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1 前言
风量与功率是风机的两个重要性能指标。随着CFD技术的发展，采用CFD数值模拟的方法已成为对风机内部流场和优化设计研究的重要手段。通过分析我们可以得知对于边界层有较大影响的问题如风机叶片的流动，采用非结构网格模型往往不能准确模拟边界层发展的问题，因此预测的流动可能出现较大的误差。风机的结构通常比较复杂，生成一个合格的网格往往对数值模拟的结果有很大的影响。对此可以采用两种方式避免这个问题：
（1）壁面、叶片边界层采用结构网格，其他部分采用非结构网格；
（2）整个计算区域都采用结构网格生成。本文采用了第2种网格，利用Ansys-CFX软件对风机内部流场进行分析，并与风洞试验结果比较，得到与实际较符合的结果。
2 算例
2.1风机参数
本文针对某型号轴流风机用CFD方法进行优化设计。其主要参数如下：主轴直径92mm；叶片外轮直径300mm（公差0~-5mm）；叶片厚度1mm；叶片数为5片；其结构图如图1。
2.2网格划分
为了与实验对比，风机有个直径为310mm的外壳，其结构网格模型如图2，但数值模拟不能仅模拟这个区域，因为此部分的进风口和出风口的流动是很不稳定的，这样就很难给定进出口边界条件，而一个准确的边界条件对计算结果有着重要的影响。为了准确给定边界条件，在进风口和出风口分别加一段计算域圆管。同时为减小计算量，利用周期性取其五分之一作为计算域，这样整个计算域的网格如图 3。在叶片转动区域由于其流动复杂，我们采用较密的网格，同时对叶片和壁面边界处也做了一定的网格加密，以便采用壁面函数的方法模拟边界，以减少计算量。在进出口部分由于流动比较稳定所以采用了较疏的网格。
图1 风机叶片图 图2 风机转动部分结构网格图
由于计算域中存叶片等转动边界，同时考虑所需要得到的是风量和效率，并不需要知道风机每个瞬态时的内部流场，所以采用了稳态流动假设。对转动的区域采用动参考系模型（Moving Reference Frame），即把转动的计算域的参考系设为转动坐标。但此处的转动并不是物理位置上的转动，此时求解的仅仅是转动的某一瞬间的情况，这样就把一个非稳态的问题转化为一个稳态问题来求解，从而减少计算量。其它静止的计算域仍以静止坐标为参考系。动静计算域的连接面称为动静界面，数值模拟结果的好坏关键是在此界面上的数值交换方法的好坏。本文采取Stage（周向平均）方法并用GGI插值的方法进行数据交换。
3 计算选项和边界条件
3.1 基本选项
由于该对旋式轴流通风机的全压升和气体流速都不是很高 ,因此在计算过程中可以假设标准空气，忽略重力影响。湍流模型选用工程上应用广泛的 k-ε模型[6]。壁面处理采用标准壁面函数法[6]（Standard Wall Function）。采用壁面函数要求边界层上的第一个网格的Yplus范围在20~100,这样可以采用壁面函数法近试模拟近壁面的流动，而不必采用很密的网格，能大大减小计算量。压力项采用标准差分格式，速度项、湍流动能项和湍流粘性系数项均采用二阶迎风格式。
图3 整个风机的机构网格模型 图4 边界条件设置
3.2边界条件
参照图4，计算中使用如下边界条件：
（1）进口采用速度进口，假定进口速度是均匀的，速度值按进口质量流量确定；
（2）出口使用压力出口，设其绝对压力为标准大气压力0.1MPa；
（3）壁面采用无滑移（No Slip）壁面边界条件，并使用标准壁面函数法确定固壁面附近的流动；
（4）周期性边界采用旋转周期面（Rotation Periodical Interface）；
（5）转子部分用采用转动坐标系，静止部分采用静止坐标系；
（6）动静界面采用周向平均插值法（Stage）进行数据交换；
4 计算结果
从图5和图6中，可以看出吸力面和压力面的压力分布。在边缘处上下两面之间有较大的压力差，下表面（压力面）压力大，上表面（吸力面）压力小，这是由于叶片对气体做功，同时气体反作用与叶片上，使压力面上压力变的很大，而吸力面上的气体会沿着叶片向下流去，补充叶片下流走的气体，所以吸力面上的压力就较小。同时这个压力差容易使风扇叶片边缘的流体在压力差的作用下形成回流，从图 9就可以看出回流的存在。由于回流的产生会影响风机的性能，使风量减小，所以边缘处的回流应尽量减小。
图5 压力面压力分布 图6 吸力面压力分布
图7 外壳压力分布 图8 外壳压力分布
图9 轴面速度分布 图10 风洞实验装置
从图 7和图 8中可以看到在叶片下面部分的叶壳上的压力较大，这是由于空气在叶片作用下除了有向下的轴向速度，同时会有一个径向速度，这使得流体也有一个冲击叶壳的速度和作用力，这个作用力使流体流动限制在这个区域内。由于机壳上的压力很大，使得靠近机壳的流体在这个压力作用下会产生一个径向朝里的一个速度，即产生了二次流。
从图 9可以看出风扇在轴流面上有明显的回流发生，其发生可能有以下几个原因造成：（1）由于上下表面的压力差；（2）叶片边缘与外壳之间存在较大的空隙；（3）叶片倾角太小，造成送风距离较短；（4）叶片曲率较小使得空气获得的动能不足。好的风扇因该减小回流的发生，这就需要协调各个参数使其效果达到最佳，所以要提高风机的性能可以从以上几个方面进行优化设计。
最后通过如图10的风洞试验装置测试风机实际风量和功率，并与数值模拟结果比较发现，其结果如图11和图12，采用结构网格并加密边缘的风机模型得到的结果与实际试验结果很接近。
图11 流量－静压变化曲线 图12 流量－轴功率变化曲线
5 结论
本文采用了结构网格建立轴流风机的计算模型，并用计算流体力学软件 Ansys-CFX计算了风机的内部流场，并分析了回流和二次流的产生，提出了优化分机性能的几种可能性。通过与实验的比较，表明计算结果与实验结果吻合较好。综上所述， CFD数值模拟方法已成为解决流体工程问题的一个重要手段，它能很好揭示流体内部流场，并对优化设计和节省研发费用和周期有重要的实际意义。
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