李 妥 劉志偉 孔維雙 施正香 丁 濤

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，北京 100083； 2.北京市供水管網(wǎng)與安全節(jié)能中心，北京 100083； 3.中國農(nóng)業(yè)大學后勤基建處，北京 100081； 4.農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點試驗室，北京 100083)

在現(xiàn)代化溫室和畜禽舍農(nóng)業(yè)設(shè)施中，農(nóng)用風機可以實現(xiàn)溫室和畜禽舍內(nèi)外空氣交換，改善溫室和畜禽舍內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量。我國農(nóng)用軸流風機能效約為20%～40%，與美國、歐洲等發(fā)達國家農(nóng)用軸流風機相比，效率普遍偏低。因此，使用技術(shù)手段提高農(nóng)用軸流風機的風量和能效是解決問題的有效途徑，其中仿生結(jié)構(gòu)在葉輪機械上的應用逐漸增加。

已有研究發(fā)現(xiàn)，仿生軸流通風機葉頂渦流相對原型機減少，葉頂速度遞變減緩，具有較好的增壓效果，溝槽對于平板減阻效果較好。進一步發(fā)現(xiàn)葉片的光滑程度對性能也是有影響的，非光滑葉片的不同溝槽尺寸會改變風扇的氣動性能，順葉片表面流向布置的細小條狀結(jié)構(gòu)會改變湍流壁面的雷諾應力，減小壁面的摩擦阻力。對溝槽平板減阻進行了試驗研究，得到近壁面區(qū)域流體的速度分布，并取得了較好的減阻效果，由于后半部分容易產(chǎn)生邊界層的分離，因而阻力減小較多。流態(tài)分析的過程中引入導數(shù)矩理論，建立了流場特征變量與渦量之間的關(guān)系。應用周向渦量分析方法對流場進行了診斷和分析，并以此優(yōu)化了壓縮機的結(jié)構(gòu)。目前適用于我國的畜禽舍農(nóng)用軸流風機葉片的優(yōu)化設(shè)計研究較少，國內(nèi)風機廠家的風機葉片設(shè)計大多依靠經(jīng)驗和模仿國外先進的葉片優(yōu)化技術(shù)。

本研究基于一款MODEL YJD90S-4鍍鋅鐵皮農(nóng)用軸流風機，擬采用風室試驗、逆向建模、CFD數(shù)值模擬、引入周向渦量分析法，在原型風機葉片模型基礎(chǔ)上進行凹槽參數(shù)化建模，并對其進行數(shù)值模擬計算，對比分析凹槽葉片對風機性能的影響，以期為國內(nèi)農(nóng)用風機廠家提供一定的優(yōu)化路線，同時達到提高農(nóng)用軸流風機風量和能效比的目的。

1 數(shù)值模擬

1.1 原型風機及測試平臺

本研究選取的研究對象原型為MODEL YJD90S-4鍍鋅鐵皮軸流農(nóng)用軸流風機(圖1)，基本參數(shù)為：6葉不銹鋼葉片，葉輪直徑127 cm，外形尺寸138 cm×138 cm，8扇百葉，百葉窗尺寸130 cm×130 cm，電動機額定功率1.1 kW。

1.鍍鋅鐵皮機匣；2.輪轂；3.百葉窗；4.不銹鋼葉片 1.Galvanized iron sheet casing; 2.Wheel hub; 3. Shutter; 4.Stainless steel blade圖1 原型風機實物圖Fig.1 Entity of prototype fan

為獲得原型風機性能參數(shù)，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點試驗室進行原型風機性能試驗測試。通風設(shè)備性能測試裝置(圖2)的最大風量為60 000 m/h，額定功率為37 kW，采用變頻直流方式對變頻輔助風機進行30～1 500 r/min的調(diào)速。測試平臺包括：變頻輔助風機、整流網(wǎng)、噴嘴、畢托管及待測風機。其中，變頻輔助風機用來形成風速條件；整流金屬網(wǎng)可以使待測風機入口的氣流更平穩(wěn)，消除因氣壓調(diào)節(jié)而造成的氣流不平穩(wěn)的問題；壁面噴嘴可以提高氣流速度；傾斜畢托管微壓力計連接在噴嘴前后，測量空氣的流量和靜壓差。其建造和使用風室均符合國家及國際標準，測試參數(shù)包括：風機各工況下的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、風量、能效比等。

1.變頻輔助風機；2.整流網(wǎng)；3.噴嘴；4.畢托管；5.待測風機 1.Frequency conversion auxiliary fan; 2.Rectifying the net; 3.Nozzles; 4.Pitot; 5.Fan to be tested圖2 通風設(shè)備性能測試裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ventilation equipment performance test device

1.2 原型風機建模及凹槽方案

本研究選取的原型風機葉片為三維空間扭曲葉片，其物理模型較為復雜，所以采用逆向工程技術(shù)建模方法，使用便攜式激光掃描儀，對原型風機葉片實體進行掃描，結(jié)合商業(yè)NX 12.0建模軟件，建立原型風機葉片物理模型(圖3)。

圖3 原型風機葉片正視圖(a)、側(cè)視圖(b)及單個葉片(c)物理模型Fig.3 Front view (a), side view (b), single blade (c) physical models of prototype fan blade

原型風機的葉輪材質(zhì)為不銹鋼，加工方式為不銹鋼沖壓成型，因此設(shè)計原型風機葉輪上的凹槽，需要考慮不銹鋼材質(zhì)特性和沖壓加工工藝。凹槽布置在葉片模型表面，凹槽的沖壓方向為自葉片壓力面至葉片吸力面；單凹槽布置時，凹槽與葉片前緣和后緣的交點距旋轉(zhuǎn)中心的距離分別定義為

R

和

R

；凹槽設(shè)計為圓弧，半徑為

R

；凹槽的沖壓寬度為沖壓模具寬度，定義為

D

，以上參數(shù)即可確定凹槽的位置及形狀。多個凹槽布置時，凹槽與25%

h

處葉片前緣和后緣的交點距旋轉(zhuǎn)中心的距離分別定義為

R

和

R

，凹槽與75%

h

處葉片前緣和后緣交點距旋轉(zhuǎn)中心的距離分別定義為

R

和

R

，進行葉片參數(shù)化建模，葉片凹槽幾何參數(shù)示意見圖4。

R1 和R2分別為凹槽與葉片前緣和后緣的交點距旋轉(zhuǎn)中心的距離；R為凹槽設(shè)計圓弧半徑；D為凹槽寬度。表1同。 R1 and R2 are respectively the distance between the intersection point of the groove and the leading edge and the trailing edge of the blade and the rotation center; R is the radius of the groove design arc; D is the width of the groove.Table 1 is the same.圖4 葉片凹槽幾何參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of geometrical parameterization of blade grooves

本研究分別以凹槽寬度

D

=6、8、10、12 mm，

R

分別為25%

h

、50%

h

和75%

h

(

h

為葉高，全文同)，開單槽、雙槽3個因素進行排列組合，制定了24種開槽方案，對所有方案進行數(shù)值模擬并進行周向渦量分析篩選得出最優(yōu)的3種凹槽方案，參數(shù)見表1。

1.3 計算域邊界條件設(shè)置

將密閉風室測試平臺畢托管靜壓測量點的位置作為計算域進口，進口面尺寸為風室截面尺寸，即274 cm×274 cm。風機模型為三維掃描重構(gòu)的幾何模型，省略了電動機、膠帶輪和支撐架等結(jié)構(gòu)。風機出口接550 cm×550 cm×550 cm的開放域。風機外框被導流罩的豎直壁面分割為前后2部分，進口側(cè)外框與風室合并造型為進口域，出口側(cè)外框與開放域合并造型為出口域。

數(shù)值模擬的計算域邊界條件設(shè)置為：進口與性能試驗測試進口靜壓相對應；出口為0 Pa自由出口；壁面條件為無滑移壁面；轉(zhuǎn)速與性能試驗測試轉(zhuǎn)速相對應。

表1 3種設(shè)計方案葉片凹槽幾何參數(shù)

Table 1 Geometrical parameters of blade groove in three design schemes mm

方案SchemeR1R2RR3R4D1144.7334.4158——102480.8508.1476——103144.7334.4158480.8508.110

注：和分別為開雙槽時，凹槽與75%處葉片前緣和后緣的交點距旋轉(zhuǎn)中心的距離。

Note: and are the distance from the center of rotation between the intersection of the groove and the leading edge and trailing edge of the blade at 75% when double grooves are opened.

1.4 網(wǎng)格劃分

原型風機模型網(wǎng)格劃分采用商業(yè)ICEM CFD 軟件進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。在確保數(shù)值模擬計算結(jié)果精確程度的前提下，以節(jié)省計算資源和減小計算規(guī)模為原則，對計算域模型進行分區(qū)域、分尺度精準劃分，對于影響風機性能最為關(guān)鍵的計算域葉輪部分，進行局部加密處理提升其周圍流域網(wǎng)格質(zhì)量(圖5)。

本研究選取總網(wǎng)格數(shù)分別約為410萬、704萬、912萬和1 180萬共4套網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。計算得到進口靜壓為-29.4 Pa時的原型風機風量分別為37 504、38 309、38 568和38 687 m/h，相鄰兩組的相對誤差分別為2.15%、0.68%和0.31%。綜合考慮各因素，選擇704萬網(wǎng)格數(shù)的網(wǎng)格劃分結(jié)果，計算域各部分網(wǎng)格數(shù)：進口域51萬，旋轉(zhuǎn)域439萬，出口域214萬。

圖5 整體計算域(a)、葉輪(b)和凹槽葉片(c)的網(wǎng)格劃分Fig.5 Meshes of whole domain (a), impeller (b) and fluted blade (c)

1.5 數(shù)值計算方法

利用ANSYS CFX 15.0軟件采用全隱式耦合求解技術(shù)進行穩(wěn)態(tài)模擬，選用RNG k-ε湍流模型，已有研究表明該湍流模型對低壓軸流風機進行性能模擬效果最佳，RNG k-ε湍流模型采用解析式計算湍動能及湍流耗散率的湍流普朗特數(shù)，代替了標準 k-ε 湍流模型中固定不變的湍流普朗特經(jīng)驗常數(shù)，提高了該湍流模型的模擬精確度；同時在湍流耗散率

ε

的輸運方程中加入耗散能修正項

R

有利于對卡門常數(shù)的估算。動量方程對流項和湍流輸運方程對流項采用二階精度格式，求解殘差達到10量級且趨于穩(wěn)定時認為計算收斂。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 模擬及試驗結(jié)果對比

在農(nóng)用風機領(lǐng)域，相比于風機的壓升，風量更直接影響農(nóng)業(yè)設(shè)施的通風換氣效率，因此風量是用戶最為關(guān)注的農(nóng)用軸流風機性能指標。習慣上用能效比

E

表征風機的能效，表示單位耗電量所產(chǎn)生的風量。能效比越高，節(jié)能效果越佳，計算公式為：

(1)

式中：

q

為風量，m/h；

p

為電機輸入功率，W。

原型風機的模擬風量與試驗臺測試結(jié)果見圖6(a)：7個工況點的風量誤差為3.86%～0.04%，平均誤差1.5%。模擬風量與試驗風量的相對誤差較為穩(wěn)定，2條曲線的趨勢較為一致。由于風機傳動結(jié)構(gòu)緊湊，無法布置扭矩儀測量軸功率，能效比的試驗值由試驗風量除以電動機輸入功率得到，而數(shù)值模擬只能得到葉輪軸功率。為了使數(shù)據(jù)更有可比性，將數(shù)值模擬中的葉輪軸功率修正到電機輸入功率，其中電動機效率取規(guī)定的二級能效限定值取84.1%，普通V型膠帶傳動效率取89%，主膠帶輪的軸承效率取94%。對比原型風機能效比模擬值與試驗值(圖6(b))可見，7個工況點的能效比模擬相對誤差為0.33%～7.06%，平均誤差3.08%。模擬能效比和試驗能效比相對誤差較為穩(wěn)定，2條曲線的趨勢較為一致。

圖6 原型風機風量(a)和能效比(b)的模擬值與試驗值Fig.6 Simulation and test values of air volume (a) and energy efficiency ratio (b) of prototype fan

與原型風機相比3種方案風機風量變化量和通風能效相對變化見圖7。可以看出，隨著進口靜壓的由0增大到29.4 Pa，風機風量變化的趨勢為先增加后降低；在農(nóng)用軸流風機常用工作進口靜壓19.6 Pa的工況下，3種方案的風機風量相對原型風機都有提高，采用

D

=10 mm、

R

=75%

h

、開單槽(方案2)時的風機流量提高最為明顯，約為90 m/h。3種方案下的風機能效比均有所提高，變化趨勢為隨著進口靜壓的增加，能效比的相對提高幅度變?。划斶M口靜壓為19.6 Pa時，3種方案的能效比相對原型風機都有所提高，采用

D

=10 mm、

R

=75%

h

、開單槽(方案2)時的通風能效提高最明顯，約為3.2%。

方案1、2、3具體參數(shù)見表1。 Scheme1,2 and 3 are shown inTable 1.圖7 與原型風機相比3種方案風機風量變化量(a)和能效比的相對變化量(b)Fig.7 Compared with the prototype fan, the variation of air volume (a) and the relative variation of energy efficiency ratio (b) of the three schemes

2.2 葉片凹槽對風機流場特性影響

2

.

2

.

1

周向渦量分析法

流體機械性能與旋渦的生成與發(fā)展密切關(guān)聯(lián)，因此控制邊界渦量流在葉片表面的分布，即可達到改善流體機械性能的效果。周向渦量分析方法建立風機性能參數(shù)與渦量參數(shù)的直接數(shù)學物理關(guān)系，直觀定位影響風機性能的根源。

農(nóng)用通風機的葉輪轉(zhuǎn)速通常較高，風機葉片表面會產(chǎn)生復雜的旋渦，產(chǎn)生的部分旋渦對于風機的工作運轉(zhuǎn)做負功?；跍u動力學的局部動力學分析方法分析風機葉片表面渦量流的分布規(guī)律，找到做負功渦量流分布比較集中的區(qū)域，以此定位對風機總壓增益阻礙和影響的動力學根源。調(diào)整和改善該區(qū)域風機葉輪結(jié)構(gòu)，改善負周向渦量分布，提高風機效率。農(nóng)用通風機在運行時，氣體從風機進口到風機出口的過程中，風機葉片對氣體做有用功，即為總壓流，總壓流的表達式如下：

Z

=

p

u

(2)

式中：

Z

為總壓流，m/s；

p

為氣體全壓，Pa；

u

為風機軸向速度，m/s。假定

w

是風機工作流道內(nèi)任一截面，總壓流在

w

截面的積分可以表示為：

(3)

式中：為總壓流增益，即風機流道內(nèi)流體沿程增壓與做功的變化過程，m/s。對式(3)進行分部積分，則有：

(4)

式中：

r

為徑向距離；

θ

為方位角，(°)；

u

為徑向速度，m/s；

w

為周向渦量，s，表達式為：式(4)中，起主要作用的是周向渦量

w

是影響風機性能的主要因素，將計算所得的圓柱坐標系下的流場數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，便可得到直角坐標下的周向渦量

w

。分別將和進行坐標轉(zhuǎn)換，結(jié)果如下：

(5)

式中：

u

、

u

、

u

分別為直角坐標系下

X

、

Y

、

Z

軸方向上的速度，m/s。

(6)

整理式(6)得到周向渦量

w

在直角坐標系下的表達式：

(7)

將數(shù)值模擬計算結(jié)果導入Tecplot，帶入式(7)并對數(shù)值模擬結(jié)果進行計算，便可以得到周向渦量分布云圖。

2

.

2

.

2

葉片軸向

Z

截面周向渦量分析葉片軸向截面(圖8)定義如下：以原型風機計算域模型的旋轉(zhuǎn)軸為

Z

軸，氣體流動方向為

Z

軸正方向，從原型風機葉輪輪轂所在的直角坐標系原點開始，沿

Z

軸正方向每10 mm垂直于

Z

軸取葉片截面，

Z

=0 mm處的截面定義為

Z

截面，

Z

=10 mm處的截面定義為

Z

截面，以此類推。為增加總壓流，從周向渦量分布上，大的正周向渦量應盡量靠近葉尖(機匣)以增大其對總壓流的正貢獻，而大的負周向渦量應盡量靠近葉根(輪轂)，以減小其對總壓流的負貢獻。

1.葉片；2.截面 1. Blade; 2. The cross section圖8 葉片軸向Z截面示意圖Fig.8 Schematic diagram of axial Z-section of blade

農(nóng)用軸流風機的常用進口工作靜壓為20 Pa，選取進口靜壓為19.6 Pa時的數(shù)值模擬計算結(jié)果，分析原型風機與3種開槽方案在該工況下的不同

Z

截面周向渦量分布。選取3種方案的

Z

、

Z

、

Z

截面的周向渦量分布云圖與原型進行橫向?qū)Ρ确治?圖9)。

區(qū)域1、區(qū)域2分別定義為靠近葉頂處和葉根處的負周向渦量聚集區(qū)域?？梢钥闯觯惋L機區(qū)域1的負周向渦量主要分布在葉片表面，區(qū)域2的負周向渦量主要聚集在葉根，距離葉片有一定距離；方案1葉根開槽，阻止了負周向渦量聚集區(qū)向葉根的移動，對總壓流增益起到了負作用。方案2葉頂開槽，阻止了負周向渦量向葉頂?shù)囊苿樱瑢τ诳倝涸鲆嫫鸬搅苏饔?，有利于提升風機整體性能，與原型風機相比區(qū)域2的負周向渦量有向下移動的趨勢，說明負周向渦量向葉根部聚集；可以看出方案3與原型風機相比區(qū)域1有凹槽的出現(xiàn)阻止了負周向渦量向葉頂移動，減小了負增益，區(qū)域2的負周向渦量聚集區(qū)，因為凹槽的出現(xiàn)，阻止了渦量聚集區(qū)向葉根的移動，對總壓流增益起到了負作用，使得該方案并不能明顯提升性能。故從負周向渦量分布來看方案2為較優(yōu)開槽方案。

2

.

2

.

3

周向渦量3D映射圖分析為了更直觀的觀察周向渦量變化，選取原型風機葉片和方案2葉片的

Z

截面進行周向渦量3D映射圖(圖10)分析?？梢钥闯觯~片壓力面正周向渦量在葉頂和輪轂處聚集，有小部分正周向渦量在輪轂和70%

h

附近；葉片吸力面負周向渦量在70%

h

處有聚集，大部分負周向渦量聚集在葉片根部附近。葉片頂部開槽后，壓力面分布的正周向渦量向葉片頂部和輪轂處聚攏，吸力面分布在70%

h

處的負周向渦量向葉片根部移動，葉片根部附近的負周向渦量呈現(xiàn)出收攏的現(xiàn)象，負周向渦量向葉片根部聚集以減小其對總壓流的負貢獻。

1.區(qū)域1，靠近葉頂處的負周向渦量聚集區(qū)域；2.區(qū)域2，靠近葉根處的負周向渦量聚集區(qū)域。 1.Region 1 is defined as the negative circumferential vorticity gathering region near the blade tip; 2.Region 2 is defined as the negative circumferential vorticity gathering region near the blade root.圖9 軸向Z0、Z3和Z6截面軸向渦量圖Fig.9 Axial vorticity diagrams of Z0， Z3 and Z6 sections

X、Y為葉片的空間坐標軸。 X and Y are the spatial coordinate axes of the blade.圖10 原型風機葉片(a)與方案2葉片(b)周向渦量3D映射圖Fig.10 3D mapping of circumferential vorticity of prototype fan blade (a) and blade (b) of scheme 2

3 結(jié) 論

本研究以MODEL YJD90S-4鍍鋅鐵皮軸流農(nóng)用軸流風機為原型，采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對原型風機葉片進行凹槽參數(shù)化建模，采用周向渦量分析法，對比分析了凹槽葉片對風機性能的影響規(guī)律，以及葉片表面周向渦量分布情況，主要結(jié)論如下：

1)使用三維激光掃描和逆向建模建造的原型風機物理模型，其數(shù)值模擬計算結(jié)果能夠很好的與原型風機性能試驗測試結(jié)果吻合，表明逆向建模技術(shù)能夠運用于農(nóng)用軸流風機研究。

2)在農(nóng)用軸流風機常用的19.6 Pa進口靜壓工況下，3種方案的風機流量和能效比相對原型風機都有提高，其中采用

D

=10 mm、

R

=75%

h

、開單槽(方案2)時提高最為明顯，風量約提高了90 m/h，能效比約提高了3.2%。3)分析周向渦量3D映射發(fā)現(xiàn)，采用

D

=10 mm、

R

=75%

h

、開單槽(方案2)時輪轂處的正周向渦量向葉頂處移動，正周向渦量向葉片頂部聚集，增加其對總壓流的正貢獻，使分布在70%

h

處的負周向渦量向葉片根部移動，葉片根部附近的負周向渦量呈現(xiàn)出收攏的現(xiàn)象，負周向渦量向葉片根部聚集以減小其對總壓流的負貢獻。