轴流风机导流罩及拢风筒的优化

2022-04-27李玮哲刘仁鑫杨卫平夏根水袁志强周诚科

流体机械 2022年3期

李玮哲，刘仁鑫，杨卫平，夏根水，袁志强，周诚科

（1.江西农业大学，南昌 330045；2.江西省畜牧设施技术开发工程研究中心，南昌 330045）

0 引言

畜禽舍内环境质量的优劣，即空气温度、相对湿度以及空气质量的好坏是影响畜禽健康的重要因素，所以畜禽舍环境控制直接影响了畜禽疫病防控、健康生产、产品质量安全以及畜禽企业可持续发展性等诸多方面[1-2]。轴流风机是畜禽舍环境控制最重要的设备之一，我国是畜禽产业大国，随着畜禽产业发展，轴流风机需求量日益增加，同时也使轴流风机能耗较高的问题暴露出来，若能在相同工况下提升轴流风机的风量及能效比，将给畜禽养殖业带来直接的经济效益及社会效益。

目前，国内外对轴流风机导流罩及拢风筒结构已有了一定的研究，NEAL等[3]研究了一种轴流通风机导流罩的应用，经过试验后发现导流罩的安装可以显著的提升轴流风机的效率与流量，与无导流罩时相比，其流量提升了34%，效率提升了13%。申江等[4-5]研究轴流风机导流罩出入口结构形状对风量的影响，发现出入口形状为圆弧角且入口处圆弧半径与轴流风机半径比值为1/5、出口处圆弧半径与轴流风机半径比值为7/15时风量提升效果最佳。丁涛等[6]研究导流罩长度对轴流风机性能的影响，定义导流罩长度与叶顶轴向宽度的比值为K来表示导流罩长度，当K处于1.0与1.1之间时风量与能效比达到最大值。王巍雄等[7]研究导流罩安装位置对轴流冷却风扇性能的影响，设定了3个安装位置进行试验，发现当叶片后缘位于导流罩进口平面内时风机性能最佳。MA等[8]研究了空调室外风道系统风扇导流罩内的流场，发现导流罩是影响轴流风扇出口涡流的关键部件。HU等[9]通过仿真后发现导流罩相对于叶轮的安装位置对汽车冷却风扇的性能也有一定影响，当导流罩在叶轮轴向仅覆盖住叶轮前半部分时风机的性能最佳。HUANG等[10]研究了导流环对小型轴流风机气动性能的影响，发现半开式导流环能使轴流风机效率提升，噪声下降，叶片表面压力、涡度和涡度梯度分布更加均匀。且对于同种导流环，较短的轴向尺寸所表现出的性能更优良。

综上，国内外对轴流风机导流罩及拢风筒的研究主要为单因素优化，对多参数进行整体优化的研究还未见报道。因此，本文针对畜禽舍用轴流风机导流罩及拢风筒的结构参数展开研究。以江西某公司生产的56寸畜禽舍用轴流风机为原型，选择拢风筒开合角、拢风筒斜长、叶顶间隙、导流罩相对于叶片的安装位置这4个参数进行正交试验优化[11-13]，选出使风量及能效比提升最多的参数组合。

1 计算模型

计算所用模型由原轴流风机模型简化得出，结构如图1～3所示。模型由3个部分组成，分别为导流罩，拢风筒和叶轮。其中导流罩外轮廓为正方形，边长为1 600 mm，内轮廓为圆形，直径为1 442 mm。拢风筒整体为喇叭口形，与导流罩对接部分小圆直径为1 442 mm，开口处大圆直径为1 757 mm，拢风筒开合角为9.15°，拢风筒斜长为990 mm，叶顶间隙为10 mm，叶轮轴后平面距导流罩与拢风筒交界面的距离为72.07 mm。工作条件设置为该轴流风机的常用工况，即转速为714 r/min，进口处压强为畜禽舍风机常用压强。

图1 原模型正视图Fig.1 Front view of the original model

图2 原模型俯视图Fig.2 Top view of the original model

图3 原模型叶片安装位置及叶顶间隙Fig.3 Blade installation position and tip clearance of the original model

2 数值模拟

2.1 控制方程

流体流动须满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由于在轴流风机工作中不需要考虑热传导的问题，因此不需要考虑能量守恒方程[14]，相应的就可以得到质量守恒方程和动量守恒方程，质量守恒方程为[15]：

式中 ρ——密度，kg/m3；

t——时间，s；

u，v，w——速度矢量在方向上的分量，m/s。动量守恒方程为：

式中 ρ——流体微元上的压力，Pa；

τxx,τxy,τzx——微元体表面上的黏性剪切应力τ的分量，N；

Fx，Fy，Fz——微元体上的体积力，N。

3.2 网格划分

为更直观地了解轴流风机进出口流场内的速度及压力分布，在原模型风机气流进口处增加了2 000 mm×2 000 mm×2 000 mm的进口流体域，出口处增加了4 000 mm×4 000 mm×6 000 mm的出口流体域[16]。通过Solidworks建模之后利用mesh进行网格划分，模型整体采用四面体网格划分，分为旋转域和静止域。为提高计算精度，对旋转域及导流罩拢风筒内部的静止域网格进行加密处理，并将旋转域、内静止域、外静止域分别设为区域 A，B，C[17]，区域划分如图4，5 所示。

图4 旋转域网格Fig.4 Rotate domain grids

3.3 模拟方法

利用软件FLUENT19.2进行仿真模拟，求解采用双精度求解器。压力设置为标准大气压，不设置重力加速度，选择SST k-ω湍流模型。气体入口边界设置为压力入口边界，压力数值设为畜禽舍风机常用压力值，出口为压力出口边界，数值为0 Pa。旋转域采用滑移网格法（Mesh Motion），根据右手定则，转动轴为y轴负方向，转动速度为714 r/mim。压力和速度耦合采用SIMPLE算法，离散格式为一阶迎风，收敛精度设置为10-3。

3.4 轴流风机性能参数

本文以轴流风机的风量与能效比作为评价指标，其中风量能直接通过数值模拟得出，能效比则需进一步计算得出。

计算能效比须先计算电机输入功率Pe，其与轴功率N之间存在效率系数η。轴功率N可由叶片及轮毂所受到的扭矩M计算得出，计算公式如下[18]：

式中 N——轴功率，W；

M——单个叶片的扭矩，N·m；

ω——旋转角速度，rad/s；

Z——叶片数量，片；

n——转速，r/min。

式中 N——轴功率，W；

η——效率系数，常数，其值约为0.83；

Pe——电机输入功率，W。

能效比VER，即单位能耗所产生的风量，VER的值越大，风机节能效果越好，其计算公式如下[15]：

式中 Q——风量，m3/h；

Pe——电机输入功率，W。

3.5 风机试验

风机测试试验在增鑫科技研制的风洞试验平台进行，其规格为11 m×5.7 m×3.1 m，图6示出试验平台原理。

图6 风洞试验平台原理Fig.6 Schematic diagram of wind tunnel test platform

在测试过程中，通过控制调节门挡板张开角度，可达到辅助风机送入风室气体调节的目的，气体经稳流筛网稳流后，由喷嘴上的孔板流量计测定流量。EJA110E-DFS5J-712NN型差压传感器测定压强，TSS-P型激光转速探头测定风机转速，控制中心包含的功率测试仪测量电动机输入功率。采用可编程程序控制器和数据采集系统，可获得风量、进口压强及转速等测试结果。

为验证数值模拟结果的准确性，将数值模拟直接得出的风量值与风洞试验得出的风量值进行对比。保持转速为714 r/min不变，改变进口压强来进行试验，并与数值模拟结果进行对比，对比结果如图7所示。

图7 风量对比Fig.7 Air volume comparison

计算得出模拟风量与测试风量的相对误差在3%～7%之间，平均相对误差为5.69%，小于10%，误差在可接受范围内[19]。

3.6 单因素试验

对拢风筒开合角、拢风筒斜长、叶顶间隙、导流罩相对于叶片的安装位置这4个参数进行单因素试验，以风量与能效比为评价指标，试验结果见表1～4。

表1 不同拢风筒开合角风量、能效比对比Tab.1 Comparison of air volume and energy efficiency ratio at different opening and closing angles of wind tube

表2 不同拢风筒斜长风量、能效比对比Tab.2 Comparison of air volume and energy efficiency ratio of wind tube with different inclined lengths

表3 不同叶顶间隙风量、能效比对比Tab.3 Comparison of air volume and energy efficiency ratio with different tip clearance

表4 不同导流罩相对于叶片安装位置风量、能效比对比Tab.4 Comparison of air volume and energy efficiency ratio of different fairing relative to blade installation position

从各参数中选出风量及能效比提升最显著的3个水平作为正交试验的基础，即拢风筒开合角 5°、7°、8°；拢风筒斜长 1 100，1 200，1 300 mm；叶顶间隙5，7，9 mm；导流罩相对于叶片的安装位置 -30，10，40 mm。

3.7 正交试验

将上一小节得出的拢风筒开合角、拢风筒斜长、叶顶间隙、导流罩相对于叶片的安装位置这4个参数的3个水平按风量及能效比优化效果排列，进行 L9（34）正交试验，见表5，6。

表5 因素水平Tab.5 Factor level table

表6 正交试验结果Tab.6 Orthogonal test results

4 结果与分析

由表6可得出方案8（以下统称为优化方案）对风量以及能效比的提升最为显著。优化模型与原模型的性能对比，与原模型相比，优化后的导流罩与拢风筒使轴流风机的风量增加了12.82%，能效比提升了18.74%，性能得到显著提升，见表7。

表7 优化前后性能对比Tab.7 Performance comparison before and after optimization

4.1 迹线图分析

使用CFD-POST软件对数值模拟结果进行分析，图8示出原模型的速度迹线，可以看出导流罩拢风筒内以及出口流体域的总体速度流线分布比较均匀，但在拢风筒内靠近下壁面以及中心处有少许低速区，且高速区分布比较集中。图9示出为优化方案的速度迹线，与原模型对比，靠近导流罩拢风筒壁面的低速区有所减少，中心区虽有部分低速区，但速度值比原模型略有提升，且整体速度分布更加合理。

图8 原模型速度迹线Fig.8 Speed trace diagram of the original model

图9 优化方案速度迹线Fig.9 Speed trace diagram of the optimized scheme

图10示出原模型拢风筒与导流罩内部的速度迹线图，叶轮位于导流罩与拢风筒的交界处，可见气流轨迹较为紊乱，叶轮出口处有几处涡流，拢风筒出口靠近壁面处也存在明显的涡流现象，且更多气流流向风机轴心线偏下的位置，并在该处汇聚碰撞造成能量损失，导致风量减小，能效比降低。图11示出优化方案拢风筒与导流罩内部的速度迹线，与原模型对比，气流轨迹较为平整，流动较为顺畅，同时减少了气流在轴心线处的汇聚碰撞，使轴流风机风量增加，能效比升高。且叶轮出口处及壁面附近涡流现象显著减少，气流稳定性及均匀性得到提升。

图10 原模型局部迹线Fig.10 Local trace diagram of the original model

图11 优化方案局部迹线Fig.11 Local trace diagram of the optimized scheme

4.2 整体压强云图分析

图12示出原模型整体压强分布云图，由于入口处为负压，所以导流罩与拢风筒内部有负压区域。由图可见，压强分布整体比较均匀，但在叶片边缘处存在局部高压区域，叶片负荷重，且拢风筒内部靠近壁面处两端区域压强大小不同，出口流域内的低负压区域较大。图13示出优化模型整体压强分布云图，与原模型对比，叶片边缘处的局部高压区域得到改善，拢风筒内部压强分布对称且均匀，出口流域内的低负压区域显著减少。

图12 原模型压强分布Fig.12 Pressure distribution diagram of the original model

图13 优化方案压强分布图Fig.13 Pressure distribution diagram of the optimized scheme

4.3 叶片压强云图分析

在轴流风机工作时，叶片分为压力面和吸力面，其中压力面表现为正压，吸力面表现为负压。图14示出原模型叶片吸力面压强云图，负压沿着轮毂轴到叶片顶端方向逐渐增大，在叶顶前缘部位达到最大值，为-833.16 Pa。图15示出优化模型吸力面压强云图，压强分布情况及压强梯度变化方向与原模型相似，叶顶前缘部位压强最大值为-810.03 Pa，相比于原模型，叶片吸力面最大压强值减少了2.78%。

图14 原模型吸力面压强分布Fig.14 Pressure distribution on suction surface of the original model

图15 优化模型吸力面压强分布Fig.15 Pressure distribution on suction surface of the optimized model

图16示出原模型叶片压力面压强云图，压强变化梯度方向与吸力面相同，沿着轮毂轴到叶片顶端方向压强逐渐增大，在叶顶前缘部位压强最大，为384.18 Pa。但在叶片根部存在负压区域，最大值为-58.97 Pa，原因可能为叶片根部对气体施加横向剪切力，产生气体尾迹脱落现象，消耗气体动能，从而出现负压区域。图17示出优化模型叶片压力面压强云图，可见优化模型压强梯度分布与原模型相似，但叶顶前缘部位高压区域面积明显小于原模型，其最大值为340.13 Pa，比原模型减少了11.47%。叶片根部负压最大值为-55.15 Pa，减少了6.5%。