摘要： 應(yīng)用三維雷諾平均 Navier-Stokes 方程模擬可逆式軸流風(fēng)機的粘性流動，仔細(xì)分析渦流產(chǎn)生的機制，并結(jié)合風(fēng)機正反向旋轉(zhuǎn)速度、風(fēng)壓、風(fēng)量和效率等要求，對地鐵用可逆式軸流風(fēng)機的葉型和裝配角進行了優(yōu)選設(shè)計，取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞 ：軸流式通風(fēng)機 可逆式 三維設(shè)計
中圖分類號： TH432.1 文獻標(biāo)識碼 : B
文章編號 : 1006-8155(2005)03-0008-03

Abstract :The viscous flow of reversible axial fan is simulated based on 3D Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations .Vortex forming mechanizm is carefully analyzed. Combining the requirments of fan forward and backword rotation velocity, pressure,flow rate and efficiency, the profile and stagger angle of reversible axial fan for metro are designed optimizingly, and satisfactory effect are obtained optimizingly,and satisfactory effect are obtained.
Keywords :Axial Fan Reversible 3-D Design

1　 引言

通常，在發(fā)生火災(zāi)等緊急情況下，要求風(fēng)機具有反向通風(fēng)能力 , 這種風(fēng)機稱為可逆風(fēng)機，其翼型稱為可逆翼型。對可逆風(fēng)機的具體要求就是風(fēng)機在正向和逆向送風(fēng)時，都能具有良好的氣動性能。文獻［1,2］對可逆翼型進行了一些研究， S 型葉片是可逆風(fēng)機中比較常用的一種葉片，但是，研究表明，這種正反向性能相同的雙對稱翼型在升力系數(shù)與失速攻角方面并不令人滿意［1］。

有時并不要求正反向具有完全相同的性能要求，對地鐵而言，為了保持地鐵內(nèi)良好的環(huán)境，正常情況下通風(fēng)機都是常年在設(shè)計工況下工作的，從節(jié)能角度講，當(dāng)然希望風(fēng)機具有較高的工作效率。但是，一旦地鐵內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，要求風(fēng)機必須得具有迅速反向通風(fēng)的功能，由于這種狀況極為罕見，因此，并不要求此時風(fēng)機具有高效率，但要求通風(fēng)量大。針對這一工程背景，受某風(fēng)機制造廠的委托，對這類風(fēng)機進行了設(shè)計研究。確認(rèn)了風(fēng)機運轉(zhuǎn)中的流場結(jié)構(gòu)是風(fēng)機設(shè)計的基礎(chǔ)，為此，根據(jù)軸流風(fēng)機的三維雷諾平均 Navier-Stokes 方程來模擬其流道內(nèi)的粘性流動。然后又仔細(xì)分析了流動中漩渦的產(chǎn)生機制，并結(jié)合風(fēng)機正反向旋轉(zhuǎn)速度、風(fēng)量、風(fēng)壓和效率等要求，對地鐵用可逆式軸流風(fēng)機的葉型和裝配角進行了設(shè)計，取得了良好的效果。

2　 流動控制方程

在固連于風(fēng)機的非慣性旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下觀察流體的絕對運動，流場是定常的。因此，將控制方程在非慣性的相對坐標(biāo)系下表達對于計算來說是非常方便的。參照文獻[3] ，相對坐標(biāo)系下的控制方程可以寫為

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下標(biāo) r 表示絕對量在相對坐標(biāo)系的分量。

控制方程的空間離散采用的是中心有限體積格式，時間方向采用的是五步龍格 - 庫塔法求解。

3　 設(shè)計結(jié)果與討論

由于三維風(fēng)機粘性流場的計算非常耗時，所以無論是采用伴隨方程法或是采用遺傳算法等先進的設(shè)計方法，計算工作量都是難以承受的。經(jīng)驗表明，在設(shè)計工況下 , 葉片流道中的漩渦越小，風(fēng)機的通風(fēng)量將越大，并且由粘性引起的能量消耗將越小。因此，本研究從工程應(yīng)用和工程實際需求出發(fā)，采用了流場結(jié)構(gòu)分析和葉片外形調(diào)整相結(jié)合的辦法來進行可逆式軸流風(fēng)機的葉型和裝配角的優(yōu)選設(shè)計，以分別達到正、反向旋轉(zhuǎn)速度下要求的風(fēng)量和效率及全壓。從數(shù)百個算例中優(yōu)選出最后的設(shè)計方案 , 應(yīng)該指出 , 在同等條件下 , 得到的優(yōu)選結(jié)果不一定是最優(yōu)的 , 可能還有一定的潛力可以挖掘。

受某公司委托 , 希望設(shè)計出一個地鐵用可逆軸流風(fēng)機 , 由于該風(fēng)機將長期正向運行 , 只有在地鐵發(fā)生火災(zāi)等意外情況時 , 才需要反向通風(fēng)。因此 , 希望正向運行時具有較高的效率 , 反向運行時流量比較大，效率要求不高，基本條件與要求如下 :

　　�。�1）反向運行要求
　　　 ①葉輪直徑： 2000mm
　　　 ②風(fēng)量： 60m 3 /s
　　　 ③全壓： 1000Pa
　　　 ④輪轂直徑： 950mm
　　　 ⑤葉輪轉(zhuǎn)速： 985r/min
　　　 ⑥風(fēng)機全壓效率：≥ 60%
　　　 ⑦葉片個數(shù)： 14
　　　 ⑧葉根厚度：≥ 35mm

　　�。�2）正向運行要求
　　　 ①直徑： 2000mm
　　　 ②風(fēng)量： 50m 3 /s
　　　 ③全壓： 700Pa
　　　 ④輪轂直徑： 950mm
　　　 ⑤葉輪轉(zhuǎn)速：≤ 750r/min
　　　 ⑥風(fēng)機全壓效率：≥ 80%

以全三維雷諾平均 Navier-Stokes 方程的計算程序為基礎(chǔ)，通過數(shù)百個算例，分析流場結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)，不斷修改葉片幾何形狀與安裝角度，得到了一個最好的葉片形狀造型，其三維造型如圖1所示。該葉型的反向風(fēng)量為61.4m3/s ，全壓效率為63.5% ，全壓為1100Pa；正向風(fēng)量為56.6m3/s ，全壓效率為84.5%, 全壓為1000Pa，達到了設(shè)計要求。由于篇幅所限，設(shè)計過程中的各種算例我們就不再描述了，下面只給出最后的結(jié)果。

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圖1是設(shè)計得到的可逆風(fēng)機流道三維造型 , 圖2分別為正向轉(zhuǎn)動時根部、中部與頂部的流線圖。從流線圖中可以看出，風(fēng)機正向運行時，流道內(nèi)流動合理，基本不存在漩渦 , 因此，流動效率比較高。圖3分別為反向轉(zhuǎn)動時根部、中部與頂部的流線圖�？梢钥闯� , 葉片根部和頂部由粘性產(chǎn)生的漩渦較為明顯，所以風(fēng)機效率會相對較低，但葉片中部基本沒有漩渦，也就是說，在主流區(qū)，流道實際通流面積還是能保證的，因此，流量達到了設(shè)計要求，但由于根部與頂部漩渦的存在，使得反轉(zhuǎn)時流動效率偏低，這也是我們預(yù)料之中的。

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總體上，設(shè)計的可逆式軸流風(fēng)機達到了委托方的要求，尤其是正向運行的各項指標(biāo)都是令人滿意的。但從流場圖可以看出，在反向運轉(zhuǎn)時，粘性消耗比較明顯，所以再進一步提高反轉(zhuǎn)效率的空間還比較大。采用更先進的設(shè)計方法，如利用正反組合葉片，在不降低正向運行效率的前提下，肯定會大大提高反向運行時的效率。

目前 , 該風(fēng)機已經(jīng)通過委托方的性能試驗 , 各項性能指標(biāo)達到了要求 , 說明本設(shè)計研究達到了預(yù)期目的。

5　 結(jié)論

通過對風(fēng)機粘性流場進行精確的數(shù)值模擬，再仔細(xì)分析流場結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合工程實際需求，對葉片造型進行調(diào)整，設(shè)計出了性能良好的可逆式軸流風(fēng)機。

流量和葉片沒有直接的關(guān)系式，軸流通風(fēng)機設(shè)計方法可以說是一門獨立的學(xué)科，我們無法在此告知您詳細(xì)的設(shè)計步驟，您可以查閱相關(guān)的書籍。
軸流通風(fēng)機設(shè)計有單獨翼葉進行空氣動力試驗所得的數(shù)據(jù)進行設(shè)計還有利用葉柵的理論和葉柵的吹風(fēng)試驗成果來進行設(shè)計的方法。
同時，葉型的種類也有很多如RAF-6E葉型,CLARKy葉型，Ls葉型，葛廷根葉型，圓弧板葉型等。
如果您只是想詢問與流量有關(guān)的公式，我們在此把幾個與流量有關(guān)的公式寫出：（cZ 、 N、ns、σ分別為平均軸向速度、軸功率、比轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速系數(shù)）
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