船用离心风机叶片开槽对气流流动特性的影响

董兴杰，楚武利，卜远远

(西北工业大学，陕西 西安 710072)

船用离心风机叶片开槽对气流流动特性的影响

董兴杰，楚武利，卜远远

(西北工业大学，陕西 西安 710072)

提出船用离心风机叶片开槽处理技术，以改善叶轮通道气体流场。利用商用CFD软件，分别对某型离心风机原始叶轮和开槽叶片叶轮进行三维数值模拟，并详细对比分析了2种叶轮模拟结果。结果表明：开槽处理可抑制射流－尾迹现象进而减小由此引起的叶片尾缘漩涡，并减弱通道内漩涡，从而提高通道内流场稳定性，增加通道流通面积，并且在一定范围内提高叶轮性能。

离心风机;叶片开槽;流场;数值模拟

0 引言

作为船用辅机，通风机是船舶空调系统的重要组成部分，也是船舶辅助保障系统的重要设备之一。船用通风机主要用于船上的通风换气，解决船员的生活和工作的通风需要。目前国内正在使用的船用通风机系列大部分还是20世纪60年代研制的产品。风机流量和压力虽然能满足使用要求，但效率低，参数范围窄，噪声和振动值较高［1］。产生这一问题的主要原因是风机内部的气体流动的非定常性。在叶片吸力面尾缘附近存在着较严重的气流分离现象，形成低能流积聚的尾流区。同时，在压力面流体的相对速度比较高，形成了射流区，与吸力面尾缘处发生严重分离的尾迹区及由于射流区、尾迹区之间剧烈变化形成的薄过渡剪切层，构成了射流－尾迹流动结构，射流－尾迹结构在产生和发展的过程中伴随着强烈的能量损失［2－3］。射流－尾迹现象的存在使流道有效通流面积减少，进而会影响叶片通道内部的流动，增强吸力面边界层分离，在吸力面形成严重的漩涡［1，4］。

从振动的角度看，叶片通道分离区较大，则叶轮出口速度及压力脉动较大，激振能量随之增大，这就是蜗壳产生振动的激振源［3，5］。因此如果能采取措施控制和减弱叶片吸力面尾缘的气流分离现象，改善叶片通道的气流流动特性，将可提高风机的性能，降低风机噪声。

叶片开槽技术在轴流压气机中已得到深入的研究。从叶片压力面到吸力面开槽，利用压力面与吸力面压差，将压力面的气流经过槽道的加速，从吸力面吹出，从而控制和延缓叶片吸力面漩涡及射流－尾迹结构，以改善叶轮内部流动，此方法已被证明可以取得很好的效果［6－9］。然而，叶片开槽技术在离心压缩机、风机中的研究还不多。为此，本文在前人研究的基础上对离心风机叶片开槽处理技术进行更为深入的研究，以试图揭示其工作机理。

1 数值模拟

1.1 模型选取

本文以某船用闭式后弯径向板型离心风机为研究对象(见图1)。其叶轮主要几何参数为：叶轮叶片进口直径D1=318.72 mm，出口直径D2=480 mm，叶片进口高度b1=144 mm，出口高度b2=96 mm，厚度δ=3 mm，叶片个数Z=12。

文献［1］和文献［5］对本文所选用原始叶轮进行了整机实验及商业CFD软件NUMECA数值模拟，实验结果与数值模拟吻合度高，证明所选数值模拟方法可行。由于本文主要研究开槽对叶轮内部流场的影响，且进行整机模拟所需人力物力比较大，故本文只进行单通道叶轮数值模拟。

图1 叶轮几何参数Fig.1 Geometric parameters of impeller

1.2 槽道确定

本文首先进行了原始叶轮单通道数值模拟，经过对叶轮数值模拟结果进行分析后确定槽道位置及形状，然后进行开槽叶片叶轮单通道数值模拟。

原始叶轮叶片尾缘有明显的射流－尾迹现象，尾缘存在严重漩涡。叶片吸力面存在边界层分离，吸力面距叶片尾缘17%弦长处开始出现严重漩涡。叶片吸力面距叶轮后盖板50%叶高处开始出现明显的漩涡，并向着前盖板方向逐渐加深。因此本文设计了如图2和图3所示的槽道。图2所示的开槽位置从距后盖板50%～90%叶高。图3所示的槽道进气方向为水平方向，出气方向与水平线夹角为20°，槽道距叶片后缘距离为17%弦长，槽道宽度为1.0 mm。

1.3 网格生成

首先在DES公司的三维造型软件UG中画出风机叶轮结构，然后将叶轮型线导入NUMECA软件IGG/AutoGrid中，采用IGG/AutoGrid中O－4H结构化网格生成原始叶轮网格。原始叶轮单通道网格总数为360 354。开槽叶片叶轮网格需要首先在UG原始叶轮结构中加入槽道线型，然后将槽道线型导入IGG中，在IGG中加入槽道模块。在加入槽道过程中槽道进出口分别与叶片表面联结，并采用完全非匹配边界条件。开槽叶片叶轮单通道网格总数为392 127，其中槽道网格数位31 773。

1.4 计算边界与初始条件选取

控制方程为雷诺平均三维N－S方程，湍流模型选用Spalart-Allmaras模型，空间项采用中心差分格式的有限体积法进行空间离散，时间项采用四阶Runge-Kutta法迭代求解。同时采用局部时间步长、隐式残差光顺和完全多重网格技术加快计算速度。

计算额定转速为2 920 r/min，假设轴向进气，进口给定总压101 325，总温293 K，出口给定平均静压，叶轮进出口延伸区给定周期条件，绝热固体壁面给定无滑移条件。

2 结果分析

2.1 总体性能分析

图4所示为开槽叶片叶轮与原始叶轮流量－效率曲线。从图中可以看出，在风机设计流量(3.3 kg/s)附近，开槽叶片叶轮的效率存在1个峰值，而原始叶片叶轮效率峰值在3.8 kg/s流量附近。在风机设计流量附近开槽叶片叶轮效率较原始叶片叶轮显著提高，其他流量状态下开槽叶片叶轮效率略有下降。

图5所示为开槽叶片叶轮与原始叶片叶轮流量－压比曲线。从图中可知，在小流量状态下开槽叶片叶轮压比较原始叶片基本不变甚至略有下降，在设计流量附近压比明显上升，而在大流量状态下压比略有下降。

由以上可以看出，开槽叶片叶轮较原始叶轮在设计流量状态附近性能有明显提高，而其他流量状态下性能改变不明显甚至出现下降。下面将通过分析叶片通道内流场来探究产生这种状况的原因。

2.2 流场分析

图6和图7所示分别为设计流量(3.3 kg/s)状态原始叶轮和开槽叶片叶轮75%叶高处相对速度矢量及流线图。从图6可以看出原始叶轮通道内流动相当复杂。在叶片吸力面侧存在边界层分离现象。叶片尾缘存在很强的射流－尾迹现象，叶片尾缘漩涡几乎占据半个叶轮通道，尾缘漩涡形成的回流又影响叶片通道内流动，并在叶片通道内再次形成漩涡，这两处漩涡在很大程度上减小了叶轮通道有效流通面积;如图7所示，叶片开槽后尾缘的射流－尾迹现象引起的叶片尾缘漩涡基本消除，通道内的漩涡也随之减弱，叶轮通道有效流通面积大大增加。

图8和图9所示分别为小流量(2.52 kg/s)状态原始叶片叶轮和开槽叶片叶轮75%叶高相对速度矢量及流线图。在小流量状态下因为出现正冲角，会在叶片吸力面前缘部分产生很大局部扩压度，于是出现分离现象，并形成漩涡，并向叶轮出口处逐渐扩大［1］。本文开槽位置的选取主要是为了较弱射流－尾迹现象引起的漩涡，对于因为正冲角引起的漩涡没有考虑，所以如图9所示在小流量状态下，叶片开槽处理对于叶轮通道内部流场影响较小，只是减弱了叶片尾缘处的漩涡。

图10和图11所示为大流量(4.02 kg/s)状态原始叶片叶轮和开槽叶片叶轮在75%叶高处的相对速度矢量及流线图。在大流量情况下，叶片工作面前缘部分形成较大的扩压度，分离区在工作面上产生，但由于气流惯性力的作用，限制了分离的扩大，这时在吸力面出口可能会出现一部分小的分离区［1］。如图10所示大流量状态通道内整体流动性较好，只是在叶片吸力面尾缘附近存在小的分离漩涡，因而叶片开槽(见图11)对流场影响不大，只是将分离涡略微向叶片尾缘推移。

通过以上3种流量状态的比较可以看出：在设计流量状态附近，开槽叶片叶轮因为压力面向吸力面引气，由槽道吹出的高速气流一定程度上抑制了叶片尾缘射流－尾迹现象，并减弱了叶片尾缘漩涡及通道内漩涡，很好地改善叶轮通道内的流场，使得通道内的流动损失减小，从而提高了叶轮整体性能。在小流量及大流量状态下，叶片开槽无法明显改善叶片通道内流场，反而因为槽道的存在改变了叶片的气动性能，降低叶片做功能力，同时槽道内的气流转折也将产生损失，从而使得叶轮总体性能降低。

以上分析了叶片通道内气体流动状况，下面将从叶片近壁面气流流动状况来分析开槽处理对叶片表面气流流动的影响。

图12和图13所示为原始叶轮与开槽叶片轮设计流量下叶片近壁面相对速度矢量及流线图。从图12可以看出原始叶片吸力面表面靠近前盘附近存在严重的附面层分离，并形成较大的漩涡。由于叶片尾缘较强漩涡的影响使吸力面侧的回流现象明显，且有明显的分离线。开槽后的叶片(图13)，由于压力面向吸力面的吹气，使得叶片吸力面的回流现象明显减弱，分离线向叶片尾缘移动，回流影响面积明显减小。同时也在一定程度上消弱了前盘附近的附面层分离，从而使得前盘附近的分离涡减弱，并向出口处移动。开槽叶片叶轮的内部流动稳定性明显加强。

3 结语

基于以上分析，可以得出如下结论：

1)开槽叶片对叶片尾缘射流－尾迹现象有一定抑制，可基本消除叶片尾缘漩涡，明显增大通道流通面积，减小气流速度脉动，减小离心风机蜗壳振动激振源，同时也可控制尾缘漩涡引起的通道内漩涡，使得通道内流动平稳。

2)叶片开槽处理可在一定范围内增加离心风机叶轮性能。本文开槽初衷意在控制叶片尾缘射流－尾迹现象，从而控制尾缘漩涡、通道内漩涡，因而本文所选开槽位置对边界层分离控制效果不明显，这有待于改变开槽位置、形状，从而达到更好的流动控制效果。

综上所述，叶片开槽技术在离心风机中有很大的应用前景，本文只是对其机理进行了初步探究，对开槽位置、宽度、形状、个数还需要大量的理论和实验研究。

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Influence of blade slot on flow performance in the centrifugal fan used on boards

DONG Xing-jie，CHU Wu-li，BU Yuan-yuan
(Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

The slot treatment to blade of centrifugal fan used on boards was proposed for improving the flow field in the impeller channel．Three-dimensional numerical simulations were performed on the prototype and the slot treatment impeller with commercial CFD software．The simulation results were in-depth contrasted and analysed．The study presented that，the slot treatment can control the jet-wake phenomenon and eliminate the trailing vortex which results from the jet-wake one step further，and weaken the vortex in the impeller channel．As the result the steadiness of the flow field was improved，the flow area was enlarged and the performance was iomproved on part of operation line．

centrifugal fan;blade slot;flow field;numerical simulations

U664.5+1

A

1672－7649(2012)07－0020－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.004

2012－03－08;

2012－03－28

董兴杰(1987－)，男，硕士研究生，主要研究领域为叶轮机械气动热力学。