1、可逆式軸流風機的三維設計3-D Design of Reversible Axial Fan 黃典貴 李孝偉/上海大學 力學研究所摘要： 應用三維雷諾平均Navier-Stokes方程模擬可逆式軸流風機的粘性流動，仔細分析渦流產生的機制，并結合風機正反向旋轉速度、風壓、風量和效率等要求，對地鐵用可逆式軸流風機的葉型和裝配角進行了優選設計，取得了良好的效果。關鍵詞：軸流式通風機 可逆式 三維設計中圖分類號：TH432.1 文獻標識碼: B文章編號: 1006-8155(2005)03-0008-03Abstract ：A code based on 3-D Reynolds-Averaged N

2、avier-Stokes equations is used to design a reversible axial fluid fan for metro. Carefully analyzing the viscous fluid structure in the passage among hundreds of tests, a best shape of blade for the target fan is obtained. The rotative velocity, flux, exit pressure and efficiency are anticipative.Ke

3、ywords ：Axial Fan Reversible 3-D Design1 引言通常，在發生火災等緊急情況下，要求風機具有反向通風能力,這種風機稱為可逆風機，其翼型稱為可逆翼型。對可逆風機的具體要求就是風機在正向和逆向送風時，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，為了保持地鐵內良好的環境，正常情況下通風機都是常年在設計工況下工作的，從節能角度講，當然希望風機具有較高的工作效率。但是，一旦地

4、鐵內發生火災，要求風機必須得具有迅速反向排風的功能，由于這種狀況極為罕見，因此，并不要求此時風機具有高效率，但要求排風量大。針對這一工程背景，受某風機制造廠的委托，對這類風機進行了設計研究。確認了風機運轉中的流場結構是風機設計的基礎，為此，根據軸流風機的三維雷諾平均Navier-Stokes方程來模擬其流道內的粘性流動。然后又仔細分析了流動中漩渦的產生機制，并結合風機正反向旋轉速度、風量、風壓和效率等要求，對地鐵用可逆式軸流風機的葉型和裝配角進行了設計，取得了良好的效果。2 流動控制方程在固連于風機的非慣性旋轉坐標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系下表達

5、對于計算來說是非常方便的。參照文獻3，相對坐標系下的控制方程可以寫為_收稿日期:2005-12-27 上海市 200072式中 在上述公式中，分別為流體的密度、速度在絕對坐標系下的分量、總能、總焓、壓強、粘性系數、熱傳導系數和溫度；和分別為絕對坐標系和相對坐標系下坐標軸方向的單位矢量；為相對坐標系的旋轉角速度矢量；下標r 表示絕對量在相對坐標系的分量。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 設計結果與討論由于三維風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計方法，計算工作量都是難以承受的。經驗表明，在設計工況下,

6、葉片流道中的漩渦越小，風機的通風量將越大，并且由粘性引起的能量消耗將越小。因此，本研究從工程應用和工程實際需求出發，采用了流場結構分析和葉片外形調整相結合的辦法來進行可逆式軸流風機的葉型和裝配角的優選設計，以分別達到正、反向旋轉速度下要求的風量和效率及全壓。從數百個算例中優選出最后的設計方案, 應該指出, 在同等條件下, 得到的優選結果不一定是最優的,可能還有一定的潛力可以挖掘。受某公司委托,希望設計出一個地鐵用可逆軸流風機, 由于該風機將長期正向運行, 只有在地鐵發生火災等意外情況時, 才需要反向排風。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

7、下:（1）反向運行要求葉輪直徑：2000mm風量：60m3/s全壓：1000Pa輪轂直徑：950mm葉輪轉速：985r/min風機全壓效率： 60%葉片個數：14葉根厚度： 35mm（2）正向運行要求直徑：2000mm風量：50m3/s全壓：700Pa輪轂直徑：950mm葉輪轉速： 750r/min風機全壓效率： 0%以全三維雷諾平均Navier-Stokes方程的計算程序為基礎，通過數百個算例，分析流場結構與細節，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。該葉型的反向風量為61.4m3/s，全壓效率為63.5%，全壓為1100Pa；正向風量為56.6

8、m3/s，全壓效率為84.5%,全壓為1000Pa，達到了設計要求。由于篇幅所限，設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果。圖1可逆風機流道三維造型圖1是設計得到的可逆風機流道三維造型, 圖2分別為正向轉動時根部、中部與頂部的流線圖。從流線圖中可以看出，風機正向運行時，流道內流動合理，基本不存在漩渦, 因此，流動效率比較高。圖3分別為反向轉動時根部、中部與頂部的流線圖。可以看出, 葉片根部和頂部由粘性產生的漩渦較為明顯，所以風機效率會相對較低，但葉片中部基本沒有漩渦，也就是說，在主流區，流道實際通流面積還是能保證的，因此，流量達到了設計要求，但由于根部與頂部漩渦的存在，使得反轉時流動效率偏低，這也是我們預料之中的。(a) 根部 （b）中部 （c）頂部 圖2 風機正向運行時葉片根部、中部、頂部的流線圖(a) 根部 （b）中部 （c）頂部 圖3 風機反向運行時葉片根部、中部、頂部的流線圖總體上，設計的可逆式軸流風機達到了委托方的要求，尤其是正向運行的各項指標都是令人滿意的。但從流場圖可以看出，在反向運轉時，粘性消耗比較明顯，所以再進一步提高反轉效率的空間還比較大。采用更先進的設計方法，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, 該風機已經通過委托方的性能試驗,各項性能指標達到了要求,說明本設計研究達到了預