轴流风扇叶顶沟槽对间隙流动控制机理研究

2021-09-26胡小文李景银闻苏平胡斯特

流体机械 2021年8期

胡小文，李景银，闻苏平，胡斯特

（1.美的集团中央研究院，广东佛山 528311；2.西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049）

0 引言

轴流风扇广泛应用于空调、冰箱和汽车等民用领域及工业应用领域。由于叶顶间隙的存在，压力面和吸力面两侧在叶顶的压差导致风扇叶顶存在泄漏流动。对于间隙较大的民用风扇，叶顶泄漏流是最重要的气动损失源之一，并具有高度三维特性和非定常特性。而且，叶顶泄漏涡的产生、发展和破碎导致了较强的涡流噪声，也是透平机械系统噪声产生主要的来源之一［1-4］。

国外学者对叶轮机械叶顶泄漏涡的控制发展了多种方法，对叶顶结构进行处理是近些年的研究热点，叶顶小翼是其中的热点之一［5-10］。国内学者如胡小文等［11］研究了吸力面采用叶顶小翼在不同翼宽和叶顶加载对性能改善的特性，对吸力面小翼主要作用机理进行了研究。隽智辉等［12-13］对轴流风机采用小翼进行研究，认为吸力面小翼可带来性能的提升。

叶顶开槽对叶顶泄漏流动的影响也开展了一定的研究，目前的研究主要集中在涡轮上，在风机上的研究相对较少。YE等［14-15］对叶顶开槽对OB84轴流风机性能的影响进行了数值和试验研究，分别考察了叶顶凹槽和凸起的影响，发现了总压升和功率均下降，效率提高了1.07%。韩少冰等［16］将小翼和凹槽进行结合，发现可进一步削弱叶顶泄漏涡的强度，降低叶栅损失。LIU等［17］研究了NACA0009水翼加工不同深度C型槽后对叶顶泄漏涡的发展和空化的抑制，发现在50%的间隙深度沟槽效果较好。但这种叶顶开槽的研究在风扇中很少见报道。

为了探索轴流风扇叶顶沟槽对叶顶泄漏流控制效果及机理，本文以某一空调用轴流风扇为研究对象，基于数值计算方法研究了4种不同的叶顶沟槽，分析槽宽比对风扇性能的影响，并研究沟槽对叶顶泄漏涡发展及控制的机理，最后通过试验验证了沟槽对性能和噪声的影响。

1 几何模型及数值研究方法

1.1 几何模型及网格划分

如图1所示，本文研究对象为带半覆盖导风圈的轴流风扇，设计转速为850 r/min，叶轮外径为420 mm。导风圈覆盖叶片尾部区域接近30%的弦长。本文将风扇叶片顶部距离导风圈的径向距离定义为间隙TC（tip clearance）。

图1 轴流风扇几何及计算域模型Fig.1 Geometric model and computational domain model of axial fan

风扇网格及开槽结构示意如图2所示，考虑到泄漏涡从叶顶前部就开始发生，并且没有导风圈的覆盖，沟槽选择在叶片叶顶从进口往下游的10%叶顶弦长位置，开槽深度H1等于一倍叶顶间隙高度1 TC。开槽从压力面（Pressure side简称PS）贯通到吸力面（Suction side简称SS），在压力面侧槽的宽度为A1，吸力面侧槽的宽度为A2。定义A1/A2为槽宽比，通过调整A1和A2的宽度来调整槽宽比。不同宽度比情况下的沟槽模型如表1所示，其中G3O和G3D压力面侧槽宽度一致，通过改变吸力面宽度实现从3：1到6：1的槽宽比，而G3D，G3E，G3F 3种沟槽吸力面宽度一致，通过增加压力面侧槽宽度来实现8：1和10：1的槽宽比。

图2 叶片网格及开槽结构Fig.2 Grid model and groove structure of blade

表1 沟槽宽度比Tab.1 Groove width ratio

风扇的计算模型见图1（b），包括进口延伸区、出口延伸区和风扇转子。计算模型均采用结构化网格，计算为全通道模型，在沟槽部位采用多块方式进行结构化网格生成。

图3 风扇总压系数随计算网格量的变化Fig.3 Change of fan total pressure coefficient with number of computational grids

1.2 数值计算方法

为求解叶顶附近区域复杂的湍流流动，本文研究求解雷诺时均N-S方程，对于湍流黏性项通过SST k-ω模型来描述，采用SST k-ω模型对近壁面的低雷诺数区进行直接求解而不是采用壁面函数法进行拟合，且该模型在大量的叶轮机械数值研究中被证明是结果较为合适的一种湍流模型［18-23］。

计算时进口采用压力进口边界，给定总压为1个标准大气压、总温度为293.15 K，由于上游有换热器，进口湍流强度给定5%的湍流强度，出口给定流量边界。为减弱数值反射效应，进口和出口延伸分别为4倍和5倍的弦长。

1.3 试验测试

噪声测试在美的中央研究院按照GB/T6882-2008和ISO3745-2003标准建设的半消声室内完成，半消音室介质频率≤100 Hz，背景噪声低于20 dB，温湿度可自动调节，调节范围-15～55 ℃，湿度范围30%～90%RH（relative humidity）。本文研究中的数据主要采用前方测点，测点布置于正对着距离风扇中心长1 m和高1 m的位置，测点布置示意如图4所示。

图4 噪声测试测点示意Fig.4 Schematic diagram of noise test points

2 结果及分析

2.1 叶顶开槽对风扇气动性能的影响

风扇的主要气动性能为效率和总压。图5示出了不同叶顶开槽结构的风扇在设计工况下，相对于原型风扇的仿真效率和总压性能的变化情况。

图5 沟槽宽度比对风扇性能的影响Fig.5 Effect of groove width ratio on fan performance

从图中可以看到，在叶片顶部10%弦长设计的不同宽度比的沟槽对总压效率均起到正面的作用，且沟槽宽度比越大，总压效率越高。然而，沟槽宽度比对风扇的总压影响有些不同，在宽度比较小时，会导致风扇总压出现接近0.5%的轻微下降，但随着宽度比增加到G3E方案的8.0左右，叶顶沟槽基本不对总压产生影响。其原因是在沟槽宽度比逐渐增加时，对叶顶流动的改善导致风扇效率提高克服了沟槽带来的泄漏的影响，因此总压逐渐回升。

2.2 对叶顶泄漏涡的作用及机理

为了揭示叶顶沟槽对叶顶泄漏涡的抑制作用，叶顶泄漏涡以下简称TLV（tip leakage vortex），图6示出了以Q判据为定义的涡等值面云图，图中包括不同叶顶沟槽参数对叶顶泄漏涡发展的控制情况和涡强度的云图。对于原型不带凹槽的工况，图6（a）可以看到在叶片顶部靠近叶片前缘位置，形成了典型的轴流风机叶顶泄漏涡结构。产生后不再受干扰，贴着吸力面侧向流道下游发展，且TLV影响区域面积逐渐增大。图5中的云图对应的3个截面分别为20%，30%和40%弦长截面的涡旋强度，用于表征叶顶附近泄漏涡强度。

带沟槽的叶顶泄漏涡发展情况如图6（b）～（e）所示，对比原型，TLV在经过沟槽时受到冲击作用，有一个远离吸力面表面的趋势。同时在沟槽下游叶片顶部形成了新的叶顶泄漏涡结构，新的叶顶泄漏涡结构文中简称为NTLV（new tip leakage vortex）。在小的槽宽比（如图 6（b））时，NTLV的形成对原TLV的发展产生一定的干扰，原TLV向下游发展涡核有减小的趋势。但原TLV范围仍然较强并继续向下游发展，新NTLV强度相对较小，发展范围有限，而且NTLV在和原TLV发生干涉后，到下游很快消失。

图6 不同沟槽宽度比对叶顶泄漏涡的控制Fig.6 Control of effect of different groove width ratio on tip leakage vortex

为了进一步确定沟槽对TLV的冲击作用，图7示出了G3D模型沟槽横切面的速度场，可以发现沟槽从压力面往吸力面引入了一股射流，该射流对原TLV产生明显冲击效果，直接导致TLV与叶片吸力面的距离增加。然而也需要注意的是，在射流的引入同时也导致了吸力面在沟槽后的局部分离，会带来一定的流动损失。

从图7中可以看到，沟槽的主要作用机理是产生射流作用，将原TLV吹离叶片吸力面。同时在沟槽下游顶部产生一个新的泄漏涡NTLV，新的泄漏涡NTLV与原TLV旋向相同，并与原TLV产生干涉作用，降低原TLV的强度。

图7 沟槽横切面的速度场Fig.7 Velocity field of cross section of groove

当沟槽宽度比增加时，射流强度也会增加。对比沟槽G3D和G3O流动可以明显看到射流强度增加，这进一步地导致原TLV的强度减弱。当持续增加宽度比时，如G3E，射流作用进一步增强，原TLV和NTLV作用在截面1附近发生干涉后几乎消失，在截面2，3可以观察到明显的涡强度下降。但当槽宽比进步一增加到G3F时，沟槽下游的新NTLV将取代原TLV的位置，但强度也会减弱。

尽管从风扇效率的角度看，G3F沟槽具有更高的效率。似乎更大的宽度比会获得更高的效率，但随着NTLV的逐渐增强，将会逐渐替代甚至超过原涡TLV的强度，可能引起性能下降，这有待进一步的研究验证。

表2给出了不同沟槽导致的涡Q判据等值面面积相对原型的变化情况，分别取3×106s-2和4×106s-2两种等值面进行分析。对比可以看出相对于原型，本文研究的不同宽度比沟槽都带来了涡Q判据等值面面积的下降，其中下降效果最为明显的方案是G3E方案，下降幅度达到11%～13%，而下降最少的G3O也有接近4%～6%下降。因此，叶顶沟槽对叶顶泄漏涡的发展起到了明显的抑制效果。在8：1的槽宽比时涡Q判据等值面面积最小，但随后进一步增加槽宽比，反而会带来涡Q判据等值面的增加。该趋势和前面对泄漏涡强度的分析内容结论一致。

表2 不同沟槽导致的相对涡面积变化Tab.2 Variation of relative vortex area caused by different grooves

2.3 风扇性能测试及对比分析

为了验证沟槽对风扇性能的影响，选择对泄漏涡控制效果最好的G3E沟槽进行模型加工，并对原型和G3E两种情况进行性能和噪声试验测试。图8，9分别示出了风扇对性能和噪声影响的测试数据。试验结果显示了G3E沟槽在效率上的优势，电机功耗约比原型下降1.4%。同时噪声也有不同程度的降低，在设计工况下G3E沟槽风扇比原型风扇噪声下降0.4 dB（A）。另外从1/3倍频程看，G3E沟槽带来的降噪效果主要集中在频率为2 000 Hz及以上的中高频噪声。因此，G3E的沟槽对叶顶泄漏涡的控制在风扇辐射噪声的控制上也是有益的，而叶顶泄漏涡对应的噪声频段通常也被认为是中高频的频段。