宋 樺

(太原軌道交通集團(tuán)有限公司, 山西太原 030002)

0 引言

目前,公共建筑、工業(yè)建筑能耗居高不下,一方面與建筑的運(yùn)營(yíng)人員對(duì)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行操作習(xí)慣有關(guān),另一方面與機(jī)械設(shè)備本身的效率存在較大關(guān)系。通風(fēng)類相關(guān)機(jī)械本身效率不高也是相應(yīng)建筑通風(fēng)能耗較大的原因之一,許多學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題也進(jìn)行了多方面研究。肖美娜等[1-3]通過(guò)模擬計(jì)算分析了蝸殼、翼型、葉片等結(jié)構(gòu)變化后,對(duì)流場(chǎng)分布、流動(dòng)穩(wěn)定性等方面進(jìn)行研究分析,總體認(rèn)為機(jī)械結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響,特別是對(duì)蝸殼局部進(jìn)行切削后不僅對(duì)切削位置附近的流體流場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響,并會(huì)延伸到整個(gè)風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)中;姜華等[4-13]對(duì)葉輪葉形及其與蝸殼的位置關(guān)系進(jìn)行數(shù)值研究,對(duì)噪音、效率、壓力分布等進(jìn)行分析討論,認(rèn)為葉形及結(jié)構(gòu)相對(duì)位置關(guān)系會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)噪音、效率等性能參數(shù)產(chǎn)生影響,從而影響到風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗。

1 控制方程

1.1 連續(xù)性方程

空氣流動(dòng)中,連續(xù)性方程為:

按照空氣不可壓縮,以上方程簡(jiǎn)化為:

div(U)=0

1.2 動(dòng)量方程

常系數(shù)粘性不可壓縮流體流動(dòng)方程為:

1.3 湍流流動(dòng)方程

風(fēng)扇葉片氣體運(yùn)動(dòng)為湍流,流動(dòng)方程為:

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型參數(shù)

本研究將五葉型風(fēng)扇設(shè)置為基準(zhǔn)對(duì)比模型,參數(shù)見(jiàn)表1,模型見(jiàn)圖1。

圖1 五葉風(fēng)扇葉片模型

表1 風(fēng)扇葉片模型物理參數(shù) 單位:mm

2.2 假設(shè)簡(jiǎn)化

為簡(jiǎn)化分析,增加電腦運(yùn)算速率,做以下簡(jiǎn)化。

(1)滿足理想氣體狀態(tài)方程。

(2)忽略風(fēng)扇內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的影響。

(3)忽略葉片邊緣銳化處理。

2.3 邊界條件

計(jì)算時(shí),進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度入口,氣體狀態(tài)默認(rèn)為標(biāo)況;出風(fēng)口定義為自由壓力出口;計(jì)算過(guò)程采用動(dòng)坐標(biāo),逆時(shí)針設(shè)置。本次計(jì)算風(fēng)速如表2所示。

表2 進(jìn)風(fēng)風(fēng)速

2.4 網(wǎng)格劃分

應(yīng)用Gambit建立物理模型并劃分網(wǎng)格,鑒于葉片結(jié)構(gòu)的無(wú)規(guī)則性,應(yīng)用四面體網(wǎng)格劃分模型,葉片處弧形角度較大,此處進(jìn)行網(wǎng)格加密;為保證整體網(wǎng)格劃分質(zhì)量,模型網(wǎng)格skewness控制在0.95以下,且大于0.85的不超過(guò)1%。

3 優(yōu)化模擬

對(duì)各葉片優(yōu)化方案CFD計(jì)算,計(jì)算結(jié)果分析如下。

3.1 基準(zhǔn)模型

設(shè)定五葉風(fēng)扇原始模型為基準(zhǔn)模型,通過(guò)CFD模擬得到風(fēng)扇入口全壓為0,出口靜壓為0的壓力分布分別如圖2、圖3所示。將工況四定義為特征流量,壓力分布見(jiàn)圖4、圖5。

平衡經(jīng)濟(jì)利益與健康價(jià)值、關(guān)注公共健康與個(gè)人健康一向是政府應(yīng)該承擔(dān)的責(zé)任，同時(shí)也是消費(fèi)者關(guān)心的重要問(wèn)題。因而，面對(duì)這些具有公益性質(zhì)的問(wèn)題，醫(yī)藥企業(yè)通常面臨著向政府承擔(dān)責(zé)任和向消費(fèi)者承擔(dān)責(zé)任的雙重挑戰(zhàn)。具體而言，政府在與醫(yī)藥企業(yè)共同分擔(dān)責(zé)任的同時(shí)，還負(fù)有對(duì)醫(yī)藥企業(yè)進(jìn)行監(jiān)管的義務(wù)，消費(fèi)者在消費(fèi)醫(yī)藥企業(yè)醫(yī)藥產(chǎn)品的同時(shí)，還享有對(duì)醫(yī)藥企業(yè)進(jìn)行監(jiān)督的權(quán)利。這些共同構(gòu)成了督促醫(yī)藥企業(yè)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的外部力量。

圖2 壓力面壓力分布(單位:Pa)

圖3 吸力面壓力分布(單位:Pa)

圖4 特征流量壓力面壓力分布(單位:Pa)

圖5 特征流量吸力面壓力分布(單位:Pa)

由圖2、圖3可以清晰看到風(fēng)扇葉片表面壓力梯度的變化情況,并且由圖分析可知在葉片前端部分有一個(gè)壓力梯度急劇變化的區(qū)域,壓力面及吸立面壓力沿著葉片軸部至葉片頂端逐漸提升,位于壓力面的葉片頂端存有一個(gè)較高的靜壓區(qū),此區(qū)域證明在壓力面葉片頂端處存有一個(gè)滯留氣流的區(qū)域,導(dǎo)致流體在葉片壓力面將易于發(fā)生脫落。由圖4、圖5能夠得出在壓力面氣流滯留區(qū)域內(nèi)壓力顯著變大,同時(shí)吸力面葉片頂端負(fù)壓區(qū)域變大,壓力變低,該基準(zhǔn)模型擁有較好的壓力分析結(jié)果,具有較強(qiáng)的通風(fēng)換氣性能。

3.2 優(yōu)化方案

根據(jù)以上模擬分析,針對(duì)五葉片和三葉片,對(duì)前、后端分別提出2種優(yōu)化方案,如表3所示。

表3 優(yōu)化方案

葉片示意見(jiàn)圖6,前后端后端加凸起示意見(jiàn)圖7。

圖6 葉片示意

圖7 前后端加凸起示意

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 壓力比較

通過(guò)數(shù)值分析得到各優(yōu)化方案(入口全壓為0,出口靜壓為0)的壓力面、吸力面壓力分布如圖8、圖9所示。特征流量下的壓力分布如圖10、圖11所示。

圖8 壓力面壓力分布(單位:Pa)

圖9 吸力面壓力分布(單位:Pa)

將優(yōu)化前端的方案一與圖2模擬結(jié)果比較可得到優(yōu)化后風(fēng)扇壓力面的葉片頂端處有一個(gè)高靜壓區(qū),同時(shí)此壓力面位于葉片頂端氣流滯留區(qū)內(nèi)壓力較優(yōu)化前顯著增加,因而氣體在壓力面上較易于脫落。但能夠說(shuō)明葉片前端面上壓力梯度減小,流場(chǎng)分布趨于均勻,方案二與圖2能說(shuō)明優(yōu)化后風(fēng)扇壓力面在葉片頂端處氣流滯留區(qū)壓力明顯比其他方案較大,氣流在葉片壓力面會(huì)更易脫落。但是葉片前端壓力梯度相比基準(zhǔn)模型略低,流場(chǎng)壓力分布更加穩(wěn)定;后端方案一與圖2相比能說(shuō)明葉片表面壓力梯度發(fā)展的趨勢(shì),并能夠看見(jiàn)吸力面葉片頂端處壓力比基準(zhǔn)模型更低,從前端到后端的壓力變化規(guī)律為先減后增;壓力面的靜壓出現(xiàn)葉軸部到葉片頂端逐漸變大的趨勢(shì),方案二與圖2比較可得到吸力面葉片葉頂端處壓力比基準(zhǔn)模型要低,從前端到后端壓力呈現(xiàn)逐漸降低的發(fā)展規(guī)律。

前端的優(yōu)化方案一與圖3相比,吸力面葉片頂端處低負(fù)壓區(qū)域面積變大,方案二與圖3比較,吸力面葉片頂端處高壓區(qū)域比優(yōu)化前變大,可說(shuō)明優(yōu)化后的方案擁有更強(qiáng)的通風(fēng)性能;后端方案一與圖3比較可以看出壓力面葉片頂端出現(xiàn)低負(fù)壓區(qū),該氣流滯留區(qū)域上壓力較基準(zhǔn)方案小,氣流在葉片壓力面不易脫落,方案二與圖3比較看出壓力面的靜壓呈現(xiàn)葉軸部到葉片頂端變大的規(guī)律,同時(shí)壓力面葉片頂端出現(xiàn)靜壓較大區(qū)域,氣流滯留區(qū)內(nèi)壓力較基準(zhǔn)方案略小,氣流在該區(qū)域上不易脫落。

前端優(yōu)化方案與圖4、圖5對(duì)照可以得到方案一和方案二不同速度下吸力面與壓力面壓力分布無(wú)顯著差別;對(duì)于后端,方案一與圖5相比說(shuō)明特征流量情況下壓力面氣流滯留區(qū)域上壓力較其他情況變大,同時(shí)吸力面頂端低負(fù)壓范圍增加,方案二相比說(shuō)明長(zhǎng)后凸起與短后凸起壓力面分布大體相同,然而小后凸起尾端凸起處壓力梯度變小,說(shuō)明此處氣體加速度不大,不易發(fā)生尾端流體脫落。

4.2 流量特性曲線分析

圖12 靜壓流量

圖13 全壓流量

經(jīng)過(guò)相比研究發(fā)現(xiàn),靜壓變化特點(diǎn)隨流量提高先增加后減小,直到降低到零,當(dāng)靜壓為零時(shí),便得出風(fēng)扇流量最大值,由圖12、圖13能看出三葉優(yōu)化方案最大流量約420 m3/h,短前凸起優(yōu)化方案最大流量約455 m3/h;長(zhǎng)后凸起優(yōu)化方案最大流量約455 m3/h,短后凸起優(yōu)化方案最大流量約465 m3/h,可見(jiàn)短后凸起模型的性能較好。

全壓隨流量增加的變化規(guī)律為先增加后降低,分析可知,當(dāng)流動(dòng)趨于平穩(wěn)時(shí),各流量研究點(diǎn)處,基準(zhǔn)模型全壓比短前凸起高,短前凸起全壓比三葉高,說(shuō)明五葉基準(zhǔn)方案通風(fēng)效果最好,而三葉最差,但三葉能夠較大程度降低造價(jià)?；鶞?zhǔn)模型全壓比短后凸起高,短后凸起模型全壓均比長(zhǎng)后凸起高,說(shuō)明基準(zhǔn)模型通風(fēng)效果最好,長(zhǎng)后凸起模型較差。

針對(duì)4種優(yōu)化模型,分別選擇前端優(yōu)化及后端優(yōu)化方案中性能最優(yōu)的方案,繪制靜壓流量與全壓流量,如圖14、圖15所示。

圖14 葉片最優(yōu)方案靜壓流量

圖15 葉片最優(yōu)方案全壓流量

通過(guò)對(duì)比分析可得,當(dāng)流動(dòng)趨于穩(wěn)定時(shí),基準(zhǔn)模型全壓、靜壓均比短前凸起高,短前凸起模型全壓均比短后凸起模型高。短前凸起模型靜壓與短后凸起相比大體相同,說(shuō)明基準(zhǔn)模型通風(fēng)效果最好,短后凸起模型較差。

4.3 功率分析

風(fēng)扇的好壞通常表現(xiàn)在能耗效率方面,在相同功量情況下軸功率大小便可較好說(shuō)明風(fēng)扇效率。分別選擇前端優(yōu)化及后端優(yōu)化方案中最優(yōu)的模型計(jì)算其軸功率,如圖16所示。

圖16 軸功率對(duì)比

由圖16得出,不同的優(yōu)化方法對(duì)風(fēng)扇軸功率影響較小,說(shuō)明優(yōu)化方案下風(fēng)扇軸功率近乎相同,差別較小。

5 結(jié)論

通過(guò)研究五葉基準(zhǔn)模型、前凸起模型、三葉模型中數(shù)值計(jì)算結(jié)果,同時(shí)比較五葉基準(zhǔn)模型、全后凸起模型、短后凸起模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果,得出結(jié)論:

(1)三葉增加前端凸起的方案,盡管能大程度地減少建材成本,但卻降低了風(fēng)扇通風(fēng)性能,相同流量下壓力降低約6 Pa,最大流量降低幅度超過(guò)10%。

(2)風(fēng)扇前端增加凸起對(duì)葉片進(jìn)口處壓力梯度會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng),同時(shí)對(duì)提升風(fēng)扇的機(jī)械剛度有利,能夠有效預(yù)防葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可能產(chǎn)生的振顫情況,可以預(yù)見(jiàn)對(duì)降低噪音也會(huì)產(chǎn)生積極效果。

(3)尾端增加長(zhǎng)凸起方案,因?yàn)橥蛊鸨旧眢w積存在對(duì)氣流流場(chǎng)影響較大,阻礙了氣流流線脫落,但卻使得風(fēng)扇通風(fēng)性能降低很大;尾端增加短凸起模型,既阻礙了尾端氣流脫落,又很好地保持了風(fēng)扇通風(fēng)性能。

(4)各優(yōu)化方案軸功率與五葉基準(zhǔn)方案基本相同,因而風(fēng)扇運(yùn)行效率相近,能耗基本相同。