【摘要】本文利用CFD計算软件NUMECA构造了一种新的对称可逆风机翼型，并采用数值模拟的方法，对比了不同扭转角度等情况对风机双向通风效率的影响，对正反向通风时的性能规律和如何保持高效率运转进行了研究，并得到了性能最优的可逆式对称轴流风机翼型。
【关键词】可逆式轴流风机 翼型优化 数值模拟
引言
轴流通风机是用来输送气体的机械，作为日常生产、生活中应用最广的通风设备，在海洋船舶、石油化工、车辆工程、航天航空、矿山冶金、纺织制造和能源动力领域都得到了广泛的使用。随着我国社会经济建设事业的不断向前和工业生产水平的持续发展，对风机的要求也是越来越高，在地铁、公路隧道、地下采矿等特殊环境中，均要求风机具有双向通风的功能，即可逆风机。
1 建立计算模型
本文首先通过相关的数据资料得到原始NACA2412的翼型数据，从翼弦的中间位置将翼型分成两部分，将后半部分擦掉，将前半部分绕O点（横向中线与纵向中线的交点）旋转180°，再对中间结合的位置进行倒圆角、光滑处理得到新的对称翼型。然后利用NUMECA软件的Autoblade模块对叶片进行了参数化造型建模，按照壁端型线、流面、积叠、主叶片造型的过程，建立了可逆轴流风机仿真模型。风机模型叶轮直径1800mm，轮毂比0.4，页顶间隙5.4mm。
2 数值计算相关参数设置及网格无关性验证。
2.1 参数设置
进口边界：给定气体进气方向，质量流量和温度；出口边界：给定平均静压；
固壁条件：旋转壁面如轮毂和叶片给定相应旋转速度；静止壁面如轮壳设置转速为零。旋转方向由右手定则确定。初场设置：初始压力101300Pa；初始温度293K；初始速度：轴向进气，Vz=10m/s。收敛标准：全局残差降低到10-5以下，进出口质量流量稳定，差值不超过0.3%。
2.2 网格无关性验证
本文全部采用的是结构化网格，如图2。为了了解不同网格数目对计算结果精度的影响，本文分别划分了21万，44万，63万，85万，115万和130万网格进行了对比分析。
由图1可见，当网格数目大于21万的时候，随着网格数目的增加，计算的精度明显提高，当网格数目达到85万的时候，精度基本处于稳定值，最终确定的网格数目是85万，可以得到较为准确的结果。
3 不同安装角度对风机性能的影响
风机的安装角度是风机重要的性能参数之一，对风机的整体性能有着直接的影响。叶片的安装角度增大，风机叶片负荷增加，风机叶片表面的压力分布也会随之发生改变，压力脉动加大的话就会增加风机的噪声。而安装角太小的话，也会造成风机的压力、流量和效率的降低。本文按照叶根安装角48°，叶顶安装角分别是28度，33度，38度，即扭转角分别为20度，15度，10度三种情况进行了数值模拟，得到了重要结论。
从图2不同角度的风机全压曲线可以看到，正向通风的时候，10度的叶片在140kg/s工况点风机全压最高点的值到达了4814.32Pa，比15度最高值4491.79Pa大了7.2%，比20度最高值3953.64Pa大了21.7%；反向通风的时候，10度的叶片在160kg/s工况点取得了最大全压4018.12Pa，大于15度叶片的最大值3671.95Pa9.4%，大于20度叶片的最大值3321.74Pa21%。
图3中，10度的风机在170kg/s时取得了正向最高效率值88.99%，在180kg/s取得了反向最高效率值87.01%；15度的风机在190kg/s取得正向最高效率值88.60%，在210kg/s取得了反向最高效率值85.31%；20度的风机在220kg/s时取得了正向最高效率值87.42%，在240kg/s时取得了反向最高效率值82.76%。10度的正向效率最高值比15度高了0.3个百分点，比20度高了1.57个百分点，反向效率最高值比15度高1.8个百分点，比20度高4.25个百分点。
三种扭转角度的压力变化趋势都是随流量的增加先增加后减小，减小的速度基本一致。三种扭转角度的效率总体趋势都是正反向效率随着流量的增大而提高，达到最佳效率工况点后随着流量的继续增加而逐渐降低。从降低速度来看，10度的效率降低的最快，20度的效率降低的最慢，15度的居中。随着扭转角度的增加，性能曲线向大流量区域移动，最大压力和最高效率值不断降低。10度扭转角的稳定工况范围依次大于15度扭转角和20度扭转角。
图4是170kg/s工况点时三种角度在出口界面出的总压分布，可以看到不同扭角的总压分布趋势一样。叶根总压低于叶顶，从根部到顶部压力逐渐增大。在顶部前缘处有一高压区域，从前缘到尾缘逐渐降低。
5 结论
通过对流场和效率的对比分析，研究了不同叶片数和不同安装角度对风机性能的影响，得到了如下结论：安装角度对风机性能有着直接影响，随着扭转角度的增加，性能曲线向大流量区域移动，最大压力和最高效率值不断降低。10度扭转角的稳定工况范围依次大于15度扭转角和20度扭转角。
参考文献
[1] 李庆宜.通风机[M].机械工业业出版社.1981
[2] 吴玉林，陈庆光，刘树红.通风机和压缩机[M].清华大学出版社.2005
[3] A.Landolfa.The Application of Jet Fans to Longitudinal Tunnel Ventilation[C].Sixth International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels， Burham， U.K.，Sept.1988
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