第２８卷第６期 中国民航大 、 学报 Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．６ ２０１０年１２月 ＪｏＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＩＶＩＬ ＡＶＩＡＴ１０Ｎ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＣＨＩＮＡ Ｄｅｅｅｍｂｅｒ ２０ｌ０ 基于ＮＡＣＡ３５０５翼型叶片的ＣＦＤ研究 曹惠玲 ，罗立霄 ，喻腊生 ，李凡停 （１．中国民航大学航空工程学院，天津３００３００；２．哈尔滨工业大学能源学院．哈尔滨１５０００１） 摘要：轴流风机作为空冷发电机的重要部件，直接影响到发电机的冷却效果，进而影响到发电机的稳定运行和效 率。在满足某型号风机原有设计要求的条件下，通过ＮＡＣＡ３５０５翼型，设计新的空间扭曲叶片模型，并对整 个轴流风机进行全流道数值模拟计算。计算结果与原型叶片进行比较，经过分析表明，相对原型叶片．叶片 背面的压力分布较为合理，涡流附面层较薄，涡流脱离强度减小，叶片前缘端没有出现大的涡流．后缘亦未 出现涡流，不仅提高了全压效率，而且扭矩减小，风机的耗功率低， 关键词：轴流风机：翼型：数值计算 中图分类号：ＴＨ３１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—５５９０（２０１０）０６—００１８－０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｂｌａｄｅ Ｕｓｉｎｇ ＮＡＣＡ３５０５ Ａｉｒｆｏｉｌ ｂｙ ＣＦＤ ＣＡ ０ Ｈｕｉ－ｌｉｎ’，ＬＵＯ，Ｊ — ∞ ，ｌ， Ｌａ－ｓｈｅｎｇ ，ＬＩ Ｆａｎ—ｔｉｎｇ Ｌ１．Ｃｏｌｌｅ ０ｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＣＡ ＵＣ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｘｉａｌ—ｆｌｏｗ ｆａｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ａｉｒ—ｃｏｏｌｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．Ｉｔ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｓ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄ ｆｕｒｔｈｅｒ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｎｅｗ ｓｐａｃｅ ｔｗｉｓｔｅｄ ｂｌａｄｅ ｕｓｉｎｇ ＮＡＣＡ３５０５ ａｉｒｆｏｉｌ ｔｈａｔ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ａｆｎ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｆｌｏｗ ｐａｓｓａｇｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｂｌａｄｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｗｉ【ｈ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｂｌａｄｅ．Ｉｔ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｕ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｅｄｄｙ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｔｈｉｎｎｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｅｃｏｍｅｓ ｗｅａｋｅｒ．Ｔｈａｔ ｉｓ ｎｏｔ ａｐｐａｒｅｎｔ ｌａｒｇｅｒ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ ａｎｄ ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｏｒｑｕｅ，ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｘｉａｌ－ｆｌｏｗ ｆａｎ；ａｉｒｆｏｉｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ 随着计算机技术的进步和计算方法的不断改进， 表明，叶顶问隙的减小使间隙涡产生过程延缓，强度 计算流体动力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ，简称 的衰减速度增大，作用范围减小；间隙的存在导致主 ＣＦＤ）在很多领域得到广泛的应用。此外，由于风机内 流速度明显降低，叶尖附近的二次流速度明显增大。 部流场的实验测量还存在很大的困难，使得数值模拟 Ｅｌｈａｄｉ和吴克启闭对轴流风机内的三维流动现象 成为研究叶轮内部流场的一种重要手段。特别是近几 作了数值模拟，计算基于求解雷诺时均的Ｎａｖｉｅｒ— 年来，在借鉴航空机械研究成果的基础上，风机内部 Ｓｔｏｋｅｓ方程，分析了不同工况和不同区域内的流动状 流场数值模拟取得了巨大进步。从无粘性的理想流体 况，高负荷工况下在静叶吸力面出现了大尺度的涡流 发展到粘性的实际流动，从二维、准三维流动发展到 和回流现象，这主要是流量减小时径向离心作用造成 全三维流动。通过分析流场及风机结构，对影响风机 的。为了改善这种流动状况，重新设计了静叶，其安装 性能的主要设计参数进行优化设计，同时还应用于对 角较以前改变了１０。，数值分析结构表明新风机在静 轴流风机噪声的预测。 叶区域流动明显改善，性能有所提高。 李巍、王国强『１＿采用人Ｔ可压缩性方法对具有叶 王军ｌ ３ｌ等针对分体空调器室外机轴流风扇系统特 顶间隙的轴流叶栅内湍流流动进行了数值模拟。结果 点，采用ＣＦＤ方法对该系统中的气体流动进行数值模 收稿日期：２０１０—０５—２０；修回日期：２０１０—０９一ｌ１ 基金项目：哈尔滨市科技攻关项目（２００７ＡＡ２ＣＧ００１—３） 作者简介：曹惠玲（１９６２一），女，河北唐山人，教授，工学博士，研究方向为航空发动机性能分析与故障诊断． 第２８卷第６期 曹惠玲，罗立霄，喻腊生，等：基于ＮＡＣＡ３５０５翼型叶片的ＣＦＤ研究 ｌ９ 拟，内流分析与性能实验结果比较表明，ＣＦＤ技术能 够有效地改进空调器风扇系统设计，为不同叶型风扇 的应用提供了依据。ＬｏｎｇｈｏｕｓｅＩ４１对低速轴流风扇做了 噪声与性能实验，指出外罩与叶顶间隙对风机噪声有 蠹 ≥ ０ ＿ 曩￡｜ｌ ” － ｝ 一 Ｊ？ ｌ ｌ誉 。。 警 很大影响。同时与叶片顶部固定在一起的旋转外罩比 固定外罩在其他条件不变时噪音要低。王东宝【５】等利 用风机三维流场汁算和分析方法，对两台轴流风机的 预测风机Ａ声压级和线性声压级与实测误差分￣ｊｉｊ／ｊ， 于２ ｄＢ和３～４ ｄＢ。还预测两台轴流风机噪声的１／３倍 霉 图１全流道计算模型 Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｕｌｌ ｐａｓｓａｇｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 频谱的趋势和实测符合良好，绝大部分频谱的误差小 于３ ｄＢ，最大误差小于５ ｄＢ。 上述表明ＣＦＤ在中小型风机的设计中已取得一 定的实际成果。本文研究ＣＦＤ在大型风机叶片的设计 应用。以国内某型号发电机空冷风机为例，在满足原 有设计条件要求下，通过ＮＡＣＡ翼型设计出新的扭曲 叶片。利用ＣＦＤ技术对原有叶片和新设计叶片的流场 进行比较计算。 １计算方法 １．１建立叶片物理模型 设计新的风机叶片时，风机叶片的翼型气动性能 是风机气动设计和性能分析的重要基础。风机在低雷 诺数下的性能非常敏感，来流湍流的变化、翼型自身 振动或表面粗糙度都可引起风力机性能的很大改变。 经过选型，在低速状况下，选ＮＡＣＡ３５０５型翼型。 为满足风机叶片强度设计的要求，对原有翼型的后缘 数据进行小部分修改，使满足叶片强度要求。 在给定叶片设计参数条件下，经过多次计算后确 定安放角、叶片根部与顶端扭曲度，使整个风机计算 效率最高。 １．２计算区域定义 流场计算目的是更精确地反映实际流动。为计算 方便，把空气流过的区域划分成三个互不重叠的子区 域，然后确定每个子区域中的节点位置及该节点代表 的控制体积。先用实体把计算域表示出来，以便划分 网格。把整个流场划分为三部分：进气部分、旋转部 分、出口部分，如图１、图２所示。 １．３控制方程 轴流式冷却风扇叶轮内部为三维粘性湍流，这是 一种高度复杂的物理现象，对于这样复杂的场，目前 还未充分了解。但是在工程实践中，通常采用湍流模 型来预测湍流流场。本文采Ｒｅｙｎｏｌｄｓ平均动量方程来 描述风机不可压气体的流动，其张量形式为 ？ 一 ０ ＿ ｌ曩 ； 囊 － －… 搿曩 图２叶片网格划分 Ｆｉｇ．２ Ｍｅｓｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｄｅｓ 嘉（肌）＋音（肌 ）－一 ＋去（ 等）＋ （ Ｍ ）＋Ｓｉ （１） ｏ 式中： （ｉ＝１，２，３）为流体流速；ｐ表示流体压强； 为 动力粘度； （ｉ，Ｊ：１，２，３）为雷诺应力项；５。为广 义源项。 采用ＲＮＧ ｋ－ｓ模型和连续性方程使动量方程封 闭，压力项采用二阶中心差分格式，其他项采用二阶 迎风差分格式。采用速度人口及压力出口边界条件， 在近壁区采用速度分布对数律固壁函数。 １．４边界条件设定 风机的边界条件要求物理上合理，数学上适用， 计算方法可行的原则进行设置。为了模拟进口和叶 轮、叶轮和蜗壳之间的相对运动，分别在相邻区域间 建立交界面。在叶轮机械流场计算中，所要处理的边 界条件有：进、出口边界条件，固壁边界条件等。本文 采用速度进口、压力出口、多参考系模型来进行定常 计算，最终求取面积平均压力，叶片对转轴的扭矩等。 ２计算结果分析 ２．１流场分析 轴流式冷却风扇内部流动较复杂，不同位置流动 性质不同，下面主要分析变化剧烈的流场部分：叶片 和流道，并且对原型叶片与设计叶片进行对比分析。 中国民航大学学报 ２０１０年１２月 １）叶片背面静压分布 经计算得出叶片背面的静压分布： 由图３和图４可以看出原型叶片上端背面出现 严重涡流，而新设计的叶片前缘背面低压区较小，压 力分布较为均匀，压力梯度减弱，只有叶片根部出现 一个小涡流，脱流区减少，气流涡流损失减弱。不仅提 高风机的效－－ Ｉ而１，２￣口０４ 扣 图３原型叶片背面静压分布图 Ｆｉｇ．３ Ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｂｌａｃｋ ｏｆ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｂｌａｄｅ －２６７“ｏ３ ７ ＋∞ ４ｇｌｅｔＯ￣ｔ Ｏ ∞ ・７１ｅｔ４．￣ 七２ ●镐 审柏“ｏ３ ：．ｔ ＯＳｅ＊０４ ・１ Ｅｉｅ＊０４ １ ∞ ＇ Ｗ 图４修改叶片背面静压分布图 Ｆｉｇ．４ Ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｂｌａｃｋ ｏｆ ｍｏｄｉｉｆｅｄ ｂｌａｄｅ ２）叶道流场分布 经计算得出流道静压分布： 从图５和图６可以看出，原型叶片正面出现大的 黑 ．，５ ，。喜 －１∞¨舳 图５原型叶片的叶道截面静压分布图 Ｆｉｇ．５ Ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｂｌａｄｅ Ｓ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ■ ９。０…ｅ＊０￣ 麓 篱１ｓｓｅ￣ｏ４ 图６修改叶片的叶道截面静压分布图 Ｆｉｇ．６ Ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｍｏｄｉｉｆｅｄ ｂｌａｄｅ Ｓ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ 高压区，容易产生堵塞。新设计的叶片前缘只有正面 出现一个小涡流，而且气流能有效附着在翼型表面， 附面层背面的脱流层也减弱，使得叶片背面受力均 匀。气体来流对叶片前缘的冲击减弱，气流流过叶片 背面顺畅。经过叶片后，气流均匀，设计合理。冲击损 失减少，效率提高。 ２．２效率计算 经过流场计算，可以直接提取相关参数。在Ｆｌｕｅｎｔ 中，流场内某一点的总压Ｐｎ由下式定义 Ｐｏ＝ ＋０．５Ｐ ＩＵＩ （２） 其中： 为静压。使用Ｆｌｕｅｎｔ提供的表面积分功能，可 得到叶片进口总压 ｉ 和出口总压 。 利用Ｆｌｕｅｎｔ在后处理环节提供的报告扭矩的功 能，可得到叶片对转轴的扭矩 。这样可以获得某工 况特定流量Ｑ下的全压效率 叼 ： （３） 其中： 为风机的转速。 １）原型叶片 叶片进口总压：Ｐｏｉ ＝一７ １５０．１４Ｐａ，出口总压：Ｐｏ ：’ ４ ４２６．８４ Ｐａ，叶片对转轴的扭矩：Ｍ＝１ ８８５．８４ Ｎ・ｍ，全 压效率：７／ ＝６８．４％。 ２）新设计叶片： 叶片进口总压：Ｐｏｉ ＝一６ ７８６．７７Ｐａ，出口总压：Ｐｏ ： ２ ２６３．３２ Ｐａ，叶片对转轴的扭矩：Ｍ＝１ ４１５．７２ Ｎ・ｍ，全 压效率： ＝７１．２％。 经计算表明在满足设计要求情况下，全压效率提 高了２．８％，而扭矩减小４７０．１２ Ｎ・ｍ，流场分布得到了 改善，叶片寿命增加，风机的耗功率可得到明显降低。 ２．３效率分析 在轴流风机中，轮毂比一定的情况下，效率损失 主要来源于叶片环中的损失。气流经过叶片环的压力 损失非常复杂。为了能用简化的计算方法计算气流经 过叶片环中总的压力损失，通常把损失分成五部分： 第２８卷第６期 曹惠玲，罗立霄，喻腊生，等：基于ＮＡＣＡ３５０５翼型叶片的ＣＦＤ研究 ２ｌ 翼型阻力损失、冲击损失、涡流损失、径向问隙损失及 排挤系数。 １）翼型阻力损失 叶片前缘端没出现大的涡流，后缘也没出现脱流，在 满足设计要求情况下，扭矩变小，叶片寿命加长，同时 降低了风机的功率消耗，全压效率也提高到７１．２％。 轴流通风机叶片环中的翼型阻力损失，通常认为 与几何参数相同的平面直列叶栅中的翼型损失相同。 实际上，叶轮中的翼型损失数值与平面叶栅是不同 的，这是由于叶片附面层中的气流流动具有空间的特 ３结语 从叶片选型看，对于风机叶片，如果要获得更大 征。而ＮＡＣＡ３５０５翼型前缘端较薄，相对厚度也较小， 的静压差，最大相对弯度应该变小，给予叶片背面更 翼型阻力损失较少。 ２）冲击损失 从叶道流场可以看出气体来流对叶片前缘的冲 击减弱，沿叶片表面摩擦损失变小，气流流过叶片背 面顺畅。经过叶片后，气流均匀、冲击损失减少、效率 提高。 ３）涡流损失 当气流流过叶道时，气流与叶片间存在相对运 动，存在相互作用，而且叶片正面的压力要大于叶片 背面的压力。在沿着叶片高度的中间部分，相邻叶片 之间的横向压力梯度为气流的离心力所平衡，所以气 流不会产生横向方向的流动。从图６可以看出涡流附 面层较薄，涡流脱离强度较小，涡流损失也小。 ４）径向间隙损失 由于叶轮在机壳里回转，叶片顶端与机壳间必须 留有径向间隙，在气流由叶片正面流向背面的过程 中，会产生尖端漩涡，造成气流损失。本文选取的计算 域不考虑径向间隙损失，故亦无径向间隙损失。 ５）排挤系数 排挤系数，是考虑叶片厚度对流道排挤程度的系 数，其值等于实际的有效过流面积与无叶片时过流面 积之比。叶片厚度排挤作用使得进口速度增加产生压 力损失，ＮＡＣＡ３５０５翼型的最大相对厚度只有５％，排 挤系数较小，流量增加。 经过流场计算、计算分析表明，叶片背面的压力 分布较为合理，涡流附面层较薄，涡流脱离强度较小， 长的流道，使叶道起到扩压作用；最大相对弯度变小， 也有利于推迟附面层分离，效率提高。中弧线最高点 离前缘的位置应该适宜，往前容易使叶片后缘脱流， 产生更大的尾涡，往后叶片切向空气的作用长度变 小，效率也会降低。叶片的最大相对厚度直接关系到 叶片的排挤系数，相对厚度减小，叶片排挤系数变小， 效率提高，同时要保证叶片的强度。 风机设计还要考虑叶片对扭轴转矩的影响，从叶 道截面的静压分布图中可以看出，叶片前缘两侧分别 有一高压和低压漩涡，对叶片产生一个极大的反转向 力，形成扭矩；在各项设计参数要求都满足的前提下， 扭矩应该尽量减小，由此降低了风机的功率消耗，这 对提高大型气冷发电的效益十分可观。 参考文献： 【１］李巍，王国强．具有叶顶间隙轴流叶栅流动数值模拟［Ｊ１．上海交 通大学学报，２０００，３４（１２）：１７０８—１７１２． ［２］ＥＬＨＡＤＩ Ｅ，ｗｕ ＫＥＱＩ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｏｒｔｅｘ ｌｆｏｗｓ ｉｎ ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ ｆａｎ ＵＳ— ｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔａｂｌｅ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］．Ｐａｋｉｓｔａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，３（１）：２４—２４． ［３］王军，金培耕．空调用轴流风扇系统内流特性分析与应用【Ｊ１．工 程热物理学报．２００２，２３（３）：３０５—３０８． 【４］ＬＯＮＧＨＯＵＳＥ Ｒ Ｅ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｉｐ—ｖｏ￣ｅｘ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ ｆａｎｓ ｂｙ ｒｏ— ｔａｔｉｎｇ ｓｈｒｏｕｄｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，１９７８，５８（２）：２０１— ２ｌ４． ［５］王东宝，李嵩，朱之墀．低压轴流风机噪声频谱预估与实测ｆＪ】．流 体机械，２００４，３２（１）：７－９． （责任编辑：李侃）