軸流風(fēng)扇葉頂溝槽對(duì)間隙流動(dòng)控制機(jī)理研究

胡小文，李景銀，聞蘇平，胡斯特

（1.美的集團(tuán) 中央研究院，廣東佛山 528311；2.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

軸流風(fēng)扇廣泛應(yīng)用于空調(diào)、冰箱和汽車等民用領(lǐng)域及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。由于葉頂間隙的存在，壓力面和吸力面兩側(cè)在葉頂?shù)膲翰顚?dǎo)致風(fēng)扇葉頂存在泄漏流動(dòng)。對(duì)于間隙較大的民用風(fēng)扇，葉頂泄漏流是最重要的氣動(dòng)損失源之一，并具有高度三維特性和非定常特性。而且，葉頂泄漏渦的產(chǎn)生、發(fā)展和破碎導(dǎo)致了較強(qiáng)的渦流噪聲，也是透平機(jī)械系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生主要的來源之一［1-4］。

國(guó)外學(xué)者對(duì)葉輪機(jī)械葉頂泄漏渦的控制發(fā)展了多種方法，對(duì)葉頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理是近些年的研究熱點(diǎn)，葉頂小翼是其中的熱點(diǎn)之一［5-10］。國(guó)內(nèi)學(xué)者如胡小文等［11］研究了吸力面采用葉頂小翼在不同翼寬和葉頂加載對(duì)性能改善的特性，對(duì)吸力面小翼主要作用機(jī)理進(jìn)行了研究。雋智輝等［12-13］對(duì)軸流風(fēng)機(jī)采用小翼進(jìn)行研究，認(rèn)為吸力面小翼可帶來性能的提升。

葉頂開槽對(duì)葉頂泄漏流動(dòng)的影響也開展了一定的研究，目前的研究主要集中在渦輪上，在風(fēng)機(jī)上的研究相對(duì)較少。YE等［14-15］對(duì)葉頂開槽對(duì)OB84軸流風(fēng)機(jī)性能的影響進(jìn)行了數(shù)值和試驗(yàn)研究，分別考察了葉頂凹槽和凸起的影響，發(fā)現(xiàn)了總壓升和功率均下降，效率提高了1.07%。韓少冰等［16］將小翼和凹槽進(jìn)行結(jié)合，發(fā)現(xiàn)可進(jìn)一步削弱葉頂泄漏渦的強(qiáng)度，降低葉柵損失。LIU等［17］研究了NACA0009水翼加工不同深度C型槽后對(duì)葉頂泄漏渦的發(fā)展和空化的抑制，發(fā)現(xiàn)在50%的間隙深度溝槽效果較好。但這種葉頂開槽的研究在風(fēng)扇中很少見報(bào)道。

為了探索軸流風(fēng)扇葉頂溝槽對(duì)葉頂泄漏流控制效果及機(jī)理，本文以某一空調(diào)用軸流風(fēng)扇為研究對(duì)象，基于數(shù)值計(jì)算方法研究了4種不同的葉頂溝槽，分析槽寬比對(duì)風(fēng)扇性能的影響，并研究溝槽對(duì)葉頂泄漏渦發(fā)展及控制的機(jī)理，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了溝槽對(duì)性能和噪聲的影響。

1 幾何模型及數(shù)值研究方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

如圖1所示，本文研究對(duì)象為帶半覆蓋導(dǎo)風(fēng)圈的軸流風(fēng)扇，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為850 r/min，葉輪外徑為420 mm。導(dǎo)風(fēng)圈覆蓋葉片尾部區(qū)域接近30%的弦長(zhǎng)。本文將風(fēng)扇葉片頂部距離導(dǎo)風(fēng)圈的徑向距離定義為間隙TC（tip clearance）。

圖1 軸流風(fēng)扇幾何及計(jì)算域模型Fig.1 Geometric model and computational domain model of axial fan

風(fēng)扇網(wǎng)格及開槽結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，考慮到泄漏渦從葉頂前部就開始發(fā)生，并且沒有導(dǎo)風(fēng)圈的覆蓋，溝槽選擇在葉片葉頂從進(jìn)口往下游的10%葉頂弦長(zhǎng)位置，開槽深度H1等于一倍葉頂間隙高度1 TC。開槽從壓力面（Pressure side簡(jiǎn)稱PS）貫通到吸力面（Suction side簡(jiǎn)稱SS），在壓力面?zhèn)炔鄣膶挾葹锳1，吸力面?zhèn)炔鄣膶挾葹锳2。定義A1/A2為槽寬比，通過調(diào)整A1和A2的寬度來調(diào)整槽寬比。不同寬度比情況下的溝槽模型如表1所示，其中G3O和G3D壓力面?zhèn)炔蹖挾纫恢?，通過改變吸力面寬度實(shí)現(xiàn)從3：1到6：1的槽寬比，而G3D，G3E，G3F 3種溝槽吸力面寬度一致，通過增加壓力面?zhèn)炔蹖挾葋韺?shí)現(xiàn)8：1和10：1的槽寬比。

圖2 葉片網(wǎng)格及開槽結(jié)構(gòu)Fig.2 Grid model and groove structure of blade

表1 溝槽寬度比Tab.1 Groove width ratio

風(fēng)扇的計(jì)算模型見圖1（b），包括進(jìn)口延伸區(qū)、出口延伸區(qū)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。計(jì)算模型均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算為全通道模型，在溝槽部位采用多塊方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成。

圖3 風(fēng)扇總壓系數(shù)隨計(jì)算網(wǎng)格量的變化Fig.3 Change of fan total pressure coefficient with number of computational grids

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

為求解葉頂附近區(qū)域復(fù)雜的湍流流動(dòng)，本文研究求解雷諾時(shí)均N-S方程，對(duì)于湍流黏性項(xiàng)通過SST k-ω模型來描述，采用SST k-ω模型對(duì)近壁面的低雷諾數(shù)區(qū)進(jìn)行直接求解而不是采用壁面函數(shù)法進(jìn)行擬合，且該模型在大量的葉輪機(jī)械數(shù)值研究中被證明是結(jié)果較為合適的一種湍流模型［18-23］。

計(jì)算時(shí)進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界，給定總壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、總溫度為293.15 K，由于上游有換熱器，進(jìn)口湍流強(qiáng)度給定5%的湍流強(qiáng)度，出口給定流量邊界。為減弱數(shù)值反射效應(yīng)，進(jìn)口和出口延伸分別為4倍和5倍的弦長(zhǎng)。

1.3 試驗(yàn)測(cè)試

噪聲測(cè)試在美的中央研究院按照GB/T6882-2008和ISO3745-2003標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的半消聲室內(nèi)完成，半消音室介質(zhì)頻率≤100 Hz，背景噪聲低于20 dB，溫濕度可自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍-15～55 ℃，濕度范圍30%～90%RH（relative humidity）。本文研究中的數(shù)據(jù)主要采用前方測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置于正對(duì)著距離風(fēng)扇中心長(zhǎng)1 m和高1 m的位置，測(cè)點(diǎn)布置示意如圖4所示。

圖4 噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)示意Fig.4 Schematic diagram of noise test points

2 結(jié)果及分析

2.1 葉頂開槽對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能的影響

風(fēng)扇的主要?dú)鈩?dòng)性能為效率和總壓。圖5示出了不同葉頂開槽結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇在設(shè)計(jì)工況下，相對(duì)于原型風(fēng)扇的仿真效率和總壓性能的變化情況。

圖5 溝槽寬度比對(duì)風(fēng)扇性能的影響Fig.5 Effect of groove width ratio on fan performance

從圖中可以看到，在葉片頂部10%弦長(zhǎng)設(shè)計(jì)的不同寬度比的溝槽對(duì)總壓效率均起到正面的作用，且溝槽寬度比越大，總壓效率越高。然而，溝槽寬度比對(duì)風(fēng)扇的總壓影響有些不同，在寬度比較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇總壓出現(xiàn)接近0.5%的輕微下降，但隨著寬度比增加到G3E方案的8.0左右，葉頂溝槽基本不對(duì)總壓產(chǎn)生影響。其原因是在溝槽寬度比逐漸增加時(shí)，對(duì)葉頂流動(dòng)的改善導(dǎo)致風(fēng)扇效率提高克服了溝槽帶來的泄漏的影響，因此總壓逐漸回升。

2.2 對(duì)葉頂泄漏渦的作用及機(jī)理

為了揭示葉頂溝槽對(duì)葉頂泄漏渦的抑制作用，葉頂泄漏渦以下簡(jiǎn)稱TLV（tip leakage vortex），圖6示出了以Q判據(jù)為定義的渦等值面云圖，圖中包括不同葉頂溝槽參數(shù)對(duì)葉頂泄漏渦發(fā)展的控制情況和渦強(qiáng)度的云圖。對(duì)于原型不帶凹槽的工況，圖6（a）可以看到在葉片頂部靠近葉片前緣位置，形成了典型的軸流風(fēng)機(jī)葉頂泄漏渦結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生后不再受干擾，貼著吸力面?zhèn)认蛄鞯老掠伟l(fā)展，且TLV影響區(qū)域面積逐漸增大。圖5中的云圖對(duì)應(yīng)的3個(gè)截面分別為20%，30%和40%弦長(zhǎng)截面的渦旋強(qiáng)度，用于表征葉頂附近泄漏渦強(qiáng)度。

帶溝槽的葉頂泄漏渦發(fā)展情況如圖6（b）～（e）所示，對(duì)比原型，TLV在經(jīng)過溝槽時(shí)受到?jīng)_擊作用，有一個(gè)遠(yuǎn)離吸力面表面的趨勢(shì)。同時(shí)在溝槽下游葉片頂部形成了新的葉頂泄漏渦結(jié)構(gòu)，新的葉頂泄漏渦結(jié)構(gòu)文中簡(jiǎn)稱為NTLV（new tip leakage vortex）。在小的槽寬比（如圖 6（b））時(shí)，NTLV的形成對(duì)原TLV的發(fā)展產(chǎn)生一定的干擾，原TLV向下游發(fā)展渦核有減小的趨勢(shì)。但原TLV范圍仍然較強(qiáng)并繼續(xù)向下游發(fā)展，新NTLV強(qiáng)度相對(duì)較小，發(fā)展范圍有限，而且NTLV在和原TLV發(fā)生干涉后，到下游很快消失。

圖6 不同溝槽寬度比對(duì)葉頂泄漏渦的控制Fig.6 Control of effect of different groove width ratio on tip leakage vortex

為了進(jìn)一步確定溝槽對(duì)TLV的沖擊作用，圖7示出了G3D模型溝槽橫切面的速度場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)溝槽從壓力面往吸力面引入了一股射流，該射流對(duì)原TLV產(chǎn)生明顯沖擊效果，直接導(dǎo)致TLV與葉片吸力面的距離增加。然而也需要注意的是，在射流的引入同時(shí)也導(dǎo)致了吸力面在溝槽后的局部分離，會(huì)帶來一定的流動(dòng)損失。

從圖7中可以看到，溝槽的主要作用機(jī)理是產(chǎn)生射流作用，將原TLV吹離葉片吸力面。同時(shí)在溝槽下游頂部產(chǎn)生一個(gè)新的泄漏渦NTLV，新的泄漏渦NTLV與原TLV旋向相同，并與原TLV產(chǎn)生干涉作用，降低原TLV的強(qiáng)度。

圖7 溝槽橫切面的速度場(chǎng)Fig.7 Velocity field of cross section of groove

當(dāng)溝槽寬度比增加時(shí)，射流強(qiáng)度也會(huì)增加。對(duì)比溝槽G3D和G3O流動(dòng)可以明顯看到射流強(qiáng)度增加，這進(jìn)一步地導(dǎo)致原TLV的強(qiáng)度減弱。當(dāng)持續(xù)增加寬度比時(shí)，如G3E，射流作用進(jìn)一步增強(qiáng)，原TLV和NTLV作用在截面1附近發(fā)生干涉后幾乎消失，在截面2，3可以觀察到明顯的渦強(qiáng)度下降。但當(dāng)槽寬比進(jìn)步一增加到G3F時(shí)，溝槽下游的新NTLV將取代原TLV的位置，但強(qiáng)度也會(huì)減弱。

盡管從風(fēng)扇效率的角度看，G3F溝槽具有更高的效率。似乎更大的寬度比會(huì)獲得更高的效率，但隨著NTLV的逐漸增強(qiáng)，將會(huì)逐漸替代甚至超過原渦TLV的強(qiáng)度，可能引起性能下降，這有待進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。

表2給出了不同溝槽導(dǎo)致的渦Q判據(jù)等值面面積相對(duì)原型的變化情況，分別取3×106s-2和4×106s-2兩種等值面進(jìn)行分析。對(duì)比可以看出相對(duì)于原型，本文研究的不同寬度比溝槽都帶來了渦Q判據(jù)等值面面積的下降，其中下降效果最為明顯的方案是G3E方案，下降幅度達(dá)到11%～13%，而下降最少的G3O也有接近4%～6%下降。因此，葉頂溝槽對(duì)葉頂泄漏渦的發(fā)展起到了明顯的抑制效果。在8：1的槽寬比時(shí)渦Q判據(jù)等值面面積最小，但隨后進(jìn)一步增加槽寬比，反而會(huì)帶來渦Q判據(jù)等值面的增加。該趨勢(shì)和前面對(duì)泄漏渦強(qiáng)度的分析內(nèi)容結(jié)論一致。

表2 不同溝槽導(dǎo)致的相對(duì)渦面積變化Tab.2 Variation of relative vortex area caused by different grooves

2.3 風(fēng)扇性能測(cè)試及對(duì)比分析

為了驗(yàn)證溝槽對(duì)風(fēng)扇性能的影響，選擇對(duì)泄漏渦控制效果最好的G3E溝槽進(jìn)行模型加工，并對(duì)原型和G3E兩種情況進(jìn)行性能和噪聲試驗(yàn)測(cè)試。圖8，9分別示出了風(fēng)扇對(duì)性能和噪聲影響的測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示了G3E溝槽在效率上的優(yōu)勢(shì)，電機(jī)功耗約比原型下降1.4%。同時(shí)噪聲也有不同程度的降低，在設(shè)計(jì)工況下G3E溝槽風(fēng)扇比原型風(fēng)扇噪聲下降0.4 dB（A）。另外從1/3倍頻程看，G3E溝槽帶來的降噪效果主要集中在頻率為2 000 Hz及以上的中高頻噪聲。因此，G3E的溝槽對(duì)葉頂泄漏渦的控制在風(fēng)扇輻射噪聲的控制上也是有益的，而葉頂泄漏渦對(duì)應(yīng)的噪聲頻段通常也被認(rèn)為是中高頻的頻段。

圖8 溝槽對(duì)風(fēng)扇性能的影響Fig.8 Effect of grooves on fan aerodynamic performance

圖9 溝槽對(duì)風(fēng)扇噪聲的影響Fig.9 Effect of grooves on fan noise

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值和試驗(yàn)方法研究了軸流風(fēng)扇10%弦長(zhǎng)位置葉頂溝槽對(duì)葉頂泄漏流動(dòng)控制的效果及作用機(jī)理，得到以下結(jié)論。

（1）槽寬比從 3：1到 10：1，風(fēng)扇效率均得到明顯改善，槽寬比越大效率改善效果越明顯，最高改善2.5%，同時(shí)總壓升下降，其下降程度隨開槽寬度比增加而降低。

（2）溝槽的作用機(jī)理是產(chǎn)生了從壓力面到吸力面的射流作用，將原TLV吹離葉片吸力面，并在溝槽下游葉片頂部產(chǎn)生一個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的新泄漏渦NTLV，與原TLV產(chǎn)生干涉作用，降低了葉頂泄漏渦的強(qiáng)度。

（3）隨著溝槽寬比增加，射流的作用逐漸增強(qiáng)，NTLV作用也逐漸增強(qiáng)，并逐漸替代原LTV，然而過度增加槽寬比可能會(huì)引起NTLV的強(qiáng)度增加顯著。

（4）溝槽對(duì)TLV的控制作用也一定程度的控制了葉頂泄漏渦產(chǎn)生的噪聲，主要表現(xiàn)在中高頻段有明顯下降。