田晨曄,劉小民,王加浩,吳立明,王偉

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安;2.寧波奧克斯電氣股份有限公司,315191,浙江寧波)

自然界中各類動植物為適應(yīng)自然環(huán)境和滿足生存需要不斷進(jìn)化提升,發(fā)展出與生存環(huán)境高度適應(yīng)的功能特征。其中,鳥類作為翱翔天空的主角,是自然界中合理運(yùn)用風(fēng)能、借助氣流運(yùn)動的典范。在全球9 000多種鳥類中,靜音飛行的典型代表長耳鸮能夠利用其橢圓狀羽翼高效滑翔捕捉獵物,同時(shí)有效地控制翅膀附近渦流變化,以達(dá)到提高飛行氣動性能并降低自身氣動噪聲的目的[1];同樣以滑行著稱的海鷗能夠巧妙結(jié)合海岸氣流變化,以較小的上升氣流即可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的盤旋飛翔[2]。上述高效飛行特點(diǎn)均與鳥類的翅膀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。研究和利用鳥類翅膀翼型特征對于改善葉輪機(jī)械氣動性能,提高運(yùn)行效率,降低能耗損失具有重要意義。

貫流風(fēng)機(jī)因具有送風(fēng)均勻、穩(wěn)定低噪、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),在家用空調(diào)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于貫流風(fēng)機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作方式,貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動十分復(fù)雜,氣流先后兩次徑向穿過葉輪,并且在蝸舌附近形成較大的偏心渦[3],這就對貫流風(fēng)機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)貫流風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)主要關(guān)注外徑與葉片數(shù)[4]、葉輪內(nèi)外徑比[5]、葉片內(nèi)外周角[4-8]、葉片扭曲角[9-10]、葉片傾角和彎度角[11]等葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)。針對葉片型線,丁炎炎等采用Bezier曲線構(gòu)造貫流風(fēng)機(jī)葉片中弧線,采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,在同轉(zhuǎn)速條件下使貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)量最大提升65.18 m3·h-1[12]。近年來,仿生技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用給風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路。國內(nèi)外研究者針對鳥類飛行特性和噪聲特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)鳥類翅膀翼型結(jié)構(gòu)是幫助鳥類減少飛行阻力損失、控制渦流發(fā)展的重要因素之一。劉小民等將長耳鸮翼型型線應(yīng)用于多翼離心風(fēng)機(jī)葉片翼型的設(shè)計(jì),結(jié)果表明相對于NACA0012翼型葉片,仿鸮翼葉片能夠有效抑制葉片表面流動分離,降低氣動噪聲[13]。王夢豪等研究了不同中弧線對離心風(fēng)機(jī)仿生葉輪氣動性能的影響,其中采用單圓弧中弧線的葉片設(shè)計(jì),風(fēng)機(jī)氣動性能表現(xiàn)最佳[14]。王雷等針對軸流風(fēng)機(jī)葉片采用仿生設(shè)計(jì),使得軸流風(fēng)機(jī)在風(fēng)量提升4.4%的同時(shí),噪聲下降了1.4 dB(A)[15]。這些研究都表明了仿生設(shè)計(jì)對于提升風(fēng)機(jī)氣動性能的有效性?？照{(diào)器中貫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性及其特有的徑向進(jìn)氣方式,使目前基于仿生翼型設(shè)計(jì)的貫流風(fēng)機(jī)增效降噪的研究相對還較少,仿生設(shè)計(jì)在貫流風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的探索和發(fā)展。

本文通過提取海鷗、長耳鸮兩種鳥類翅膀沿展向40%截面處的翼型結(jié)構(gòu),基于鳥翼厚度分布特征進(jìn)行仿生翼型葉片重構(gòu),并將其應(yīng)用于某空調(diào)器用貫流風(fēng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)中。采用數(shù)值計(jì)算方法研究了兩種不同厚度分布的仿鳥翼設(shè)計(jì)葉片對貫流風(fēng)機(jī)氣動性能的影響,揭示了貫流風(fēng)機(jī)葉輪仿鳥翼厚度分布葉片的流動控制機(jī)理,結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量驗(yàn)證仿生設(shè)計(jì)葉片提升貫流風(fēng)機(jī)氣動性能的有效性。

1 仿生葉片設(shè)計(jì)

Liu等基于激光掃描技術(shù)提取了海鷗、水鴨等四種鳥類翅膀數(shù)據(jù),并通過Birnbaum-Glauert方程[17]擬合重構(gòu)仿生翼型[16]。廖庚華采用相同方法提取重構(gòu)了長耳鸮翼型,與水鴨翼型進(jìn)行數(shù)值及實(shí)驗(yàn)分析對比,在展向約40%截面處翼型升阻比最大,且長耳鸮翼型性能優(yōu)于水鴨翼型[18]。李典等對4種鳥類展向40%截面處翼型研究發(fā)現(xiàn)海鷗翼型升阻比較大[19]。上述研究從翼型角度分析了長耳鸮、海鷗翼型具有較高升阻比特性。同時(shí),由于貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流流動速度較低,與海鷗、長耳鸮等鳥類飛行速度處于相同水平量級,因此選取具有高效飛行特點(diǎn)的海鷗、長耳鸮作為仿生對象,提取兩種鳥類翅膀展向40%處截面翼型分別設(shè)計(jì)仿生翼型葉片,基于翼型厚度分布差異對比兩種仿生翼型對氣動性能的影響。仿生翼型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿生翼型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the bionic airfoil

仿生翼型型線控制方程如下[16]

zu=zc+zt

(1)

zl=zc-zt

(2)

式中:zu為某展向截面翼型上表面型線分布坐標(biāo);zl為某展向截面翼型下表面型線分布坐標(biāo);zc為某展向截面翼型中弧線分布坐標(biāo);zt為某展向截面翼型厚度分布。

某展向截面翼型中弧線分布坐標(biāo)及厚度分布坐標(biāo)計(jì)算公式如下[16]

(3)

(4)

式中:zc,max為某展向截面翼型中弧線最大弧度分布坐標(biāo);zt,max為某展向截面翼型最大厚度分布坐標(biāo);c為某展向截面翼型弦長;η=x/c為某展向截面翼型弦坐標(biāo)比;Sn、An為描述翼型的多項(xiàng)式系數(shù)。針對不同翼型Sn和An取值不同,如表1所示。

表1 長耳鸮和海鷗翼型多項(xiàng)式系數(shù)[16,18]

長耳鸮某展向截面翼型中弧線最大弧度分布坐標(biāo)zoc,max及最大厚度分布坐標(biāo)zot,max計(jì)算公式如下[16]

(5)

(6)

海鷗某展向截面翼型中弧線最大弧度分布坐標(biāo)zsc,max及最大厚度分布坐標(biāo)zst,max計(jì)算公式如下[16]

(7)

(8)

式中ξ為翼型的展向比,本文中取0.4。

根據(jù)上述各式,提取并重構(gòu)長耳鸮和海鷗翅膀展向40%截面位置處翼型型線,分析兩種鳥類翼型厚度zt,v變化分布,如圖2所示。在相同翼型弦長條件下,相比于海鷗翼型,長耳鸮翼型上表面型線、下表面型線均彎度更大。兩種翼型均在20%弦長附近達(dá)到厚度最大值,其中長耳鸮翼型最大厚度更大。海鷗翼型在20%弦長后厚度變化相對平緩,而長耳鸮翼型在20%～50%弦長位置厚度變化相對劇烈,曲線存在凹部,使長耳鸮翼型在35%～70%弦長位置厚度小于海鷗翼型。70%弦長后兩種翼型厚度差異先增大后減小,在80%弦長附近厚度差異達(dá)到最大,但相較于翼型中段差異較小。

圖2 兩種鳥類翅膀展向40%截面處翼型型線及厚度 分布對比Fig.2 Comparison of the airfoil profiles and thickness distributions at 40% span of two bird wings

由于仿生翼型尾緣較薄,如直接應(yīng)用于貫流風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)難以保證葉片尾緣強(qiáng)度,在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中容易發(fā)生晃動和破損,故在設(shè)計(jì)過程中依據(jù)原型尾緣對于翼型尾緣進(jìn)行改型。兩種翼型厚度分布差異主要集中于前80%弦長范圍,本文針對該范圍翼型葉片進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)及應(yīng)用。同時(shí),選取更大弦長范圍會使翼型最大厚度與尾緣厚度比例增大,在控制相同尾緣厚度條件下使葉片整體厚度增大,導(dǎo)致流道寬度減小和葉片成本增加。因此,提取仿生翼型前80%弦長范圍型線應(yīng)用于原型中弧線分布,設(shè)計(jì)時(shí)控制兩種葉片尾緣厚度、形狀與原型尾緣一致,葉片圓周分布角保持不變,仿生葉片型線如圖3所示。

(a)原型葉片型線及兩種仿生葉片型線

(b)原型葉片及兩種仿生葉片沿弦長厚度分布對比圖3 原型葉片及兩種仿生葉片型線及厚度分布對比Fig.3 Comparison of the profiles and thickness distributions of prototype blade and two bionic blades

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

本文選取物理模型為某空調(diào)室內(nèi)機(jī)用貫流風(fēng)機(jī),簡化后風(fēng)道系統(tǒng)主要由蝸殼、蝸舌、葉輪組成,其中葉輪葉片為不等距分布,葉片數(shù)為31。由于貫流風(fēng)機(jī)軸向尺寸遠(yuǎn)大于徑向尺寸,在各軸向位置截面上流場狀態(tài)具有相似性,一般可將貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維流動簡化為二維流動處理[20-21]。依據(jù)風(fēng)道系統(tǒng)建立流體區(qū)域模型如圖4所示,可分為進(jìn)口區(qū)、蝸殼區(qū)、葉輪區(qū)、葉輪內(nèi)部區(qū)、出口區(qū)。進(jìn)出口區(qū)域延伸采用半圓形包圍,半圓半徑為10倍葉輪外徑。

(a)整體流域模型 (b)貫流風(fēng)機(jī)風(fēng)道局部流域模型圖4 貫流風(fēng)機(jī)計(jì)算模型Fig.4 Computational domains for the cross flow fan

采用ANSYS Meshing軟件對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖5所示。其中,葉輪區(qū)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,葉片表面設(shè)置邊界層,其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對蝸舌、蝸殼附近進(jìn)行局部加密,通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證選定總網(wǎng)格數(shù)27萬,其中葉輪區(qū)15萬。

(a)整體流域網(wǎng)格 (b)蝸殼流域網(wǎng)格 (c)葉片邊界網(wǎng)格圖5 貫流風(fēng)機(jī)計(jì)算網(wǎng)格劃分Fig.5 Computational meshes for the cross flow fan

2.2 數(shù)值仿真設(shè)置

采用ANSYS Fluent軟件對貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。湍流模型選用RNGk-ε模型,近壁方程采用Scalable Wall模型,壓力速度耦合采用SIMPIEC格式,動量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二階迎風(fēng)格式。進(jìn)出口均給定壓力邊界條件,進(jìn)口總壓設(shè)置為0 Pa,出口表面壓力設(shè)置為0 Pa。葉輪區(qū)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域,采用Frame Motion模型,動靜交界面設(shè)置為連接面。收斂殘差設(shè)置為10-5。

2.3 實(shí)驗(yàn)測量

基于GB/T1236—2017《工業(yè)通風(fēng)機(jī) 用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)》規(guī)定對壁掛式空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動性能測試,測試裝置及布置如圖6所示。風(fēng)機(jī)測試條件與數(shù)值計(jì)算保持一致,測試時(shí)去除空調(diào)殼體內(nèi)蒸發(fā)器、除塵網(wǎng)、導(dǎo)風(fēng)板等結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速獲取不同工況下風(fēng)機(jī)性能指標(biāo)。

圖6 氣動性能測試Fig.6 Aerodynamic performance test set

圖7為空調(diào)原型機(jī)實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬結(jié)果對比。如圖7所示,數(shù)值模擬風(fēng)機(jī)風(fēng)量、功率與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果整體趨勢一致,各工況下加權(quán)風(fēng)量誤差為4.7%,加權(quán)功率誤差為3.4%,在可接受范圍內(nèi),表明本文所采用數(shù)值計(jì)算方法可靠,能夠有效模擬風(fēng)機(jī)氣動性能參數(shù)。

圖7 原型機(jī)實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.7 Comparison of experimental results and numerical simulation results of the prototype

3 數(shù)值結(jié)果及分析

采用兩種仿生葉輪的空調(diào)器與原型機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 采用兩種仿生葉輪空調(diào)器與原型機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.8 Comparison of numerical simulation results between prototype and conditioners with two bionic impellers

采用長耳鸮仿生葉輪整機(jī)同轉(zhuǎn)速下風(fēng)量最大,采用海鷗仿生葉輪次之,二者均高于原型機(jī)風(fēng)量。同風(fēng)量下采用長耳鸮仿生葉輪和海鷗仿生葉輪的整機(jī)功率均小于原型機(jī),整機(jī)效率提高。采用兩種鳥翼仿生葉輪的整機(jī)風(fēng)量-功率曲線接近,其中采用長耳鸮仿生葉輪效率更高,小流量下二者差異更明顯。

在葉輪內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)位置為旋轉(zhuǎn)域邊界,即外圓監(jiān)測半徑為46 mm,內(nèi)圓監(jiān)測半徑為34.7 mm。定義圓周角度如圖9所示。

A點(diǎn)(41.2°)—蝸殼側(cè)間隙最小位置;B點(diǎn)(66.3°)—蝸殼 側(cè)進(jìn)口位置;C點(diǎn)(218.8°)—蝸舌側(cè)進(jìn)口位置; D點(diǎn)(247.9°)—蝸舌頂點(diǎn)位置。圖9 葉輪圓周監(jiān)測位置Fig.9 Monitoring positions along the circumference of the impeller

兩種仿生葉輪與原型葉輪風(fēng)機(jī)內(nèi)部速度云圖如圖10所示。由于貫流風(fēng)機(jī)具有徑向進(jìn)氣特征,氣流自入口流入后在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)域前被強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)以配合不同圓周進(jìn)氣位置,各圓周位置攻角不同。在高轉(zhuǎn)速工況下,在外圓周160°附近區(qū)域紅框位置氣流沖擊葉片外緣后形成明顯分離渦,在葉道入口處產(chǎn)生局部低速區(qū)。原型機(jī)葉輪區(qū)域有3個(gè)葉道入口基本被低速區(qū)阻擋,采用仿生葉片設(shè)計(jì)有效改善該區(qū)域流動狀態(tài),其中采用海鷗仿生葉輪低速區(qū)范圍更小。這是由于海鷗翼型尾緣厚度變化較為平緩。

負(fù)攻角影響導(dǎo)致附面層在葉片吸力面尾端堆積產(chǎn)生二次流,形成旋渦并阻塞部分葉道,產(chǎn)生局部低速區(qū),該現(xiàn)象在內(nèi)圓周180°附近區(qū)域表現(xiàn)明顯。長耳鸮仿生葉輪和海鷗仿生葉輪內(nèi)圓周180°附近低速區(qū)范圍均小于原型葉輪。轉(zhuǎn)速1 240 r·min-1工況下表現(xiàn)最明顯,此時(shí)原型葉輪的兩個(gè)葉道被完全阻塞,長耳鸮仿生葉輪的一個(gè)葉道被部分阻塞,海鷗仿生葉輪基本無阻塞;轉(zhuǎn)速800 r·min-1工況下長耳鸮仿生葉輪阻塞情況優(yōu)于海鷗仿生葉輪。因此,采用兩種仿生翼型葉片均能減少內(nèi)圓周180°附近二次流,其中采用長耳鸮仿生葉輪低轉(zhuǎn)速下控制效果更好,該現(xiàn)象與長耳鸮在低速飛行時(shí)控制狀態(tài)較好的特點(diǎn)一致。

進(jìn)口區(qū)流動狀態(tài)改善使兩種仿生葉輪偏心渦強(qiáng)度外圍流速增大,偏心渦強(qiáng)度增強(qiáng),渦心速度降低。偏心渦強(qiáng)度增大也使葉輪出口流量增大,兩種仿生葉輪出口高速區(qū)由原型的兩個(gè)葉道范圍擴(kuò)大為4個(gè)葉道范圍,其中長耳鸮仿生葉輪出口流量更大。由于偏心渦作用使外圍氣流在蝸舌和葉輪間形成回流,使C點(diǎn)附近進(jìn)氣受阻,形成局部低速區(qū)。受偏心渦強(qiáng)度變化影響,兩種仿生葉輪在外圓周位置[199°,220°]附近區(qū)域進(jìn)氣狀態(tài)變差。由于兩種仿生葉輪偏心渦外圍流動增強(qiáng),使內(nèi)圓周60°附近由于橫貫流動主流與葉道出口氣流交匯產(chǎn)生旋渦形成的局部低速區(qū)擴(kuò)大,對該區(qū)域出口葉道阻塞作用增強(qiáng)。

(a)1 240 r·min-1

(b)1 090 r·min-1

(c)950 r·min-1

(c)800 r·min-1 紅圈為偏心渦位置。圖10 兩種仿生葉輪與原型葉輪不同工況速度云圖Fig.10 Comparison of velocity distributions between prototype impeller and two bionic impellers in different working conditions

采用兩種仿生葉輪空調(diào)與原型機(jī)內(nèi)部湍動能云圖如圖11所示。在A點(diǎn)附近,由于殼體結(jié)構(gòu)限制使局部流道先變窄后變寬,導(dǎo)致局部湍動能升高。如圖11中紅圈標(biāo)注區(qū)域所示,采用兩種仿生葉輪后在60°、180°附近湍動能變化明顯。在葉輪內(nèi)圓周180°附近區(qū)域,局部湍動能較高,湍流強(qiáng)度較大,其中,原型機(jī)湍動能強(qiáng)度最大。該特征與速度云圖表征一致。由于采用兩種仿生葉輪使流場內(nèi)偏心渦強(qiáng)度增強(qiáng),氣流裹挾范圍擴(kuò)大,葉輪出口流速增大,蝸舌附近氣流沖擊增強(qiáng),使蝸舌附近湍流強(qiáng)度增大。受偏心渦影響,在外圓周位置210°附近區(qū)域葉輪進(jìn)氣被阻塞,局部湍流強(qiáng)度較大,兩種仿生葉輪均大于原型葉輪,即偏心渦強(qiáng)度較原型增大,其中長耳鸮仿生葉輪最大,偏心渦外圍流動增強(qiáng),使出口流量增大。由于偏心渦強(qiáng)度增大,內(nèi)圓周60°附近氣流交匯更劇烈,使仿生葉輪湍流強(qiáng)度大于原型葉輪。

(a)1 240 r·min-1

(b)1 090 r·min-1

(c)950 r·min-1

(d)800 r·min-1圖11 兩種仿生葉輪與原型葉輪不同工況湍動能云圖對比Fig.11 Comparison of turbulent kinetic energy distributions between prototype impeller and two bionic impellers in different working conditions

(a)1 240 r·min-1工況

兩種仿生葉輪及原型葉輪外圓周徑向速度分布如圖12所示。由于仿生葉輪設(shè)計(jì)過程中僅調(diào)整葉片型線,保持葉片進(jìn)出口角、分布角等不變,因此3種葉輪氣流進(jìn)出旋轉(zhuǎn)域范圍基本一致,進(jìn)氣區(qū)域主要集中于BD段附近。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 240 r·min-1時(shí),葉輪外圓周主要進(jìn)氣范圍為[62°,257°];當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r·min-1時(shí),葉輪外圓周主要進(jìn)氣范圍為[63°,262°]。相對于低轉(zhuǎn)速工況條件,高轉(zhuǎn)速工況時(shí)葉輪進(jìn)口的進(jìn)氣范圍要小一些,這是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速下偏心渦強(qiáng)度增大,外圍流動狀態(tài)增強(qiáng),使靠近蝸舌附近部分流域轉(zhuǎn)變?yōu)槌鰵饬饔颉?/p>

(b)800 r·min-1工況圖12 兩種仿生葉輪與原型葉輪不同工況下外圓周徑向速度分布Fig.12 Comparison of radial velocity distributions on outer circumference of impeller between prototype impeller and two bionic impellers in different working conditions

在轉(zhuǎn)速1 240 r·min-1工況條件下,由于A點(diǎn)處結(jié)構(gòu)影響產(chǎn)生局部旋渦,使葉輪外圓周[35°,49°]范圍徑向速度方向發(fā)生改變。由于兩種仿生葉輪在該區(qū)域湍流強(qiáng)度較原型葉輪增大,使外圓周[15°,35°]范圍內(nèi)出口氣流受阻礙增強(qiáng),出口徑向流速減小。在進(jìn)氣段,葉尖分離渦使原型葉輪在外圓周[163°,176°]范圍存在徑向回流。采用葉片仿生設(shè)計(jì)后該區(qū)域流動狀態(tài)有效改善,徑向回流消除,同時(shí)外圓周[62°,199°]入口徑向流速增大,其中長耳鸮仿生葉輪流速最大。受偏心渦變化影響,葉輪外圓周[199°,220°]范圍內(nèi)兩種仿生葉輪進(jìn)氣速度小于原型葉輪,與速度云圖特征一致。在外圓周[257°,360°]范圍兩種仿生葉輪出口徑向流速較原型葉輪提高,兩者流速差異較小。

在轉(zhuǎn)速為800 r·min-1工況條件下,原型葉輪進(jìn)氣段回流范圍變?yōu)橥鈭A周[181°,188°],相對高轉(zhuǎn)速范圍縮小。與長耳鸮仿生葉輪相比,海鷗仿生葉輪在外圓周[143°,174°]范圍入口徑向流速較低,外圓周[174°,189°]范圍入口徑向流速較高,但速度較低區(qū)域更大,進(jìn)氣流動狀態(tài)與長耳鸮仿生葉輪相比較差。

兩種仿生葉輪及原型葉輪內(nèi)圓周徑向速度分布如圖13所示。高轉(zhuǎn)速工況下葉輪內(nèi)圓周主要進(jìn)氣范圍為[63°,268°],低轉(zhuǎn)速工況下葉輪內(nèi)圓周主要進(jìn)氣范圍為[59°,268°]。低轉(zhuǎn)速工況內(nèi)圓周60°附近區(qū)域湍流強(qiáng)度降低,氣流交匯產(chǎn)生的流道阻塞減弱,部分范圍轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)氣狀態(tài)。

(a)1 240 r·min-1工況

(b)800 r·min-1工況圖13 兩種仿生葉輪與原型葉輪不同工況下內(nèi)圓周徑向速度分布Fig.13 Comparison of radial velocity distributions on inner circumference of impeller between prototype impeller and two bionic impellers in different working conditions

在轉(zhuǎn)速1 240 r·min-1工況條件下,內(nèi)圓周徑向速度分布總體特征與外圓周接近,進(jìn)氣段徑向回流分布范圍擴(kuò)大為[117°,198°]。除C點(diǎn)附近區(qū)域外,兩種仿生葉輪進(jìn)氣段進(jìn)口徑向速度大于原型葉輪,在內(nèi)圓周[166°,186°]范圍表現(xiàn)明顯,即采用仿生設(shè)計(jì)有效降低內(nèi)圓周180°附近二次流作用,改善進(jìn)氣流動狀態(tài)。在出氣段,兩種仿生葉輪出口徑向速度大于原型葉輪,出口流速增大。

在轉(zhuǎn)速800 r·min-1工況條件下,內(nèi)圓周[163°,187°]范圍長耳鸮仿生葉輪進(jìn)氣流速明顯高于海鷗仿生葉輪,與[187°,199°]范圍特征相反?？傮w情況長耳鸮仿生葉輪流動狀態(tài)更好。

圖14 采用原型葉輪與長耳鸮仿生葉輪的整機(jī)實(shí)驗(yàn) 測試結(jié)果Fig.14 Comparison of experimental data between prototype impeller and two bionic impellers in different working conditions

4 仿生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿生設(shè)計(jì)翼型葉片在提升貫流風(fēng)機(jī)性能中應(yīng)用的有效性,本文對采用仿生設(shè)計(jì)葉片的空調(diào)整機(jī)的氣動性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。根據(jù)以上數(shù)值計(jì)算結(jié)果,選擇氣動性能較好的長耳鸮仿生葉片進(jìn)行葉輪加工,測試條件與數(shù)值計(jì)算條件保持一致,實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如圖14所示。從圖可以看出,采用長耳鸮翼型設(shè)計(jì)葉片,不同轉(zhuǎn)速下空調(diào)整機(jī)風(fēng)量均有不同程度的提升,相同風(fēng)量條件下整機(jī)功率降低,這與數(shù)值計(jì)算趨勢一致。原型機(jī)在不同工況下加權(quán)流量為888.8 m3·h-1,采用長耳鸮翼型仿生設(shè)計(jì)葉輪的空調(diào)整機(jī)在不同工況條件下的加權(quán)流量為918.4 m3·h-1,換算同風(fēng)量下整機(jī)功率降低3.5%。在低轉(zhuǎn)速條件下,采用長耳鸮仿生葉輪的空調(diào)整機(jī)風(fēng)量增大27 m3·h-1,相比原型機(jī)風(fēng)量提升4%。這表明對葉輪葉片進(jìn)行仿生設(shè)計(jì),能夠有效提高貫流風(fēng)機(jī)的氣動性能。

5 結(jié) 論

通過選取長耳鸮和海鷗翅膀展向40%處截面翼型對貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行葉片仿生設(shè)計(jì),對帶原型葉輪和兩種針對不同鳥類的仿生葉輪的空調(diào)整機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬,基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)測試,揭示了仿生翼型葉片對貫流風(fēng)機(jī)氣動性能的影響,獲得的主要結(jié)論如下。

(1)兩種仿生翼型葉片均能有效控制因攻角影響形成的葉輪外緣分離渦,減少葉道進(jìn)口側(cè)阻塞,提高進(jìn)氣流速。在高轉(zhuǎn)速條件下兩者對分離渦的控制能力的差異較小,而在低轉(zhuǎn)速條件下,仿長耳鸮翼型葉片的分離控制效果更好。

(2)兩種仿生翼型葉片對于貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)圓周進(jìn)口側(cè)附面層堆積形成的二次流具有改善作用。其中,高轉(zhuǎn)速下前緣厚度變化較緩的海鷗翼型葉片效果明顯,低轉(zhuǎn)速下前緣厚度變化劇烈的長耳鸮翼型葉片效果明顯。

(3)兩種仿生翼型葉片均能增強(qiáng)偏心渦強(qiáng)度,提升葉片的做功能力,也使得貫流風(fēng)機(jī)的出口流速增大,葉輪效率增加,其中采用長耳鸮仿生葉輪的整機(jī)效率高于采用海鷗仿生葉輪的整機(jī)效率。

(4)采用長耳鸮翼型仿生葉輪的空調(diào)器在不同工況下實(shí)測加權(quán)流量比原型機(jī)增加29.6 m3·h-1,在相同風(fēng)量條件下,整機(jī)功率下降了3.5%。