轴流风机扇叶的流场分析与改进

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1、基于CFD的轴流通风机叶片的流场分析与改进设计摘要：通过计算流体力学（CFD）方法对轴流通风机叶片的流场进行了虚拟样机的数值模拟，不仅得到了流场的工作特性数据，而且提出了对叶片叶型的改进设计方案，并通过真实样机的试验验证了数值模拟分析的正确性和改进设计的可行性。最后，还对数值模拟与真实试验数据之间的差异原因进行了讨论。关键词：轴流式通风机；叶片；CFD；流场分析；改进设计0引言轴流通风机的传统设计方法主要有两种：一种是利用孤立翼型进行空气动力试验所得到的数据进行孤立翼型设计，称为孤立翼型设计方法；另一种是利用平面叶栅的理

2、论和叶栅的吹风试验所得到的数据进行设计，称为叶栅设计方法[1]。试验测量方法所得到的试验结果真实可信，但往往受模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度等的限制，有可能很难通过试验方法得到结果。此外试验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。计算流体力学（CFD）的计算方法是近年来发展起来的新型独立学科，它兼有理论性和实践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的计算技术[2]。轴流通风机叶片作为关键部件，其性能直接影响着风机的性能。轴流通风机设计的主要任务就是设计出

3、能保证各项性能要求的高效率叶片。本文介绍的是采用现今先进的CFD方法，以一款汽车用冷凝器风扇的叶片为例，进行探索性的流场分析与改进设计研究。1叶片的CFD流场分析1.1对象描述该风扇总成的整体三维图如图1所示。叶片直径为250mm，材料为PP，其技术要求：在静压p=－50Pa（风机进口处的压力比周围空气低50Pa），转速为2600r/min的情况下，风扇总成在一个标准大气压、温度为20℃、相对湿度为50%的空气，用标准电机在12V的电压下进行送风测试时，其送风量应≥900m3/h，标准电机工作电流应≤7A。图1分析对象—

4、—风扇总成的三维图1.2划分网格7计算流体力学作为工程应用的有效工具，所面临的关键技术之一就是生成网格的质量的好坏，它直接影响到模拟结果的精度和所耗用的CPU时间。在计算敏感区域（壁面附近、尾流块、外形曲率大的表面）参数变化梯度大，如果网格太稀疏，则不能捕捉到流场的重要信息，造成误差大，甚至解不能收敛，故需取较密的一些网格；而在非计算敏感区域参数变化梯度较小，如果网格太稠密，则所耗用的CPU时间长，故应取较稀一些的网格。因此，应根据需要安排网格疏密。另外，曲线应尽量光滑，不能过分扭曲。在CFD的实际应用中，计算量一般非常

5、大，合理划分网格可以大大节省机时，还可以避免自动网格划分中带来的过度疏密。高正交网格和高效展玄比是高质量网格的2个基本要素，它直接影响到计算的收敛时间和稳定性。显然该叶片是周期对称的，因而选用1/5的叶片进行计算。根据经验及反复调整，得到36万节点的扇叶周围气体的网格如图2所示，其网格参数的评价结果（见表1）显示该生成的叶片网格是高效网格。为了避免因为网格密度不足而造成计算不可靠的影响，对改进前后的叶片的计算域均进行加大网格密度的验证，由原来36万节点的网格加密为92万节点的网格。对加密的网格进行计算得到的结果与原结果对

6、比，误差不超过万分之一，说明原计算所用的网格密度足够，其计算结果是可靠的。图2生成的叶片周围气体的网格表1网格的评价结果网格最小夹角网格最大夹角相临单元体积最大比最小单元体积展玄比37.2807°142.003°8.72316.57807e-12m326.84331.3边界条件及求解参数设置在进行CFD流场分析时所采取的部分边界条件及参数设置如下：（1）对流方式：选用k-wSST（剪切应力输运模型[3]）模型；（2）采用旋转坐标系的方法，设置计算域转速为技术要求的工作转速2600r/min；（3）取参考压力为101325

7、Pa，通过试算设定进口总压条件，调节进口总压的相对值使进口静压达到－50Pa，此时总压相对值约为－29Pa；（4）由于在距叶片相对较近的一段距离内气体总压变化不大，且出口与大气相连，因而对风机出口设定出口平均静压相对值为0Pa；（5）对于流线罩，考虑到实际状态为静止部件，其与叶片的距离较近，有相互作用，因而在边界条件中设为反向旋转的墙，即在旋转坐标系中流线罩是运动的。但由于流线罩是圆周对称的圆柱面，不会造成计算区域不稳定的问题；（6）由于叶片顶部与流线罩相互作用强烈，生成叶片网格时将扇叶与流线罩间单独分两个重合的面。利用

8、两个重合的面建立一液体对液体的接触面边界条件。该边界条件充分利用了其可允许压力突变的特点，将叶片顶部与流线罩的复杂流动通过两个重合面与叶片面分成流动相对平稳的两个区域。对于周期面自然选用周期边界条件，其余的面采用缺省的无滑移壁面边界条件。（7）收敛控制与收敛准则：求解器的时间步长设为“自动调整时间步长”；最大迭代次数