大王工业大风扇空气动力学仿真分析技术报告
工业大风扇空气动力学仿真分析技术报告
1 引言 1
2 几何模型 1
3 计算方法 1
4 结果分析 2
4.1叶片附近流场 2
4.2厂房空间流场 7
4.3整体性能 13
5 结论 15
1 引言
根据江苏大王通风机械有限公司（甲方）与无锡海思通科技有限公司（乙方） 签订的《工业大风扇空气动力学仿真分析技术服务合同》要求，无锡海思通科技有限公司按甲方提供的几何模型及运行参数，采用计算流体力学（CFD）方法， 对工业大风扇开展了空气动力学仿真模拟，本报告对相关技术工作进行总结。
2 几何模型
本项目仿真分析的工业大风扇由 5 片叶片组成，装有叶尖端板，直径 7260mm， 叶片根部弦长约 300mm，叶尖弦长约 190mm，图 1 为整个风扇的三维图。风扇转速 55rpm，吊装于厂房顶棚，四周为无墙面及其它干扰物的开放空间，叶片根部距地面 6000mm，距顶棚存在两个距离，分别为：1100mm（A 状态）及 1800mm（B 状态）。
图 1 风扇三维图
1 计算方法
采用有限体积方法求解不可压 RANS 方程，风扇区域采用旋转坐标系，外部空间采用静态坐标系，湍流模型为κ-ωSST 模型。采用非结构四面体网格， 物面附近通过棱柱层加密模拟附面层流动，共约 100 万网格点，图 2 为叶片局部表面网格，图 3 为空间网格。
图 2 表面网格
图 3 空间网格
4 结果分析
4.1 叶片附近流场
图 4、5 分别为叶片下表面及上表面的压力云图。下表面，A、B 两种状态压力差异不明显；上表面，叶尖附近存在较大的压力差异。图 6 为放大后的叶尖上表面压力云图，图 7 为该区域 4 个剖面的压力曲线，从中可见，B 状态尖部存在明显的前缘吸力峰，而 A 状态的前缘吸力峰不明显；由于 A 状态上表面压力的增大，将导致叶片局部升力减小，降低流过风扇的风量。
图 4 叶片下表面压力云图
图 5 叶片上表面压力云图
图 6 叶尖上表面压力云图
图 7 叶尖弦向剖面压力曲线（位置见图 6）
为了进一步分析叶尖上表面压力差异的原因，对该区域流线进行察看。图 8 为叶尖 4 个剖面弦向流线对比，可见，1、2 位置 AB 状态均存在后缘分离，其中 A 状态的分离区稍大，流动无本质差异；3、4 位置 A 状态分离点前移至前缘， 整个上表面都处于分离流中，流场品质较差，无法产生较大的前缘吸力峰。
图 10 为叶尖附近不同周向位置的展向流线，剖面位置见图 9，其中位置 1
为叶片位置，位置 2 为叶片前方来流位置（前一叶片的尾流）。叶尖下表面的高压气流从叶尖外侧向上绕流，形成叶尖涡，该叶尖涡随气流向下游运动对后面叶片的流动产生较大影响。从（a）图可见，B 状态的叶尖绕流仅局限在叶尖外侧， 未产生较大的展向流动，而 A 状态上表面存在较大的展向流动。从（b）图可见， 相对 B 状态，A 状态前方叶片尾迹中的叶尖涡向内侧移动更多，将对叶尖产生更大的上洗效应，增大当地迎角。
根据上述分析可知，AB 两状态的流动差异主要体现在叶尖部位。外侧顶棚附近气流向中间流动至叶尖附近时，由于 A 的上部空间高度相对较小，对叶尖外侧气流产生更大的局部向上抽吸效应；该抽吸效应与叶片下游螺旋状向下运动的叶尖涡叠加，使得尾涡半径缩小，导致叶尖更多区域处于尾涡上洗气流中，上洗增大了当地迎角；同时由于更小的上部空间将引起更大的展向气流，最终导致A 状态叶尖在大迎角、大的展向气流作用下出现严重的上表面前缘分离，降低了叶片升力、削弱了叶片对气流的推动作用。
（a） 位置 1
（b） 位置 2
（c） 位置 3
（d） 位置 4
图 8 叶尖弦向剖面流线（位置见图 6）
（a） 位置 1
（a） 位置 2
图 10 叶尖展向剖面流线（位置见图 9）
4.12 厂房空间流场
由于厂房大空间的流动主要是以风扇为中心向四周的流动，因此只对不同周向角度的截面流场进行分析，沿周向取 4 个截面，间隔 18 度，标记为 slice1~4， 图 11。
图 11 周向截面位置
图 12~15 分别为 4 个截面 A 与 B 的流动对比。扇叶从上方抽吸空气，推动其向下流动，到达地面附近后向四周外侧流动，在风扇正下方中心位置形成局部涡流；向四周运动的气流主要位于地面附近区域，在流动过程中上方空气不断补充，该气流的补充增大了空气的总流量；在外侧较远位置空气上浮回流，形成较大的回流涡；回流中接近顶棚的空气直接流入风扇，中间部分空气在回流过程中不断下沉，加入地面气流。因此，地面气流一部分直接来自风扇，另一部分来自沿途上部气流的补充。图 16~19 分别为 4 个截面 A 与 B 的气流速度云图对比。从图 12~15 可见 B 状态在风扇下方产生更高的压力，具有更大的气流推动
力；从图 16~19 可见，在地面附近 B 状态具有更大的速度，或者说 B 状态气流能到达更远的距离。
图 12 slice 1 截面流动对比
图 13 slice 2 截面流动对比
图 14 slice 3 截面流动对比
图 15 slice 4 截面流动对比
图 16 slice 1 截面速度云图对比
图 17 slice 2 截面速度云图对比
图 19 slice 4 截面速度云图对比
图 20 给出了 slice2 剖面上不同半径处，气流径向速度随高度的变化曲线， 可见，地面附近运动气流主要集中于 1m 高度以下范围内，B 状态具有更高的速度极值.
（a）5m 半径 （b）10m 半径
（c）15m 半径 （d）20m 半径
（e）25m 半径 （f）30m 半径
图 20 径向速度随高度变化曲线
4.3整体性能
根据前文分析，地面附近气流一部分直接来自风扇，另一部分来自沿途上部气流补充，因此总风量随着半径增大而增大，为便于对比，对距地面 2m 高度范围内的风量进行统计，同时定义有效风速的下限为 0.5m/s。图 21 为 2m 高度内平均风速随半径的变化曲线，从中可见，在 10m 半径内，平均风速先增大后衰减，约半径 4m 处平均风速最大，在半径 10m 以外，风速缓慢衰减，A 状态平均风速在 30m 处衰减至 0.5m/s，B 状态在 38m 处衰减至 0.5m/s。图 22 为 2m 高度内总风量随半径变化曲线，A 状态在 29m 处总风量达最大，约 11416 m3/min，B 状态在 33m 处总风量达最大，约 16130 m3/min。
图 21 平均风速变化曲线
图 22 总风量变化曲线
表 1 风扇整体性能对比
|
状态 |
直接风量 （m3/min） |
总风量 （m3/min） |
覆盖距离 （m） |
功率 （kw） |
能效 （m3/min/w） |
| A | 3489 | 11416 | 30 | 1.402 | 8.14 |
| B | 4480 | 16130 | 38 | 1.437 | 11.22 |
1 结论
本项目按合同要求完成了工业大风扇空气动力学仿真模拟，给出了不同顶棚高度下叶片附近、厂房空间的流场气流组织分布，对比分析了顶棚高度对工业大风扇空气动力学性能的影响，结论如下：
（1） 风扇至顶棚距离由 1100mm 改为 1800mm 后风量、覆盖距离、能效均有明显提升，功率增大不明显；
（2） 风扇至顶棚距离为 1100mm 时，由于叶尖尾涡及展向气流影响， 叶尖区域存在严重流动分离；
（3） 地面无障碍物的情况下，有效风速集中于 1 米高度以下范围内。
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