張惟斌，韓宇明，江啟峰，張慧宇，李 紅

（1.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039；2.江蘇大學流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

微型軸流風扇是目前小型電子儀器的主要引風或通風設(shè)備。隨著電子產(chǎn)品向集約化、大功率化方向發(fā)展，通風散熱需求日益增大，微型軸流風扇的通風性能越來越引起人們的重視，因此對微型軸流風扇開展設(shè)計和特性研究很有必要。小型電子儀器上使用的微型軸流風扇因受使用場合限制，一般要求體積?。ㄈ~輪直徑30 mm 以下）、轉(zhuǎn)速高（6 000 r/min 以上）、升壓比高、噪聲低以及使用壽命長等。而子午加速風扇的子午流道呈收縮形狀，使流體加速而減少流動分離，提高風扇效率。同時，子午加速流道還有利于抑制轉(zhuǎn)子頂端泄漏渦的破裂，使風機的噪聲與相同流量和壓頭的軸流風機相比較低。另一方面，流體在傾斜的回轉(zhuǎn)面內(nèi)流動，離心力可以有效地對流體做功，有利于提高壓力系數(shù)，克服風扇壓頭小的不足。

目前，針對風扇的設(shè)計優(yōu)化[1? 4]及流動特性[5?8]研究的公開文獻較多，然而對于斜流和子午加速斜流復合結(jié)構(gòu)風扇的設(shè)計和流動特性研究，目前國內(nèi)公開發(fā)表的文獻較少。本文將采用優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計出滿足要求的某微型子午加速斜流風扇，并對其流動特點進行研究。

1 設(shè)計要求和參數(shù)

某風扇使用在空氣質(zhì)量檢測儀上，作為引風機使用。根據(jù)設(shè)計要求，在正常情況下，風扇需要一直處于運行狀態(tài)，要求在設(shè)計流量點附近具有較高的效率和使用壽命。由于廠家對檢測儀內(nèi)部流道尺寸進行了修改，導致原有風扇流量偏大，并不能很好地匹配修改后的檢測儀，需要針對原有風扇進行向小流量偏移的針對性設(shè)計改進，要求在滿足風壓情況下，在結(jié)構(gòu)外形限制尺寸內(nèi)進行設(shè)計優(yōu)化。該檢測儀原有風扇不是子午加速風扇，其外形如圖1所示。

本文基于三維數(shù)字化設(shè)計和計算，對該軸流風機進行優(yōu)化設(shè)計。在不改變風扇外形限制尺寸、設(shè)計轉(zhuǎn)速不得高于原風扇等情況下，使風扇在設(shè)計流量附近效率最高、噪聲較小，且風機的風壓提高。根據(jù)以上要求，對該風扇進行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計參數(shù)如下：設(shè)計引風量2.83 L/min，葉輪外徑≤20 mm，葉輪軸向長度≤10 mm，進出口靜壓差≥15 Pa，設(shè)計轉(zhuǎn)速≤12 000 r/min。

圖1 原有的軸流風扇

2 設(shè)計過程

本文基于ANSYS workbench 數(shù)據(jù)共享平臺，通過bladegen、meshing、CFX 和Design Exploration等模塊的數(shù)據(jù)協(xié)同進行風扇的設(shè)計優(yōu)化，其設(shè)計流程示意圖如圖2 所示。首先根據(jù)風扇設(shè)計公式，計算出風扇初始參數(shù)，如葉片進口角、葉片出口角、輪轂直徑、輪緣直徑等，并根據(jù)初始設(shè)計參數(shù)，在bladegen 中進行單葉片流道風扇設(shè)計和建模；接著將單流道模型導入meshing 中進行網(wǎng)格劃分，并在CFX 中進行單流道數(shù)值計算。在Design Exploration中選定優(yōu)化目標和控制參數(shù)，基于響應(yīng)面優(yōu)化算法并根據(jù)CFD 結(jié)果對bladegen 中的初始設(shè)計模型進行優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計要求，在給定風機外徑、葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速、風量和進口靜壓的情況下，以葉片進出口安裝角、葉片β角變化曲線和輪轂控制線為控制變量，以風扇的出口靜壓和效率為優(yōu)化目標。首先進行葉片進出口安放角的優(yōu)化，獲得最優(yōu)進出口安放角之后，固定進出口安放角數(shù)值，對葉片β角變化曲線進行優(yōu)化，獲得最優(yōu)β角變化曲線之后，固定進出口安放角和β角曲線，進行輪轂控制線的優(yōu)化，獲得滿足要求的單流道初始最優(yōu)解；再根據(jù)單流道模型生成風扇全流道三維模型并進行全流道CFD 計算驗證，如果全流道結(jié)果不滿足設(shè)計要求則返回重新進行單流道優(yōu)化設(shè)計，直到找到合適的全流道最優(yōu)解。優(yōu)化設(shè)計過程中的3 個控制變量（進出口安放角、β角變化曲線和輪轂控制線）是相互耦合的關(guān)系，需反復進行優(yōu)化和調(diào)整，直至滿足設(shè)計要求。

圖2 設(shè)計及優(yōu)化流程示意圖

通過優(yōu)化設(shè)計，獲得優(yōu)化后的輪轂控制線和輪緣控制線如圖3 所示。原有軸流風扇流道子午截面如圖中紅色矩形框線所示，葉片數(shù)為5 片，比設(shè)計流量偏大，因此流道截面積較大，輪緣半徑R-輪轂半徑r=3 mm。按照設(shè)計流量優(yōu)化后的流道子午截面如圖中黑色曲線所示，葉片數(shù)為16 片，進出口截面積明顯小于原有風扇的進出口截面積。葉片進口處R-r=1 mm，葉片出口處R-r=0.95 mm。優(yōu)化后的葉輪軸向長度為7 mm，比原有葉輪軸向長度縮短了3 mm。

從圖4 可以看出：本文設(shè)計的風扇，其出口的面積大于進口面積，面積先變大后縮?。划敳豢紤]葉片厚度影響時，葉片進口處的流道面積為45.5 mm2；定義從葉片進口到葉片出口流道的無量綱總長度為1，則面積最大值出現(xiàn)在總長的0.67 附近，見圖中紅色虛線所示，最大面積為94.4 mm2；葉片出口處的流道面積為55.4 mm2。因此，該風扇在面積最大（總長的0.67）處分成2 段，前半段為斜流風扇，流道面積逐漸增大；后半段為子午加速斜流風扇，流道面積逐漸縮小。

圖3 風扇子午流道控制線

圖4 斜流風扇流道面積變化曲線

優(yōu)化設(shè)計的風扇，其葉片β角變化曲線如圖5所示。圖中5 條曲線為5 個流面的截線，分別為0、0.25、0.5、0.75、1 流面，各流面在子午截面上的截線如圖3 所示。0 流面即輪轂流面，1 流面即輪緣流面。中間的3 個流面將子午截面4 等分。從圖5 可以看出：葉片進口處的β角從0 流面的68.2°到1 流面的71.3°呈線性逐漸變大；葉片出口處的β角5 個流面是相同的，均為40°；5 個流面的β角變化呈先陡降后緩慢下降的變化規(guī)律，其中0 流面上的β角存在最小值，先降低至38°后再升高到40°。

圖5 斜流風扇葉片β 角變化曲線

單流道模型和計算網(wǎng)格如圖6 所示。為了提高CFD 計算精度，減少進口回流，在葉片進口前端設(shè)置了2 mm 的進口延伸段，并在葉片進口邊和出口邊處進行了網(wǎng)格局部加密，單流道網(wǎng)格總數(shù)約為90 萬。計算中流道進口邊界給定來流靜壓0，出口邊界給定流量2.83 L/min。固體壁面為無滑移壁面。由于進出口壓力差較小，為15 Pa 左右，因此空氣簡化為不可壓縮流體。采用sstk-ω湍流模型，收斂殘差設(shè)置為10?5，同時進、出口流量誤差小于1%時判定計算收斂。

圖6 單流道模型和計算網(wǎng)格

根據(jù)風扇的設(shè)計要求,在不改變風扇的外形控制參數(shù)(外徑等)的情況下，基于Response Surface方法，對初始模型進行了改進，經(jīng)過30 余次單流道CFD 計算和優(yōu)化，得到了最終的設(shè)計結(jié)果，其主要幾何參數(shù)如表1 所示。

表1 風扇的主要幾何和氣動參數(shù)對比

將單流道優(yōu)化的幾何模型進行全流道建模和CFD 模擬核算。經(jīng)核算，本次設(shè)計的流道和葉型滿足設(shè)計要求。全流道三維幾何模型和計算網(wǎng)格如圖7 所示。

圖7 全流道模型和計算網(wǎng)格

3 風扇流動特性分析

3.1 子午加速斜流風扇外特性分析

經(jīng)過全流道數(shù)值計算，獲得優(yōu)化設(shè)計的子午加速斜流風扇在轉(zhuǎn)速為12 000 r/min 時的出口靜壓-流量曲線，并將該曲線與原有軸流風扇（設(shè)計轉(zhuǎn)速12 000 r/min）的試驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖8 所示。從圖中可以看出，在流量低于8.4 L/min 情況下，新設(shè)計風扇出口靜壓曲線高于原來軸流風扇靜壓曲線。以設(shè)計流量2.83 L/min 為例，新設(shè)計風扇出口靜壓為33.55 Pa，而原軸流風扇出口靜壓為30.7 Pa，提高約9.3%。新設(shè)計風扇的0 壓力流量（即靜壓曲線和橫坐標的交點）前移，原軸流風扇的0 壓力流量為34.60 L/min，而新設(shè)計風扇的0 壓力流量為11.9 L/min，流量減小約65.6%。從圖中還可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的降低，新設(shè)計風扇的出口靜壓也隨之降低。

圖8 原有風扇和設(shè)計優(yōu)化風扇的靜壓-流量曲線對比

圖9 為優(yōu)化設(shè)計風扇在不同轉(zhuǎn)速下的靜壓效率-流量曲線。由于原軸流風扇廠家并未提供效率曲線，因此并未與原軸流風扇進行對比。從圖9 可見，通過優(yōu)化設(shè)計，該風扇的效率曲線比較平滑，高效區(qū)較寬，變工況性能好。在設(shè)計流量2.83 L/min處，風機的效率隨轉(zhuǎn)速降低而降低，12 000 r/min 時靜壓效率最高，為20.3%；9 000 r/min 時略有降低，為19.2%；6 000 r/min 時最低，為12.8%。由于本次設(shè)計的風扇流道狹窄且轉(zhuǎn)速較高，比轉(zhuǎn)數(shù)較小，流動損失較大，效率較低。從圖中還可以看出，該風扇的高效區(qū)隨著轉(zhuǎn)速的增大向大流量方向偏移。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下優(yōu)化設(shè)計風扇的效率-流量曲線

從圖8 和圖9 中也可以看出，由于出口靜壓僅要求≥15 Pa，12 000 r/min 的轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的出口靜壓明顯大于設(shè)計要求，造成浪費且噪音增加。轉(zhuǎn)速降為9 000 r/min 時，設(shè)計流量點的效率最高，且靜壓為17.3 Pa，略大于設(shè)計要求。而其他轉(zhuǎn)速下，設(shè)計最高效率點均不在設(shè)計流量附近。因此，該斜流風扇在設(shè)計轉(zhuǎn)速下其流量和壓力滿足設(shè)計要求。

3.2 子午加速斜流風扇內(nèi)特性分析

由圖8 可見，新設(shè)計子午加速斜流風扇在設(shè)計轉(zhuǎn)速9 000 r/min 和設(shè)計流量2.83 L/min 時其出口靜壓為17.32 Pa，效率為18.9%，且設(shè)計流量點比原軸流風扇向小流量方向偏移，各項性能達到了設(shè)計要求。下面針對該子午加速斜流風扇內(nèi)部流動特性進行分析。

由圖10 可見，在設(shè)計轉(zhuǎn)速9 000 r/min 時，風扇的葉片工作面和背面壓力平滑地由進口向出口增大，最大值出現(xiàn)在葉片出口輪緣側(cè)，為20 Pa，最小值出現(xiàn)在葉片背面進口邊附近，為?10 Pa。葉片工作面進口邊附近也有一個低壓區(qū)域，數(shù)值為?3 Pa左右。

圖10 優(yōu)化設(shè)計風扇的葉片背面（上部）和工作面（下部）的壓力分布

葉片通過旋轉(zhuǎn)，對內(nèi)部空氣做功，流道內(nèi)空氣壓力逐漸升高。限于篇幅，僅以圖11 流道0.5 流面壓力分布圖和速度分布圖為例，其他流面上的壓力和速度分布規(guī)律與0.5 流面類似。在設(shè)計轉(zhuǎn)速9 000 r/min 時，從圖11 中可以看出，流道內(nèi)靜壓從葉片進口到葉片出口逐漸增大。流道內(nèi)速度也逐漸增大，在葉片出口邊附近速度達到最大值，最大值為8.74 m/s。風扇內(nèi)部的流動順暢，設(shè)計合理。

圖11 風扇0.5 流面上流道靜壓分布和速度分布圖

從圖12 可以看出該風扇葉片表面壓力的變化規(guī)律。圖中橫坐標為無量綱流線長度，0.0 處為葉片進口邊，1.0 處為葉片出口邊，縱坐標為葉片表面靜壓值（轉(zhuǎn)速9 000 r/min）。圖中5 個流面上葉片表面的靜壓變化規(guī)律是類似的。首先分析葉片工作面：從葉片工作面進口邊開始，先出現(xiàn)一個很窄的高壓區(qū)，最大壓力為8 至18 Pa，不同流面上該壓力數(shù)值不同，從輪轂附近的0.05 流面到中間0.5 流面逐漸增大，然后再從0.5 流面向輪緣附近0.95 流面逐漸減小。該局部高壓是由氣流沖擊葉片頭部所形成的滯止壓力導致的。經(jīng)過該高壓區(qū)以后，葉片工作面壓力由小逐漸變大直到葉片尾部。對于葉片背面：從葉片背面進口邊開始，首先出現(xiàn)一個很窄的負壓區(qū)，最大負壓為?5 至?10 Pa，不同流面上該負壓數(shù)值不同，同樣遵循從輪轂0.05 流面到中間0.5 流面負壓逐漸增大，再從0.5 流面向輪緣0.95 流面負壓逐漸減小的規(guī)律。該局部負壓是由氣流正沖葉片頭部工作面，而繞流葉片頭部背面所導致。經(jīng)過該負壓區(qū)以后，葉片背面壓力逐漸變大直到葉片尾部，且葉片背部壓力始終低于工作面壓力。

圖12 風扇葉片表面壓力分布曲線

如前文所述，由于在流道0.67 處存在斜流流道向子午加速斜流流道的轉(zhuǎn)變，因此葉片工作面和背面的表面壓力變化的斜率在流道總長的0.67 處也存在一個明顯的轉(zhuǎn)折，壓力值由緩慢上升轉(zhuǎn)變?yōu)榧眲∩仙?。從輪?.05 流面到輪緣0.95 流面，該壓力變化斜率的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象由較明顯逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椴幻黠@。

通過前文分析可知：由于流道出口面積大于流道進口面積，因此如果以常見的流道變化規(guī)律進行風扇設(shè)計，該風扇為斜流風扇。本文將流道面積首先變大至超過流道進口面積2 倍左右，然后在流道總長的0.67 位置處開始急劇縮小至出口面積大?。ㄟM口面積1.2 倍），形成了前段為斜流風扇，后段為子午加速斜流風扇的復合結(jié)構(gòu)，從而在前半段提高了其吸入負壓，增加了引風能力，后半段提高了其排出風壓，增加了其通風能力。在提高了進出口壓比的同時，也提高了其流動效率，從葉片進口到出口的葉輪軸向長度也從10 mm 縮短到7 mm，縮短了30%。

4 結(jié)論

本文根據(jù)設(shè)計要求，采用響應(yīng)面優(yōu)化方法，對原有軸流風扇進行了設(shè)計優(yōu)化，得到滿足設(shè)計要求的子午加速斜流風扇，得出以下結(jié)論。

1)在不改變風扇外形控制尺寸和間隙等的情況下，設(shè)計出一種前段為斜流風扇，后段為子午加速斜流風扇的復合風扇結(jié)構(gòu)。

2)將原軸流風扇減小流量設(shè)計后的斜流風扇出口靜壓比原風扇提高了9%，葉輪軸向厚度縮短30%，設(shè)計工況下風機的效率達19.2%。

3)該斜流風扇的靜壓曲線比較平滑，變流量工況性能好，高效率區(qū)域在設(shè)計流量附近。經(jīng)性能試驗驗證，優(yōu)化設(shè)計后的風扇各項指標均達到設(shè)計要求，設(shè)計合理。

4)該斜流風扇的內(nèi)部流場合理，沒有明顯的分離和回流，風機出口靜壓分布均勻，除葉片尾跡外無明顯低壓區(qū)。由于存在斜流和子午加速斜流的復合結(jié)構(gòu)，因此葉片表面靜壓分布具有明顯的前后分段現(xiàn)象。