降低。其中A葉輪約有1/3的面積壓力處于55～60Pa并且在葉根處存在一個(gè)較小的高壓區(qū)，B，C葉輪的高壓區(qū)逐漸減小且在葉根處不存在高壓區(qū)。A，B，C葉輪壓力面的最高壓力區(qū)均位于葉輪頂部距前緣1/2弦長(zhǎng)的位置且壓力面中部區(qū)域的壓力值逐漸減小。

圖7為A，B，C葉輪吸力面的壓力云圖對(duì)比。從圖7中可以看出：A，B，C葉輪吸力面的最低壓力分別為-70Pa，-70Pa，-60Pa，依次增加，低壓區(qū)均位于葉輪頂部3/4弦長(zhǎng)的位置且面積逐漸減小。吸力面其他區(qū)域壓力變化不明顯。

圖6 A，B，C葉輪壓力面壓力云圖對(duì)比Fig.6 A，B，C impeller pressure surface pressure nephogram comparison

圖7 A，B，C葉輪吸力面壓力云圖對(duì)比Fig.7 A，B，C impeller suction surface pressure nephogram contrast

綜合圖6、7可得，隨著尾緣凹陷向葉輪中部的深入，葉片整體壓力分布更加均勻并且壓力面與吸力面之間的壓力差減小，改善了葉片的受力情況。

3.2 葉輪子午面壓力云圖與流線分析

圖8為A，B，C葉輪子午面壓力云圖與流線對(duì)比。從子午面壓力云圖可以更加直觀的看出尾緣凹陷之后，葉片兩側(cè)壓差減小，葉片的受力改善。在流線圖中捕捉到了葉片頂部的泄漏渦結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行尾緣凹陷改型之后，葉頂間隙渦流區(qū)有一定程度的減小，角區(qū)分離得到改善，說(shuō)明尾緣凹陷在一定程度上改善了葉道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。

圖8 A，B，C葉輪子午面壓力云圖與流線對(duì)比Fig.8 Comparison of meridian pressure nephogram and streamline of impeller A，B and C

3.3 葉輪尾緣后渦量圖分析

圖9為A、B、C葉輪尾緣后15mm處渦量圖對(duì)比。從圖中可得，A葉輪尾緣后有較強(qiáng)的渦流且其梯度較大。B、C葉輪尾緣后的渦強(qiáng)度減小且隨著凹陷型線向葉輪中部的深入，尾緣后渦強(qiáng)度的絕對(duì)值逐漸減小，梯度降低，流動(dòng)更加均勻，說(shuō)明尾緣凹陷改善了葉片尾部流動(dòng)狀態(tài)，降低了尾跡強(qiáng)度。

圖9 A，B，C葉輪尾緣后15mm處渦量圖對(duì)比Fig.9 Comparison of vortices at 15mm after trailing edge of impeller A，B and C

4 外部性能模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析

圖10為在轉(zhuǎn)速760r/imn條件下，A，B，C葉輪模擬與試驗(yàn)的全壓-流量曲線對(duì)比圖。從圖中可看出模擬時(shí)對(duì)應(yīng)流量下的壓力大于試驗(yàn)值，但是分布趨勢(shì)一致。一方面是數(shù)值計(jì)算本身的誤差所造成，另一方面則是因?yàn)槟M時(shí)沒(méi)有包含熱交換器、出口格柵等部件，而出口格柵等造成的阻力損失與流量的平方成正比，熱交換器造成的阻力損失與流量的n次方成比例[10]，其中n稍小于2，圖中兩者的壓力差基本滿足上述要求，故認(rèn)為本文中的數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

在實(shí)際工作流量點(diǎn)（3000m3/h）處：模擬結(jié)果中B、C葉輪的壓力較A葉輪分別降低3.1Pa、6.8Pa；試驗(yàn)結(jié)果中B，C葉輪的全壓較A葉輪分別降低2.5Pa、5.2Pa。兩種情況下的壓力降基本相同，說(shuō)明尾緣凹陷會(huì)造成葉輪的做功能力有小幅度的降低。從10（b）中可以發(fā)現(xiàn)，B葉輪的壓力特性與A葉輪差異較小，而C葉輪的壓力特性與A葉輪相差較大，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，尾緣凹陷向葉輪中部的深入對(duì)其壓力特性基本無(wú)影響，當(dāng)超過(guò)一定范圍，葉輪全壓將大幅降低。

圖11為在轉(zhuǎn)速760r/min條件下，A，B，C葉輪模擬與試驗(yàn)的功率-流量曲線對(duì)比圖。在實(shí)際工作流量點(diǎn)（3000m3/h）處：模擬結(jié)果中B，C葉輪的功率較A葉輪分別降低9.8W、18.7W，占比11.0%、20.9%；試驗(yàn)結(jié)果中B，C葉輪的壓力較A葉輪分別降低24.3W、42.6W，占比16.0%、28.0%。由功率特性分析可得：尾緣凹陷在造成葉輪壓力小幅度降低的條件下能夠大幅度降低葉輪耗功，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

圖11中反映的尾緣凹陷在相同轉(zhuǎn)速下的降功能力中包含了壓力損失所帶來(lái)的功率降。因此為探究尾緣凹陷實(shí)際的節(jié)能效果，通過(guò)相似變換公式，提升B，C葉輪的轉(zhuǎn)速，使其全壓-流量曲線與A葉輪基本吻合來(lái)消除壓損影響。在試驗(yàn)結(jié)果中將B，C葉輪的轉(zhuǎn)速分別提升至775r/min、800r/min時(shí)，其全壓-流量曲線與A葉輪基本相同，如圖12（a）所示，此時(shí)認(rèn)為消除了壓損影響。變轉(zhuǎn)速之后的A,B,C葉輪試驗(yàn)的功率-流量曲線對(duì)比圖如圖12（b）所示。在實(shí)際工作流量點(diǎn)（3 000m3/h）處： B,C葉輪的功率較A葉輪分別降低5.9W、21.7W，占比6.6%、14.3%。由以上數(shù)據(jù)說(shuō)明在現(xiàn)有型線范圍內(nèi)，尾緣凹陷能夠明顯降低葉輪功耗，具有很強(qiáng)的節(jié)能作用。

圖10 A，B，C葉輪模擬與試驗(yàn)的全壓-流量曲線對(duì)比圖（轉(zhuǎn)速760r/min）Fig.10 Theptf-Qcurve comparison chart of simulation and experiment at speed with 760r/min of impeller A，B and C

圖11 A，B，C葉輪模擬與試驗(yàn)的功率-流量曲線對(duì)比圖（轉(zhuǎn)速760r/min）Fig.11 Thep-Qcurve comparison chart of simulation and experiment at speed with 760r/min of impeller A，B and C

圖12 A，B，C葉輪試驗(yàn)的全壓/功率-流量曲線對(duì)比圖(變轉(zhuǎn)速)Fig.12 The comparison of the totalptf-Qcurve andp-Qcurve in the test of impeller A，B and C

5 結(jié)論

本文以尾緣作為切入點(diǎn)進(jìn)行了凹陷改型，并對(duì)設(shè)計(jì)的兩種凹陷程度不同的改型方案進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比了內(nèi)流和性能曲線，得出如下結(jié)論：

1）對(duì)軸流葉輪尾緣進(jìn)行凹陷改型能夠較為明顯的改善葉片表面受力情況與內(nèi)部流動(dòng)，葉頂間隙渦流域稍有減小，角區(qū)分離得到改善，尾跡有比較明顯的減弱；

2）凹陷尾緣有較大的節(jié)能潛力。對(duì)比實(shí)際流量工作點(diǎn)，在相同轉(zhuǎn)速下，尾緣凹陷使得風(fēng)機(jī)全壓降低5.2Pa，功率降低28.0%；提升轉(zhuǎn)速到同等工況條件下，葉輪功率降低達(dá)14.3%；

3）在現(xiàn)有范圍內(nèi)，尾緣凹陷越深入葉輪中部，其對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)改善與節(jié)能效果越明顯。

[1]田杰.空調(diào)器室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)及其氣動(dòng)聲學(xué)研究[D].上海交通大學(xué),2009.

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Internal Flow and Performance Analysis of an Unshrouded Axial Impeller with Two Types of Concave Trailing Edges

Zhong Liang Jun Wang Bo-yan Jiang Jia-jun Li
（School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology）

The axial unshrouded impeller exhibits a complex inner flow field due to the missing volute casing.Based on the combination of numerical simulation and experimental investigations,a three-bladed axial unshrouded impeller for outdoor air-conditioning is analyzed.To investigate the influence of the impeller trailing edge on the flow characteristics,two concave shaped trailing edges of the impeller are designed and studied by numerical analysis and experimental measurements.The results show that the concave trailing edge can effectively improve the pressure distribution on the blade surface and reduce the pressure difference between the pressure and the suction surface,It also reduces the vortex shedding,attenuates the corner separation,weakens the impeller wake and effectively improves the internal flow of the impeller.The concave trailing edge of impeller reduces the total pressure of the fan by 5.2Pa and the power of fan by 28%when operated at the same rotational speed as the unshrouded impeller.Under the same operating conditions,the impeller power is reduced by 14.3%such that the energy saving benefit is obvious.

unshrouded axial impeller,air conditioning,concave trailing edge,wake

TH432.1；TK05

1006-8155-(2017)04-0008-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.04.0002

2017-01-09 湖北 武漢 430074