許名珞/東南大學機械工程學院

基于流固耦合仿真的小型軸流風扇優(yōu)化設計

許名珞/東南大學機械工程學院

0 引言

軸流風扇作為一種通用葉輪機械，被廣泛應用在生產生活的各個行業(yè)。目前軸流風扇普遍存在效率低、噪聲大的問題，因此對軸流風扇的技術優(yōu)化展開研究工作是十分必要的。近些年來，葉片彎掠技術在葉輪機械領域顯示了良好的應用前景。經過大量實踐證明，采用葉片彎掠技術可以有效地實現(xiàn)減小流動損失、提高氣動效率以及降低氣動噪聲的目的[1-4]。此外，軸流風扇的葉片翼型、安裝角、葉片數等主要結構參數將直接影響其流量、靜壓、軸功率等氣動性能[5-7]。

本文的研究對象為格力博公司的一款小型軸流風機。針對其出風口流量較小的問題，決定對其軸流風扇這一關鍵部件在原有基礎上進行優(yōu)化設計。本文首先利用CFD技術進行軸流風扇優(yōu)化[8]，決定選用新的AH79-100C翼型作為風扇葉片翼型，改安裝角為32.5°，設計葉片周向后彎8°。然后基于流固耦合仿真技術，對新風扇進行了強度校核。數值仿真結果表明：仿真結果與企業(yè)實驗測試結果相符，優(yōu)化后的軸流吹風機出口流量比優(yōu)化前提高了10.59％，新軸流風扇的強度也滿足設計要求，總體達到了優(yōu)化目標。

1 數值模型的建立

圖1 軸流風機幾何模型及網格模型圖

隨著CFD技術發(fā)展的日漸成熟，其數值解法日趨多樣化。根據離散原理不同，CFD數值解法大體可分為三種方法：有限差分法、有限元法和有限體積法[9]。本文基于商業(yè)軟件FLUENT采用有限體積法和多重參考坐標系法（MRF）對模型進行求解[10]。

1.1 幾何模型與網格劃分

根據企業(yè)提供的軸流吹風機實物模型，利用三維造型軟件Solidworks建立簡化后的軸流吹風機幾何模型，如圖1（a）所示。模型主要包括進風管、軸流風扇、導流葉片、導流錐、出風管。

在FLUENT的前處理軟件Gambit中對幾何模型進行網格離散?？紤]到風扇、導流葉片等結構復雜，將流體區(qū)域采用非結構化四面體網格進行劃分，同時為了提高計算結果的準確性合計算效率，在風扇附近的旋轉流體區(qū)域和導流葉片處流體區(qū)域細化網格，網格總數為8 756 257，如圖1（b）所示。

1.2 邊界條件設置

邊界條件是定義計算區(qū)域邊界未知量或其倒數的函數，是求解CFD問題的必要條件。根據流場解法的不同，對邊界條件的處理方式也不同。本文軸流風機模型所用到的邊界條件有：壓力進口、壓力出口、壁面、內部連通面和流體區(qū)域。如圖2（a）所示。由于本文將空氣作為不可壓縮流體且進、出風口分別與大氣相連通，故將進、出風口邊界條件分別設置為壓力進口和壓力出口；將軸流風扇、導流葉片、導流錐以及進出風管壁面都設置為壁面；將旋轉流體區(qū)域與整個計算域的交界面設置為內部連通面；將進、出風管道和旋轉流體區(qū)域均設置為流體區(qū)域。

1.3 初始環(huán)境及求解策略

在FLUENT軟件中，模型的數值計算是通過在網格節(jié)點上定義控制方程組，對各方程組進行求解，從而得到單位網格的質量和速度等關系特征。由于本文建立的軸流風機模型結構簡單，其管道內空氣流動狀態(tài)并不是很復雜，因此采用標準k-ε湍流模型進行計算。流場算法則選取工程上應用最廣泛的壓力耦合方程組的半隱式解法，即SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-linked Equations)算法。控制方程選取三維穩(wěn)態(tài)下的質量守恒方程和動量守恒方程。收斂準則和松弛因子設置均采用FLUENT軟件中的默認設置。

2 仿真結果及分析

根據企業(yè)的測試報告，軸流風機在風扇轉速為18 900r/min時進行出口流量測試，因此進行數值仿真時，旋轉區(qū)域轉速設置為18 900r/min，流場計算結果如表1所示。

表1 軸流風機流場計算結果

企業(yè)在樣機測試中測得出口風速為45m/s，而流場仿真結果為出口體積流量為0.148 3m3/s，即風速為44.7m/s，實驗與仿真結果非常接近，因此所建立的軸流風機流場數值仿真模型能夠準確反映實際情況。

本文中的軸流風機幾何模型具有軸對稱的特點，因此其中軸面的流場分布情況可以反映整個流場，軸流風機中軸面靜壓云圖如圖2（a）所示，速度云圖如圖2（b）所示。

圖2 軸流風機流場靜壓和速度分布圖

從流場靜壓云圖來看，進風管道和出風管道的壓力分布都很均勻，說明在進風管道和出風管道處沒有空氣回流現(xiàn)象，導流葉片和導流錐起到了很好的整流作用。從流場速度云圖來看，風扇處有較多的回流和渦流，特別是葉尖處流速較大，回流和渦流現(xiàn)象明顯。受風扇回流和渦流的影響，風扇進風口空氣流速逐漸增加，進風管道內流速分布不均勻。因此要想達到提高出風口風速的目標，只能通過減小風扇處回流和渦流現(xiàn)象，從優(yōu)化軸流風扇方面展開工作。

3 軸流風扇的優(yōu)化

目前國內外學者大多采用建立風扇風道模型來研究風扇性能。根據文獻[11]，本文采用管道進口、管道出口風扇性能測試要求建立風扇風道幾何模型，其中進風管道長度為4倍風扇當量直徑，出風管道長度為6倍風扇當量直徑。風道截面為圓形，直徑等于風扇當量直徑。建立完成的風扇風道幾何模型如圖3所示。

圖3 風扇風道幾何模型

原軸流風扇的葉片翼型為NACA4409翼型，翼型幾何圖形和風扇三維模型如圖4所示。原風扇的主要結構參數為：葉片數為11，葉輪直徑為89mm，輪轂直徑為57mm，葉根安裝角為30°，葉片偏轉角為24°，無彎掠角。

圖4 NACA4409翼型及原風扇三維模型圖

本文針對軸流風扇葉片翼型、葉根安裝角以及葉片彎掠角進行優(yōu)化設計，共設計了4個新風扇。依次編號如下：原風扇為0號，只改變安裝角的新風扇為1號，只改變葉片翼型的新風扇為2號，設計后彎角的為3號，同時改變葉片安裝角和翼型，并設計后彎角的新風扇為4號。AH79-100C翼型與4號新風扇的三維模型如圖5所示。

圖5 AH79-100C翼型及4號新風扇三維模型圖

參照軸流風機流場數值模型的建立過程，建立原風扇和新風扇的風道流場數值計算模型，設置風扇轉速為20 000r/min，并利用FLUENT軟件進行仿真計算。原風扇與新風扇結構參數及流場仿真計算結果比較如表2所示。

由0號風扇與2號風扇的計算結果對比可知，AH79-100C翼型比NACA4409翼型具有更好地氣動特性。相比于NACA4409翼型風扇，AH79-100C翼型風扇流量提高了4.50％。由4號風扇的計算結果可知，改風扇翼葉片翼型為AH79-100C，增大葉根安裝角為32.5°，設計后彎角為8°，風扇出口流量較原風扇提高7.11％。

將新風扇參數代入到軸流風機流場數值計算模型中，評價新風扇對軸流風機流場的影響，結果如表3所示。

由表3可知，更換新風扇后，軸流風機出口流量增加10.59％，達到企業(yè)要求的優(yōu)化目標（10％）；新風扇的軸功率為441W，也在企業(yè)可以接受的范圍之內（＆lt;500W）；新風扇的全壓效率較原風扇也略微有所提高。因此從流場計算結果來看，更換新風扇能使軸流風機性能得到改善。

4 新風扇葉片強度校核

風扇在高速旋轉時會受到離心力以及風載荷的作用，從而風扇內部產生應力并引起變形，因此需要對新風扇進行強度校核，保證其最大應力和最大變形量均保持在許可范圍之內。本文基于流固耦合仿真技術，在商業(yè)軟件ANSYS的Workbench平臺上對新風扇進行結構分析時將流場計算所得風載荷施加到模型中，可以提高結構分析的準確度。

新風扇在實際工作中，其輪轂處有一個直徑為12.5mm的軸孔，實現(xiàn)與驅動軸的配合。在結構分析的過程中需要在此軸孔上施加圓柱面約束（Cylindrical Support），因此在新風扇三維模型中添加軸孔。此外，在風扇旋轉中心處施加慣性載荷Rotational velocity，設置轉速為18 900r/min；通過Workbench平臺中的流固耦合分析子模塊[FSI：Fluid Flow（FLUENT）-＆gt;Static Structural）]，在模型中導入風載荷。風載荷導入情況如圖6（a）所示，約束和載荷施加情況如圖6（b）所示。

表2 原風扇與新風扇結構參數及流場仿真結果對比表

表3 新風扇對軸流吹風機流場影響表

圖6 流固耦合分析中約束和載荷的施加情況圖

在模型中設定風扇材料為PA6，密度為1 120kg/m3，楊氏模量為2.62e9Pa，泊松比為0.34。前處理完成后對模型進行計算，得到風扇變形云圖如圖7（a）所示，應力云圖如圖7（b）所示。

圖7 變形云圖與應力云圖

由圖8可知，新風扇的最大變形發(fā)生在葉尖處，最大變形量為0.27mm，小于最大允許值0.50mm；最大應力發(fā)生在葉根處，最大應力值為7.01MPa，小于最大允許值51MPa，因此新風扇滿足強度要求。

5 結論

1）原軸流吹風機的風扇處有較多的回流和渦流，特別是葉尖處流速較大，回流和渦流現(xiàn)象明顯。受風扇回流和渦流的影響，風扇進風口空氣流速逐漸增加，進風管道內流速分布不均勻。

2）AH79-100C翼型具有比NACA4409翼型更好的氣動特性，相比于NACA4409翼型風扇，AH79-100C翼型風扇流量可提高4.50％。

3）將風扇葉片翼型由NACA4409翼型改為AH79-100C翼型，適當增大葉片安裝角，合理設計葉片后彎角，能夠提高風扇氣動性能，新風扇能使軸流風機出口流量增加10.59％。

4）基于ANSYS的Workbench平臺，利用流固耦合仿真分析的方法在風扇葉片上添加流場計算得到的風載荷，對新風扇進行強度校核，結果表明新風扇是滿足強度要求的。

本文的研究成果已應用到某型號軸流風機中，解決了其出風口流量較小的問題，同時對其他設備中軸流風扇的設計也有重要的參考價值。本文僅側重研究了軸流風機的流場相關問題，還需進一步對軸流風機的氣動噪聲進行研究。

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為了解決某初步設計的軸流吹風機出風口流量較小的問題，本文對軸流風扇了進行優(yōu)化設計，最終將風扇葉片翼型由NACA4409翼型改為AH79-100C翼型，葉片安裝角由30°增大為32.5°，設計葉片后彎角為8°。基于計算流體力學理論，建立了軸流吹風機流場和軸流風扇風道流場的數值計算模型，運用Fluent軟件進行流場數值仿真?；贏NSYS軟件的Workbench平臺，利用流固耦合仿真分析方法對優(yōu)化后的軸流風扇進行結構分析，校核了新風扇的強度。數值仿真結果表明：仿真結果與企業(yè)實驗測試結果相符，優(yōu)化后的軸流吹風機出口流量較優(yōu)化前增加了10.59％，新風扇軸功率滿足企業(yè)要求，強度也滿足設計要求，總體達到了優(yōu)化目標。

軸流風扇；翼型；后彎角；計算流體力學；流固耦合；優(yōu)化；強度校核

Optimization of Small Axial-flow Fan Based on Fluid-structure Interaction Simulation

Xu Mingluo/School of Mechanical Engineering,Southeast University

axial-flow fan;airfoil; back-bending angle;computational fluid dynamics;fluid-structure interaction；optimization；strength check

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）01-0028-06

10.16492/j.fjjs.2015.01.126

2014-09-02江蘇南京211189

Abstract:In order to address the small outlet flowrate issue of a preliminary designed axial flow fan,this paper optimizes the axial-flow fan,changed the airfoil of fan blades from NACA4409 to AH79-100C,increased the blades setting angle from 30 to 32.5 degrees,and designed the blade back-bending angle of 8 degrees.Based on the theory of computational fluid dynamics,a numerical model to compute the air-flow field and the axial-flow fan duct is set up and Fluent software is used to numerically simulate on flow field.Based on the ANSYS Workbench Platform,structural analysis for the optimized axial-flow fan using fluid-structure interaction simulation method is made,and the strength of the new fan is checked.The simulation resultsshow that simulation results coincide with enterprise test results,the outlet flowrate of the optimized axial flow fan increased 10.59％,the shaft power of new axial-flow fan meets enterprise requirements,the strength also meets the design requirements,and the optimization goals are achieved.