虛擬風(fēng)筒—通風(fēng)機葉片/翼型研究新方法

摘要：通過(guò)計算機技術(shù)將風(fēng)筒試驗和理論計算緊密結合，演繹出研究風(fēng)機翼型的新方法，

虛擬風(fēng)筒法。用虛擬風(fēng)筒求得風(fēng)機翼型空氣動(dòng)力數據，得出所需要的風(fēng)機性能，并可以快速、準確地設計葉片的氣動(dòng)外形。它具有多種功能，它為風(fēng)機設計、創(chuàng )新、研究提供了新方法。

關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機；風(fēng)筒；葉片；翼型；數值模擬

Simulated Fan Stack - The New Research Method for Blade of Fan/Airfoil

Abstract: A new research method for fan airfoil, named “Simulated Fan Stack”, has developed based on the combination of stack tests and theoretical calculation through the computer software. By this method, the airfoil’s aerodynamic data can be calculated, the required fan’s performance data can be deduced, and even the blade’s aerodynamic profile can be designed exactly and quickly. The method has many functions and will provide a new technique for fan’s design, innovation and research.

Key words: axial-flow fan; fan stack; blade; airfoil; numerical simulation

0  引言

近年來(lái)計算機高速發(fā)展，很多計算的難題都得到了相應的解決，但是空氣動(dòng)力學(xué)的粘性流問(wèn)題仍沒(méi)得到妥善解決，每遇到氣流分離時(shí)，翼型的升力和阻力都難以計算，只能求助于風(fēng)洞試驗，盡管有很多翼型設計理論，但是翼型的空氣動(dòng)力特性，最后總是要通過(guò)風(fēng)洞試驗獲得。

翼型特性是軸流通風(fēng)機的設計基礎，沒(méi)有翼型的空氣動(dòng)力數據就無(wú)法設計風(fēng)機，因此翼型的研究發(fā)展直接關(guān)系到風(fēng)機性能及其發(fā)展。

本文研究風(fēng)機翼型的新方法——虛擬風(fēng)筒法，是放棄傳統方法的一次創(chuàng )新。

1  虛擬風(fēng)筒的基本概念

圖1給出了實(shí)際風(fēng)機模型進(jìn)行試驗的情況。對于已知風(fēng)機來(lái)說(shuō)，需要制造風(fēng)機模型，然后進(jìn)行風(fēng)筒試驗，得出風(fēng)機性能數據。

圖2給出的是對風(fēng)機進(jìn)行理論計算的流程情況。在這個(gè)過(guò)程中，必須知道風(fēng)機葉片的幾何形狀，葉片翼型的空氣動(dòng)力性能數據，然后通過(guò)理論計算，最后得出風(fēng)機性能的一系列性能參數。這個(gè)過(guò)程與風(fēng)筒試驗相似，雖然沒(méi)有進(jìn)行風(fēng)筒試驗，也能得出風(fēng)機性能數據，好像一個(gè)虛擬的風(fēng)筒。

圖3對兩個(gè)過(guò)程做出了抽象對比，將其分成輸入、轉換、輸出3個(gè)步驟。兩個(gè)圖的輸入和轉換裝置有所不同，前者是實(shí)體風(fēng)機進(jìn)行實(shí)際的風(fēng)筒試驗，是一個(gè)真實(shí)的物理過(guò)程；后者是數字風(fēng)機進(jìn)行的理論運算，是一個(gè)數學(xué)過(guò)程。只要各步處理得當，兩者的輸出就會(huì )是相同的，那時(shí)，數學(xué)的結果就可以代替實(shí)體試驗。

傳統的理論研究方法是從風(fēng)洞中獲得翼型的空氣動(dòng)力數據，然后進(jìn)行風(fēng)機性能的計算，是一個(gè)正向的思考過(guò)程。通常認為風(fēng)洞所得翼型空氣動(dòng)力數據，理所當然地就是風(fēng)機的真實(shí)數據，所以試驗所得結果也應當與試驗結果一致，實(shí)際上這一過(guò)程并未得到證實(shí)。

采用反向思維，如果兩者輸出性能一致，風(fēng)機的輸入也應當相同。換句話(huà)說(shuō)，當風(fēng)機輸出性能相同時(shí)，就可以得到翼型的氣動(dòng)力數據，這個(gè)過(guò)程是有“輸出性能一致”作保證的。

從數學(xué)的角度看，不斷地修改輸入數據，可以不斷地改變輸出性能，反復迭代可以使風(fēng)機性能與試驗性能相同，此時(shí)的翼型數據，就是所要的翼型的空氣動(dòng)力特性數據。這就是建立虛擬風(fēng)筒的核心思想。

2  虛擬風(fēng)筒的預備運行步驟

圖4虛線(xiàn)框內的流程是虛擬風(fēng)筒的預備運行步驟，它需要實(shí)物風(fēng)筒的支持，它是試驗與理論結合的產(chǎn)物，是用計算機程序完成的^[1]。    

進(jìn)入虛線(xiàn)圖框后，首先進(jìn)行的是模型設計，根據“風(fēng)機翼型、葉片參數”，設計“標準風(fēng)機模型”，所謂標準風(fēng)機模型，是一個(gè)矩形、無(wú)扭角的柱形葉片，其目的是便于制造，減少迭代誤差,減少迭代難度，以便較好趨近目標。然后通過(guò)“實(shí)體風(fēng)筒”試驗得出“風(fēng)機性能”，這個(gè)“風(fēng)機性能”數據是建立虛擬風(fēng)筒的基礎，是與“虛擬風(fēng)筒”得出的“風(fēng)機性能”進(jìn)行“分析、對比”的依據。    

與此同時(shí)，“風(fēng)機翼型、葉片參數”給出翼型“氣動(dòng)數據”和“葉片參數”，將其輸入到計算機內，通過(guò)理論計算，得出“風(fēng)機性能”，最后與“實(shí)體風(fēng)筒”進(jìn)入“對比、分析”。

在性能“對比、分析”階段，是通過(guò)計算機繪圖顯示差別，實(shí)線(xiàn)是實(shí)體風(fēng)筒的曲線(xiàn)，虛擬風(fēng)筒的計算結果用圓點(diǎn)繪制在同一曲線(xiàn)上^[1]。人工對兩個(gè)結果進(jìn)行“對比、分析”，找到修改原始氣動(dòng)力數據的方向，提供“反饋修改信息”，修改“氣動(dòng)數據”，再進(jìn)行理論計算。如此循環(huán)，不斷修改迭代數據，不斷進(jìn)行“對比、分析”，直到“實(shí)體風(fēng)筒”與“理論計算”的結果一致，即得到滿(mǎn)意結果為止。

通過(guò)虛擬風(fēng)筒預備運行步驟得到“翼型數據”。接下來(lái)的理論計算過(guò)程，定義為正式虛擬風(fēng)筒運行，簡(jiǎn)稱(chēng)為虛擬風(fēng)筒運行（運算），如圖5所示情況。與預備運行相同，正式運行所得風(fēng)機性能與試驗結果也是一致的，這是預備運算打下的基礎，這一點(diǎn)是其他設計方法無(wú)法比擬的，設計的精度是很高的，圖7就是計算與試驗結果的比較情況。

3  建立虛擬風(fēng)筒的條件

從圖4中可知，要想使實(shí)體風(fēng)筒和虛擬風(fēng)筒輸出一致，其必要條件是兩個(gè)風(fēng)筒都必須是正確的?！皩?shí)物風(fēng)筒”要有一定的試驗精度，“虛擬風(fēng)筒”必須有正確的理論模型和計算步驟，只有這樣才能在反復迭代中得到收斂的結果，才有較高的精度。

對于實(shí)物風(fēng)筒其結構、布局應符合國家標準GB/T1236-2000^[2]，測試儀表的誤差、精度等也要符合規定，試驗結果的數據處理、精度應達到ISO/TR 5168:1998(E) 的要求^[3]。

理論計算必須改進(jìn)和修正。

自由空間渦系可以誘導出軸線(xiàn)和環(huán)向速度，風(fēng)筒中的風(fēng)機受到筒壁的限制，不能產(chǎn)生軸向誘導速度，風(fēng)筒內的風(fēng)速是葉輪前后的壓差形成的，風(fēng)機渦系只產(chǎn)生環(huán)向誘導速度^[2]。

自由流場(chǎng)流速是均勻的，即葉片各個(gè)半徑處的速度是一樣的。在風(fēng)筒中流速是成拋物線(xiàn)型分布的，在計算模型上必須進(jìn)行相應的修正，以適應這些不同的情況^[4]。

渦系、葉素理論，沒(méi)有輪轂支架和電機系統，其阻力沒(méi)有計算，對風(fēng)壓的影響較大，這是必須修正的^[4]。

只有做好上面各項工作，才能使虛擬風(fēng)筒趨近實(shí)體風(fēng)筒，才有比較好的精度。

4  虛擬風(fēng)筒的基本功能

4.1  翼型研究

傳統的風(fēng)機設計方法，是依靠風(fēng)洞試驗提供翼型的資料，不同的風(fēng)洞將會(huì )提供不同的性能數據，造成各種翼型數據是不等權的。

風(fēng)洞的試驗與風(fēng)筒試驗有較大差別，不論是流場(chǎng)的均勻性、氣流方向的一致性，還是流場(chǎng)的雷諾數、紊流度，以及模型和測量?jì)x表的精度級別等，都不相同，風(fēng)洞的情況遠遠好于風(fēng)筒。風(fēng)洞流過(guò)的是軸向直勻流，風(fēng)筒內的風(fēng)機接受的是旋轉加軸向流動(dòng)，風(fēng)筒風(fēng)機試驗受間隙影響，有葉尖繞流現象，風(fēng)洞則沒(méi)有，這些差異使兩者的數據不盡相同。用風(fēng)洞試驗的翼型數據，設計風(fēng)機葉片，再與風(fēng)筒試驗結果進(jìn)行比較，有“水土不服”之嫌。用風(fēng)筒試驗的翼型數據與風(fēng)筒試驗的風(fēng)機性能進(jìn)行比較，則有“本鄉本土”的優(yōu)勢。盡管風(fēng)機翼型的精度較低，不能滿(mǎn)足航空部門(mén)的要求，但是，它具有“風(fēng)筒級”的精度，用于風(fēng)機研究是合適的。

不用風(fēng)洞進(jìn)行翼型試驗，開(kāi)創(chuàng )了風(fēng)筒試驗研究的新道路：可以根據風(fēng)機的特點(diǎn)，研究、設計新翼型；可以對已有的優(yōu)秀風(fēng)機、優(yōu)秀翼型進(jìn)行消化吸收再創(chuàng )新，應用翼型數據便于分析，便于比較；可以進(jìn)行翼型資料的累積，為風(fēng)機設計、研究提供一個(gè)廣闊的翼型數據庫，它將會(huì )加速風(fēng)機行業(yè)的發(fā)展。

4.2  風(fēng)機設計

如圖5所示，有了翼型數據，可以設計出各種風(fēng)機葉片，經(jīng)過(guò)虛擬風(fēng)筒，可算出風(fēng)機性能，可以將“設計—制造模型—試驗—再改進(jìn)設計—再制造模型—再改進(jìn)試驗”的復雜過(guò)程，變?yōu)閱渭兊臄祵W(xué)迭代過(guò)程，將由很多不確定因素的過(guò)程，變?yōu)榇_切的設計方法。

豐富的風(fēng)機翼型數據，將擴大風(fēng)機翼型的選擇范圍，拓展風(fēng)機設計領(lǐng)域。通過(guò)翼型的不同組合，可以設計不同性能的風(fēng)機，方法簡(jiǎn)單，設計計算迅速，結果可靠。

量變帶來(lái)質(zhì)的變化，設計成為可靠準確的設計，從而能選出最優(yōu)秀的風(fēng)機。風(fēng)筒試驗只是做出最后的驗證，風(fēng)機葉片設計變成容易、快捷的工作，這也是風(fēng)機設計工作的重大突破，為設計創(chuàng )新提供有力工具 。

4.3  風(fēng)機試驗

將“翼型數據庫”試驗結果推廣到所有風(fēng)機上，用有限的試驗代替無(wú)窮多的試驗，虛擬風(fēng)筒可代替實(shí)體風(fēng)筒試驗。以拉擠工藝制造的無(wú)扭轉、等弦長(cháng)的葉片為例。拉擠葉片通過(guò)切尖獲得扭角，使葉片更接近最佳設計狀態(tài)，如圖6所示。不同的直徑，不同的切尖法，可以得出不同的風(fēng)機葉片，無(wú)窮多的直徑和切尖法，會(huì )有無(wú)窮多種的葉片，都要通過(guò)實(shí)體試驗是不可能的，虛擬風(fēng)筒可以簡(jiǎn)單快速的求出風(fēng)機性能，顯示出極大地優(yōu)越性。

通過(guò)虛擬風(fēng)筒的實(shí)際研究，得到了虛擬風(fēng)筒的研究方法，從而在風(fēng)機研究的道路上，在認識實(shí)踐的深度上有了新的進(jìn)步，有了新的升華。理論認識的提高，必然會(huì )帶來(lái)試驗工作的發(fā)展。隨著(zhù)虛擬風(fēng)筒的不斷完善，其優(yōu)秀的穩定性，必然會(huì )對試驗工作有一定指導作用。

圖6  切尖葉片翼型分布圖

5  研究結果的實(shí)例

圖7是拉擠葉片的實(shí)體風(fēng)筒和虛擬風(fēng)筒所得結果的比較情況，曲線(xiàn)是實(shí)體風(fēng)筒試驗值，圓點(diǎn)是虛擬風(fēng)筒計算結果，曲線(xiàn)和圓點(diǎn)都是通過(guò)計算機自動(dòng)繪制的?？梢钥吹絻烧呓Y果比較一致，通過(guò)多次比較得出，兩者誤差一般不超過(guò)5%，可以說(shuō)虛擬風(fēng)筒的研究方法是可靠的。

研究中體會(huì )到，虛擬風(fēng)筒的精度主要取決于實(shí)體風(fēng)筒的精度，實(shí)體風(fēng)筒試驗精度越高，虛擬分風(fēng)筒的精度也就越高。

圖8是設計的新型風(fēng)機與老風(fēng)機性能的比較，曲線(xiàn)是目前廣泛使用的低噪聲風(fēng)機的結果，圓點(diǎn)表示新風(fēng)機性能。不難看出，在3種安裝角情況下，兩者的功率幾乎相同，但新型風(fēng)機的風(fēng)壓大于老風(fēng)機，其性能優(yōu)于老風(fēng)機。在大安裝角情況下，新風(fēng)機的壓力很大，隨著(zhù)流量的減少壓力還在增加，顯示出新型風(fēng)機的余力很大，而老風(fēng)機壓力較小，隨著(zhù)流量的減少風(fēng)壓不再增大，已無(wú)余力。新型風(fēng)機葉片的安裝角還可以增大，而老風(fēng)機的安裝角不能再增大，否則將處于完全失速狀態(tài)，顯示新風(fēng)機葉片有較大的壓力裕度，較大的使用范圍。

新型葉片的改進(jìn)，是通過(guò)翼型的改進(jìn)獲得的，通過(guò)多種優(yōu)秀翼型的分析、比較，發(fā)現老葉片翼型的不足，對正改進(jìn)，收到事半功倍的效果。虛擬風(fēng)筒提供了分析、比較的手段，從而能夠有效地鑒別葉片、翼型的好壞，有比較有鑒別才會(huì )有進(jìn)步，這就是虛擬風(fēng)筒的作用所在。