层流无叶风机流场及气动性能影响的数值研究

2022-11-08刘金文田志强劳春峰顾明亮陈绍文

节能技术 2022年4期

李婧,刘金文,田志强,劳春峰,魏伟,顾明亮,陈绍文

(1.青岛海尔智能技术研发有限公司，山东青岛 266100；2.数字化家电国家重点实验室，山东青岛 266100;3.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

层流送风技术来源于尼古拉·特斯拉的发明“特斯拉涡轮”。“特斯拉涡轮”被尼古拉·特斯拉称为是“他所有发明中最伟大的一个”[1]。特斯拉涡轮主要由流体剪切力驱动，利用流体的“层流边界层效应”或者“粘性效应”实现对“涡轮环片”做功，因而不需要冲击涡轮叶片，因此也成为“无叶向心涡轮”[2-4]。特斯拉涡轮的特点是制造简单、离心式、造价低，且能够利用多种类型的工作流体进行发电，包括液体、气体和纳米流体等。对特斯拉涡轮的研究已经开展了很多年，研究人员发现环片的几何参数对其流场和性能有重要的影响，尤其是环片相关的几何参数最为关键[5-6]。

层流无叶风机被认为是“特斯拉涡轮”的逆向应用，利用层流无叶风机环片的转动带动气体流动，对气体做功，不需要复杂的风机叶片。图1展示了层流无叶风机的工作原理。电机带动圆盘高速旋转，环片与各圆环片间隔内的空气接触并发生相互运动，则靠近环片表面的边界层因受粘性剪应力(τ)作用，被旋转的环片带动做旋转运动，而后在离心力的作用下向环片四周流出，形成从中间向四周的离心出风。

采用基于特斯拉涡轮的层流送风技术，在国内外的公开研究文献中还较少见，但是对于无叶风扇[7-8]和常规风机[9-10]的优化和设计研究也有一些，主要目的是通过合理的气动设计提升气动性能，以达到节能降噪的目的。其中，A.Km等[7]通过CFD数值方法开展设计选型和优化，使得风扇的出口速度范围大幅增加，提高了风扇的气动性能。

本文的研究主要基于海尔的专利技术“层流风扇”来开展，以获取合理的气动方案和设计。通过数值模拟方法深入研究了多个关键几何参数对流场和主要气动参数的影响，以指导将来的在家用空调送风中的应用。

1 数值模型与数值方法

研究所采用的层流送风风机数值模型如图2所示，部分关键几何参数定义的示意图如图3所示，给出了环片厚度、环片距离、环片内径和外径的基本描述。图示风机的外径为350 mm，内径为200 mm，叶片环片层数为8层；环片厚度为2 mm；环片间距保持不变，为13.75 mm；单层环片的总高度保持不变，为15.75 mm。层流风机的转速设定为1 000 r/min。

数值计算采用商业软件来进行，研究模型计算域的几何结构建立由Siemens公司的UG软件来实现。在进行数值建模的过程中，为了满足数值计算中边界条件设定的要求，在风机的进气位置设置了进气圆筒域，其直径与环片的外径相同。在计算边界条件的设定中，进气圆筒壁面的边界条件被设定为光滑壁面。此外，在风机出口处向外延伸出一段流体域，该流体域的出口边界条件设置为气流开口，并给定静压。计算域的网格离散化使用Ansys公司ICEM软件来进行，为了提高计算效率，网格采用了非结构化网格，总数约9 739 199个胞元，静止域则有985 037个胞元。图4和图5分别给出了计算域和风机局部的网格示意图。

数值计算采用Siemens公司的Star CCM+商业软件来实现。各方案网格使用相同的网格拓扑结构，旋转域共有边界条件的设置也相同，固壁面为光滑无滑移绝热壁面，进、出口给定大气压为101 325 Pa，温度为298.15 K。风机转速设置为1 000 r/min。采用k-ε湍流模型来计算雷诺平均N-S方程组(Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations，RANS)。

RANS方法通过求解平面直角坐标系下经过雷诺时均处理后的控制方程组来获得流场中的流动信息，主要包括雷诺时均处理后的可压缩黏性流体连续性方程、雷诺时均处理后的N-S动量方程和能量方程。标准的k-ε模型是目前应用最广泛的湍流模型之一，其中k为湍流脉动动能，ε为湍流能量耗散率。k-ε模型收敛性好，使用范围较广，在工程上被广泛使用。

2 结果与讨论

2.1 环片内径的影响

环片内径是影响层流风机的关键几何参数之一，其定义如图3所示。环片内径的变化改变了气流在层流风机内的折转，因此会较大程度上影响风机流道内的流动结构及相关气动参数。为简化计算过程，此时仅考虑不设置增压叶片下的情况。研究中保持环片的外径不变为350 mm，通过改变环片的内径来研究内径对流场和气动性能的影响。环片内径(半径)分别被设定为150 mm，125 mm，115 mm，100 mm，75 mm和50 mm共六个方案进行分析。此时环片层数为8层；环片厚度为2 mm。

图6给出了不同环片内径情况下的风机流量和全压升变化情况。随着环片内径的变化，当环片内径值为115 mm时的风机流量达到最高值；同时发现，该方案的全压值也为所有方案最大。由图6的计算结果也可以明显发现，层流送风风机能够实现较大的空气流量，在1 000 rmp时的最高流量可接近550 m3/h,但是全压升较低，不具备克服较大压升的能力，在应用时应充分考虑这一特点。

图7和图8分别给出了层流风机内部的速度流场和速度流线分布的情况，由图可见，环片的内径越小，即环片的宽度越大时，上部环片的加速作用也越明显。根据层流风机的做功原理表明，环片的宽度越大导致有效的做功面积也越大，相应的做功能力也越强。

另外，随着环片内径的逐渐减小，环片宽度的增大导致上部环片的气流折转阻力更大，流动更容易出现分离，不利于提升层流风机的流动效率。从图8可以明显看到，环片的内径越大，进入到上层环片的气流流量越大，流动越顺畅；而当环片内径较小时，上层环片均出现一定程度的流动分离，且在环片末段出现局部气流的回流，这可能导致流量的大幅下降。

综合来看，环片内径变化对层流风机性能的影响具有两面性特征，一方面由于环片内径增加会导致做功能力下降的不利影响；另一方面环片内径的增加也会给流动状况带来有益的影响，两者综合的影响结果将会导致最优的环片内径，即当环片内径为115 mm时的性能达到最优。

2.2 环片层数的影响

以上述研究为基础，保持环片内径为115 mm，环片厚度为2 mm；环片间距保持固定，为13.75 mm。在此基础上通过增加环片层数(同时风机总高度也在增加)，来研究环片层数对层流风机性能的影响规律。层数被分别设定为为8层，10层，12层，以分别探讨不同环片层数下的层流风机送风效果。

表1给出了不同环片层数下的压升和流量变化，可以明显看出，流量随着层数的增加而增加，但8到10层增加效果并不明显，而10到12层的增加效果较为明显，增加幅度超过10%。此外，环片层数对全压升的影响也较小，12个环片最大时也不超过5 Pa。

表1 不同环片层数的全压升和流量

图9给出了环片层数为12层时的流场流速和流线分布图，对比图7和图8中环片为8层的结果，可以明显发现，仅仅顶部1～2层环片的局部流动出现分离，大部分的环片流动情况良好；由于环片数量的增加，做功能力也相应增加，因此流量增幅明显。

2.3 环片间距的影响

继续保持环片内径为115 mm，外径为175 mm，环片厚度为2 mm；环片层数固定为8层。通过改变环片间距(同时改变了单层环片总高度)来分析环片间距对送风效果的影响。环片间距分别设定为9.75 mm，11.75 mm，13.75 mm，15.75 mm，17.75 mm。

表2给出了不同环片间距情况下的全压升和流量变化情况，从图中明显可以发现，随着环片间距的增加，层流风机的全压升逐渐降低，最小时接近0；而流量则随着环片间距的增加逐渐增加，从515 m3/h开始逐渐增加，最高达到909 m3/h，增幅达到76.5%。综合分析来看，环片间距的影响程度较为明显，在工程设计和应用中需要重点考虑。

表2 环片间距变化时的参数变化

图10和图11给出了不同环片间距时的流场、流速、流线的分布情况，如图所示，当环片的间距较小时，整个层流风机的高度、通流面积也较小，导致风机的通流能力明显下降，出现了明显的堵塞现象，流量也随之下降；而随着环片间距的逐渐增加，流道内的流速逐渐增加，尽管顶部盘片周边存在局部流动分离，但是通流面积增加是流量增加的主要因素。