潘洋洋，莊進(jìn)標(biāo)，林瑞霖

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913；2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033）

0 引言

水力排煙風(fēng)機(jī)因其具有性能穩(wěn)定、風(fēng)量大、防爆性能好、動(dòng)力源充足（可利用消防水驅(qū)動(dòng)）等特點(diǎn)，可被應(yīng)用于艦船消防排煙等領(lǐng)域。然而當(dāng)前水力排煙風(fēng)機(jī)普遍存在壓力低、運(yùn)行效率差等缺點(diǎn)。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以增大壓力、提高效率、減少資源浪費(fèi)[1-2]。

風(fēng)機(jī)葉片是整個(gè)排煙風(fēng)機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)良好與否直接決定了風(fēng)機(jī)運(yùn)行效能，因此對(duì)風(fēng)機(jī)葉片部分進(jìn)行優(yōu)化研究有重要意義[3-4]。本文主要以某型水力排煙風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，利用CFD軟件對(duì)該型水力風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)機(jī)葉片開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)優(yōu)化前、后水力風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而獲取優(yōu)化方案。

1 建模及影響因素分析

1.1 水力風(fēng)機(jī)建模

該水力風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)機(jī)，主要由水輪機(jī)和風(fēng)機(jī)兩部分組成，水輪機(jī)作為動(dòng)力模塊，將壓力水的壓力轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能。因本文主要研究水力風(fēng)機(jī)部分，考慮到水輪機(jī)位于風(fēng)機(jī)輪轂之內(nèi)，其內(nèi)部的水流場(chǎng)和風(fēng)機(jī)內(nèi)部的空氣流場(chǎng)處于完全分隔狀態(tài)，并且水輪機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在建模仿真中只對(duì)風(fēng)機(jī)部分進(jìn)行建模，水輪機(jī)在初始條件設(shè)置時(shí)通過(guò)給葉輪一個(gè)初始速度以代替。

對(duì)水力風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬前，根據(jù)測(cè)繪的參數(shù)在三維軟件UG 上對(duì)進(jìn)行建模。

水力風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。風(fēng)機(jī)葉片葉型為機(jī)翼型。

表1 水力風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

根據(jù)表1中水力風(fēng)機(jī)葉輪部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合前期測(cè)繪數(shù)據(jù)，得到水力風(fēng)機(jī)葉輪簡(jiǎn)化幾何模型見圖1。

完成葉輪幾何模型建立后，需建立風(fēng)機(jī)外殼實(shí)體模型，本文主要研究的是水力風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣流通道，因此在建模過(guò)程中將風(fēng)機(jī)外殼簡(jiǎn)化為圓柱體，而不考慮外殼上的附件及殼體厚度。圓柱體內(nèi)減去風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)剩下的空間便是研究所需的完整流域，圖2是在前處理器ICEM 顯示的水力風(fēng)機(jī)內(nèi)部計(jì)算流域模型圖。

圖1 風(fēng)機(jī)葉輪幾何模型

圖2 水力風(fēng)機(jī)內(nèi)部計(jì)算流域圖

1.2 葉片結(jié)構(gòu)影響因素分析

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化作了大量研究，常見的研究對(duì)象包括葉片形狀、輪轂比、葉片數(shù)目和葉片安裝角。由于該風(fēng)機(jī)葉片形狀不規(guī)則，研究難度較大，而輪轂比、葉片數(shù)目和葉片安裝角則較為容易控制，故本文主要基于原葉片，對(duì)輪轂比、葉片數(shù)目和葉片安裝角進(jìn)行優(yōu)化研究，以尋找最佳的參數(shù)組合。

輪轂比是風(fēng)機(jī)輪轂直徑Dn與葉輪外徑Dt的比值，用υ表示。輪轂比對(duì)風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)有重要的影響，風(fēng)機(jī)的全壓與輪轂比成正比，風(fēng)機(jī)效率與輪轂比成反比[5]。輪轂比過(guò)大時(shí)，葉片會(huì)過(guò)短，氣體在葉片流道中流動(dòng)損失增加，風(fēng)機(jī)性能惡化，影響風(fēng)機(jī)出口軸向尺寸；當(dāng)輪轂比過(guò)小時(shí)，氣流容易在葉根部分發(fā)生分離現(xiàn)象。在實(shí)際設(shè)計(jì)中根據(jù)風(fēng)機(jī)的需求不同如，輪轂比的選擇也不相同，通常對(duì)于風(fēng)壓高、流量小的風(fēng)機(jī)，選擇較大輪轂比；對(duì)于風(fēng)壓低、流量大的風(fēng)機(jī)，選擇較小輪轂比。

本風(fēng)機(jī)的輪轂比為0.593，風(fēng)機(jī)輪轂比的優(yōu)化研究圍繞原有輪轂比進(jìn)行，參照前期單因素仿真結(jié)果，選取0.55、0.593和0.65三種輪轂比進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，輪轂比設(shè)計(jì)保證風(fēng)機(jī)外殼內(nèi)徑大小不變即220 mm，葉頂間隙設(shè)為葉高的1%，3種輪轂比下的風(fēng)機(jī)葉輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2。

表2 不同輪轂比下風(fēng)機(jī)相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

葉片數(shù)目是影響風(fēng)機(jī)工作性能的重要參數(shù)之一，在一定范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和效率隨著葉片數(shù)目的增多而變大，主要是因?yàn)閷?duì)空氣作功的的葉片個(gè)數(shù)增加，但如果葉片數(shù)過(guò)多，則會(huì)導(dǎo)致葉片稠密度增加，葉片間的空氣流道變窄，阻礙了空氣的流動(dòng)，造成空氣流量變少[6]。

在軸流風(fēng)機(jī)葉片的數(shù)目的選擇中可以參照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，經(jīng)驗(yàn)表明在輪轂比處于0.5～0.7之間時(shí)，葉片數(shù)目N選擇范圍為6～10。

葉片安裝角反應(yīng)了葉片相對(duì)葉輪的軸向安裝位置，是影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能的重要結(jié)構(gòu)因素[7]。隨著葉片安裝角的變大，風(fēng)機(jī)葉片的迎風(fēng)面變大，葉片負(fù)荷也隨之增大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲變大，過(guò)大的葉片安裝角也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉頂間隙變大，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能下降。當(dāng)葉片安裝角過(guò)小時(shí)，雖然葉片所受的負(fù)荷變小，但是風(fēng)機(jī)的壓力、流量和效率等性能卻也會(huì)隨之變小。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

如前文介紹，風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)受多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。為確定風(fēng)機(jī)葉片各參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的主次順序，得到最佳組合方式，需要對(duì)不同參數(shù)組合的方案進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析。若對(duì)輪轂比、葉片數(shù)目和葉片安裝角進(jìn)行3因素3水平的優(yōu)化篩選，則需要進(jìn)行33=27次仿真試驗(yàn)。這樣不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且嚴(yán)重影響研究進(jìn)度。運(yùn)用正交設(shè)計(jì)[8]的方法可以較好地解決這一問(wèn)題，在提高效率的同時(shí)得到優(yōu)化方案。

2.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

正交設(shè)計(jì)的基本方法是選用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有重要意義的典型因素來(lái)獲得對(duì)整體可靠的結(jié)論。而正交表的設(shè)計(jì)是獲得可靠合理、具有代表性因素的關(guān)鍵。正交表應(yīng)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：一是同一列中不同水平數(shù)出現(xiàn)次數(shù)相等，二是任意2個(gè)不同水平的匹配數(shù)目要相同。正交表型號(hào)一般用Ln(qm)來(lái)表示，其中L表示正交表，n為試驗(yàn)次數(shù)，q為水平數(shù)目，m為因素?cái)?shù)目。

在本次正交設(shè)計(jì)中，參照前期單因素仿真結(jié)果，每個(gè)因素下選取3個(gè)具有代表性的水平，從而形成表3所示因素水平表。

表3 因素水平表

由因素水平個(gè)數(shù)可知本次正交試驗(yàn)應(yīng)選用L9(34)正交表。在正交設(shè)計(jì)中，常在表中留出空白列已避免夸大效應(yīng)，減少誤差。但由于仿真試驗(yàn)?zāi)鼙苊鈨x器自身及操作不當(dāng)產(chǎn)生的誤差，且從提高效率的角度出發(fā)，本正交試驗(yàn)表沒有進(jìn)行空白列設(shè)計(jì)。詳細(xì)試驗(yàn)方案如表4 所示。

表4 正交試驗(yàn)表

2.2 仿真設(shè)置

流域模型主要包含2 部分，一部分是有葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域，另一部分是則為葉片到出口面的出口區(qū)域，網(wǎng)格劃分時(shí)分別針對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行單獨(dú)劃分，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域和出口區(qū)域的關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域和出口區(qū)域由交界面連接，便于在CFD后處理軟件CFX 中對(duì)兩個(gè)流域進(jìn)行組合。利用ICEM軟件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分見圖3，出口區(qū)域網(wǎng)格劃分見圖4。

圖3 葉輪網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

圖4 出口區(qū)域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到CFX中，在DOMAIN 中分別定義出口、進(jìn)口、壁面等參數(shù)，其中轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域選擇轉(zhuǎn)動(dòng)類型，轉(zhuǎn)動(dòng)速度參考試驗(yàn)中的實(shí)際轉(zhuǎn)速；出口區(qū)域則為靜止區(qū)域。轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的末端面和出口區(qū)域的進(jìn)端面通過(guò)交界面處理，使水力風(fēng)機(jī)形成一個(gè)完整流域，保證數(shù)據(jù)傳遞。

3 仿真結(jié)果分析

因?yàn)楸疚难芯康氖窃诮o定進(jìn)水壓力下水力風(fēng)機(jī)性能，可認(rèn)為水輪機(jī)提供給風(fēng)機(jī)一個(gè)固定功率，該功率可用水力風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行表示，因此水力風(fēng)機(jī)性能研究可表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)在一定初始轉(zhuǎn)速下其壓力與流量的變化。工作介質(zhì)選用標(biāo)況下空氣，操作壓力為大氣壓，采用標(biāo)準(zhǔn) 模型對(duì)控制方程進(jìn)行封閉。

進(jìn)口設(shè)置質(zhì)量進(jìn)口，進(jìn)口質(zhì)量根據(jù)試驗(yàn)風(fēng)量進(jìn)行換算。

出口類型為Opening，選用壓力出口，壓力設(shè)為0。

壁面采用無(wú)滑移邊界，釆用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)。

完成邊界條件的設(shè)置后，進(jìn)行求解器設(shè)定，采用基于壓力基求解器，完成分離求解和耦合求解之間的轉(zhuǎn)換；采用二階隱式格式進(jìn)行時(shí)間離散；采用SIMPLE 算法，完成壓力變量和速度變量的分離求解。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)結(jié)果中，9組數(shù)據(jù)中，風(fēng)機(jī)的全壓效率隨著葉片數(shù)目和輪轂比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于初始葉片數(shù)目少、輪轂比小，導(dǎo)致葉片對(duì)氣流作功少，葉片根部氣流分離，隨著葉片數(shù)目和輪轂比增加較大時(shí)，葉片數(shù)目又因?yàn)檩^為稠密，葉片過(guò)短氣流在流道中能耗損失增加。此外根據(jù)計(jì)算得到的軸功率發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定的初始轉(zhuǎn)速情況下，風(fēng)機(jī)軸功率雖然有較小的波動(dòng)，但基本保持不變，從而也驗(yàn)證了以風(fēng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速替代風(fēng)機(jī)初始驅(qū)動(dòng)功率的可行性。水力風(fēng)機(jī)在第5組葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化組合中全壓有效功率最大，但是不能由此確定A2B2C3為最優(yōu)組合，為了進(jìn)一步得到最優(yōu)的組合方案，還需要進(jìn)行極差分析。

表5 仿真試驗(yàn)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

對(duì)表5全壓有效功率進(jìn)行極差分析，可得表6。

表6中，Ki（i＝1～3）分別表示各因素在不同水平下的試驗(yàn)平均值，R 表示相應(yīng)的極差，即因素各水平最大均值與最小均值之差，見式（1）

極差越大，則該因素對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響就越大。由此可以得出各因素對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響程度排序?yàn)锳＞B＞C，從而可以得到最終優(yōu)化方案為A2B2C3。

表6 極差分析表

由此，最佳組合為葉片數(shù)7、輪轂比0.593、葉片安裝角40°，與前文確定的最佳組合一致。參考正交試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)原有水力風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)目和輪轂比選擇相較而言已經(jīng)處于相對(duì)最佳的設(shè)計(jì)狀態(tài)，而風(fēng)機(jī)葉片的安裝角度可以進(jìn)一步優(yōu)化為40°。優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能對(duì)比見表7。

據(jù)表7可知，優(yōu)化改進(jìn)后風(fēng)機(jī)全壓提高了7.9%，風(fēng)機(jī)流量提高了7.3%，全壓有效功率提高了15.9%，風(fēng)機(jī)全壓效率提高12%左右，由此說(shuō)明對(duì)葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)取得了較好的效果。

表7 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)性能對(duì)比表

4 結(jié)論

本文以某型水力排煙風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析，選取了葉片數(shù)、輪轂比和葉片安裝角3個(gè)重要因素，通過(guò)正交試驗(yàn)確定了葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的主次順序?yàn)槿~片數(shù)目、輪轂比和安裝角。最終獲取了葉片數(shù)目為7、輪轂比為0.593、葉片安裝角為40°的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)性能得到了較為明顯的提升。

本文的研究?jī)?nèi)容可以在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中作為參考，可以依據(jù)相似理論應(yīng)用到其他軸流風(fēng)機(jī)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)化研究，除本文進(jìn)行選取的參數(shù)外，還可以通過(guò)對(duì)其他因素的研究以獲得更佳的設(shè)計(jì)方案。