■陳愛平許 剛

(1.武昌工學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北武漢 430065；2.武漢鼓風(fēng)機有限公司，湖北武漢 430060）

貫流風(fēng)機因其結(jié)構(gòu)緊湊、氣流穩(wěn)定的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于各類飼料冷藏庫中，貫流風(fēng)機性能的好壞直接決定了冷藏庫冷藏性能的優(yōu)劣。而貫流風(fēng)機的出風(fēng)量是其性能的重要指標(biāo)之一。研究發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機的結(jié)構(gòu)參數(shù)對貫流風(fēng)機的出風(fēng)量有著非常重大的影響。

應(yīng)用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，后文簡稱CFD）軟件ANSYS FLUENT14.0數(shù)值模擬某貫流風(fēng)機的內(nèi)部流場，分析風(fēng)機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)機流量性能的影響情況（風(fēng)機的出風(fēng)量通常用出風(fēng)口的體積流量表示），為貫流風(fēng)機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

1 風(fēng)機原有的結(jié)構(gòu)參數(shù)

貫流風(fēng)機主要由電動機、葉輪、氣道組成。其原始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：內(nèi)外徑比值（d/D）0.81,葉片內(nèi)圓周角α取值86°，外圓周角β取值22°，蝸舌間隙εr取值2 mm，蝸殼間隙εc取值2 mm，葉片數(shù)目取值35，葉輪轉(zhuǎn)速1 300 r/min，風(fēng)機軸向長度250 mm，軸向葉片扭曲角度為50°。

2 數(shù)值模擬計算

應(yīng)用ANSYS FLUENT14.0軟件分別對不同蝸舌間隙、蝸殼間隙，不同內(nèi)外圓周角，不同葉片數(shù)，不同直徑比的貫流風(fēng)機進行三維建模和網(wǎng)格劃分,并對其內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬計算時，控制方程選用時均雷諾N-S方程和RNGk-ε湍流模型。收斂條件設(shè)為：風(fēng)機結(jié)構(gòu)參數(shù)計算誤差和風(fēng)機的風(fēng)量誤差控制在0.1%以內(nèi)。

圖1是貫流風(fēng)機在窩舌間隙取5種不同的數(shù)值時，數(shù)值模擬得到的不同的速度云圖（出風(fēng)口體積流量=平均風(fēng)速×風(fēng)管截面積）。其模擬計算結(jié)果顯示，改進前的貫流風(fēng)機出風(fēng)口體積流率為321.76 mm3/h（體積流率是風(fēng)速與截面面積的乘積）。

圖1 不同窩舌間隙風(fēng)機速度

3 結(jié)果與分析

模擬圖像表明，蝸舌間隙、蝸殼間隙、葉片內(nèi)外圓周角、葉輪內(nèi)外徑比值、葉片數(shù)這6個結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時，風(fēng)速（出風(fēng)量）會隨之改變，可看出此6個結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響風(fēng)機流量的主要因素。

3.1 蝸舌間隙對出風(fēng)量的影響

圖2的曲線描述了在其他5個結(jié)構(gòu)參數(shù)取原始值時，窩舌間隙的改變對風(fēng)機流量（出風(fēng)口體積流量V）的影響情況：體積流量隨著窩舌間隙的增大而增大，之后出現(xiàn)大幅度減小，在蝸舌間隙取值4 mm時出風(fēng)口體積流量達到最大值354.08 mm3/h。

圖2 蝸舌間隙對出風(fēng)量的影響

3.2 蝸殼間隙對出風(fēng)量的影響

圖3描述了在其他5個結(jié)構(gòu)參數(shù)取原始值時，窩殼間隙對風(fēng)口體積流量的影響情況。可看出：蝸殼間隙從2 mm到6 mm變化時出風(fēng)口體積流量V先隨著蝸殼間隙的增大而增大，在達到某個點時又呈現(xiàn)部分急劇減小的情況。在蝸殼間隙取值3 mm時體積流量達到最大值325.65 mm3/h。

3.3 葉片內(nèi)圓周角對出風(fēng)量的影響

葉片內(nèi)圓周角對風(fēng)口體積流量影響見圖4。在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)取原始數(shù)值時，出風(fēng)口體積流率隨著內(nèi)圓周角的增大是先減后增再減，當(dāng)內(nèi)圓周角取88°時體積流率達到最大值324.69 mm3/h。

圖3 蝸殼間隙對出風(fēng)量的影響

圖4 葉片內(nèi)圓周角對出風(fēng)量的影響

3.4 葉片外圓周角對出風(fēng)量的影響

圖5的曲線描述了在其他5個結(jié)構(gòu)參數(shù)取原始值，葉片外圓周角對風(fēng)機流量的影響情況。風(fēng)量隨著外圓周角的增大是先增后減，在外圓周角取值22°時體積流率達到最大值321.76 mm3/h。

3.5 葉片數(shù)目對風(fēng)機流量的影響

圖6的曲線描述了在其他5個結(jié)構(gòu)參數(shù)取原始值，葉片數(shù)目對風(fēng)機流量的影響情況。葉片數(shù)目的增多會促使風(fēng)口體積流量先增大后減少，在葉片數(shù)目達到25時出風(fēng)口體積流量達到最大值332.32 mm3/h。

圖5 葉片外圓周角對出風(fēng)量的影響

圖6 葉輪內(nèi)外徑比對出風(fēng)量的影響

3.6 葉輪內(nèi)外徑比對風(fēng)機流量的影響

圖7的曲線描述了在其他5個結(jié)構(gòu)參數(shù)取原始值，葉輪內(nèi)外徑比對風(fēng)機流量的影響情況。葉輪內(nèi)外徑比例的增大會使風(fēng)量先增后減，在比值取0.75時得到最大體積流量346.21 mm3/h。

圖7 葉輪內(nèi)外徑比對出風(fēng)量的影響

3.7 單個優(yōu)化參數(shù)疊加

不考慮參數(shù)之間的交互耦合作用，將上述6個結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化進行簡單疊加：蝸舌間隙取值4 mm，蝸隙取值3 mm，葉片內(nèi)外圓周角分別取值88°和22°，葉片數(shù)目取值25，葉輪內(nèi)外徑比為0.75。此時模擬計算得到貫流風(fēng)機出風(fēng)口體積流量為364.37 mm3/h。相比原始結(jié)構(gòu)的風(fēng)機流量（321.76 mm3/h）提高了13.24%。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)正交設(shè)計

事實情況是：風(fēng)機各參數(shù)對出風(fēng)量的影響不是孤立存在的，它們對風(fēng)量的影響存在耦合交互作用。也就是說單個優(yōu)化參數(shù)的簡單疊加可能并不是最優(yōu)解?？捎谜粚嶒灧▉肀容^這些參數(shù)的交互情況。其方法是：將蝸舌間隙、蝸殼間隙、內(nèi)外圓周角、葉片數(shù)目、內(nèi)外徑比6個結(jié)構(gòu)參數(shù)定為試驗因素，每個試驗因素分別給出5個代表值，實驗指標(biāo)為風(fēng)量（出風(fēng)口體積流量）。采用表1所示的25組正交實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過25次數(shù)值模擬實驗求得對應(yīng)的實驗指標(biāo)——風(fēng)量。

表1可以看出，該貫流風(fēng)機結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合是：蝸舌間隙3 mm、蝸殼間隙2 mm、葉片內(nèi)外圓周角88°與28°、葉片數(shù)目35、葉輪內(nèi)外徑比0.8。此時風(fēng)機的體積流率為371.32 m3/h，效果較單個參數(shù)優(yōu)化的簡單疊加更佳。

5 測試

按照正交方法獲得的參數(shù)組合（蝸舌間隙3 mm，蝸殼間隙2 mm，葉片內(nèi)外圓周角88°與28°，葉片數(shù)目35，葉輪內(nèi)外徑比0.8）試制出樣機。將其放在風(fēng)機檢測實驗臺上進行測試。測得的相關(guān)數(shù)據(jù)與軟件模擬數(shù)據(jù)基本吻合。圖8是部分數(shù)值計算結(jié)果和實測結(jié)果的比較。根據(jù)測試結(jié)果（出風(fēng)口體積流量=出風(fēng)口風(fēng)速平均值×風(fēng)管截面積）可知改進后的風(fēng)機樣機風(fēng)量增加到了381.82 mm3/h。相比原始風(fēng)機的出風(fēng)口體積流量（321.76 mm3/h）提高18.67%。

圖8 測試與模擬數(shù)值比較

6 結(jié)論

6.1 貫流風(fēng)機不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)機的風(fēng)量影響規(guī)律不一樣。

6.2 貫流風(fēng)機的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其風(fēng)量的影響不是獨立的，它們之間具有耦合交互性。用正交實驗設(shè)計得到的最優(yōu)參數(shù)組合（考慮參數(shù)之間的耦合作用）比單個參數(shù)優(yōu)化的簡單疊加效果更優(yōu)。

表1 正交實驗數(shù)值

6.3 此風(fēng)機的結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合方案是：蝸舌間隙、蝸殼間隙分別為3 mm、2 mm，葉片內(nèi)外圓周角分別取88°與28°，葉片數(shù)取值35，葉輪內(nèi)外徑比取值0.8。按照此組參數(shù)設(shè)計出的貫流風(fēng)機，其出風(fēng)量可提升約18.67%。此參數(shù)組合可作為貫流風(fēng)機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)據(jù)參考。