虛擬風(fēng)筒—通風(fēng)機(jī)葉片/翼型研究新方法

摘要：通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將風(fēng)筒試驗(yàn)和理論計(jì)算緊密結(jié)合，演繹出研究風(fēng)機(jī)翼型的新方法，

虛擬風(fēng)筒法。用虛擬風(fēng)筒求得風(fēng)機(jī)翼型空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，得出所需要的風(fēng)機(jī)性能，并可以快速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)葉片的氣動(dòng)外形。它具有多種功能，它為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、研究提供了新方法。

關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機(jī)；風(fēng)筒；葉片；翼型；數(shù)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(jì)算機(jī)高速發(fā)展，很多計(jì)算的難題都得到了相應(yīng)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(jì)算，只能求助于風(fēng)洞試驗(yàn)，盡管有很多翼型設(shè)計(jì)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(yàn)獲得。

翼型特性是軸流通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，沒(méi)有翼型的空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)就無(wú)法設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)，因此翼型的研究發(fā)展直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)性能及其發(fā)展。

本文研究風(fēng)機(jī)翼型的新方法——虛擬風(fēng)筒法，是放棄傳統(tǒng)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(jī)模型進(jìn)行試驗(yàn)的情況。對(duì)于已知風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，需要制造風(fēng)機(jī)模型，然后進(jìn)行風(fēng)筒試驗(yàn)，得出風(fēng)機(jī)性能數(shù)據(jù)。

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

圖3對(duì)兩個(gè)過(guò)程做出了抽象對(duì)比，將其分成輸入、轉(zhuǎn)換、輸出3個(gè)步驟。兩個(gè)圖的輸入和轉(zhuǎn)換裝置有所不同，前者是實(shí)體風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)際的風(fēng)筒試驗(yàn)，是一個(gè)真實(shí)的物理過(guò)程；后者是數(shù)字風(fēng)機(jī)進(jìn)行的理論運(yùn)算，是一個(gè)數(shù)學(xué)過(guò)程。只要各步處理得當(dāng)，兩者的輸出就會(huì)是相同的，那時(shí)，數(shù)學(xué)的結(jié)果就可以代替實(shí)體試驗(yàn)。

傳統(tǒng)的理論研究方法是從風(fēng)洞中獲得翼型的空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能的計(jì)算，是一個(gè)正向的思考過(guò)程。通常認(rèn)為風(fēng)洞所得翼型空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，理所當(dāng)然地就是風(fēng)機(jī)的真實(shí)數(shù)據(jù)，所以試驗(yàn)所得結(jié)果也應(yīng)當(dāng)與試驗(yàn)結(jié)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(jī)的輸入也應(yīng)當(dāng)相同。換句話說(shuō)，當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出性能相同時(shí)，就可以得到翼型的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程是有“輸出性能一致”作保證的。

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

2  虛擬風(fēng)筒的預(yù)備運(yùn)行步驟

圖4虛線框內(nèi)的流程是虛擬風(fēng)筒的預(yù)備運(yùn)行步驟，它需要實(shí)物風(fēng)筒的支持，它是試驗(yàn)與理論結(jié)合的產(chǎn)物，是用計(jì)算機(jī)程序完成的^[1]。    

進(jìn)入虛線圖框后，首先進(jìn)行的是模型設(shè)計(jì)，根據(jù)“風(fēng)機(jī)翼型、葉片參數(shù)”，設(shè)計(jì)“標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)模型”，所謂標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)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(biāo)。然后通過(guò)“實(shí)體風(fēng)筒”試驗(yàn)得出“風(fēng)機(jī)性能”，這個(gè)“風(fēng)機(jī)性能”數(shù)據(jù)是建立虛擬風(fēng)筒的基礎(chǔ)，是與“虛擬風(fēng)筒”得出的“風(fēng)機(jī)性能”進(jìn)行“分析、對(duì)比”的依據(jù)。    

與此同時(shí)，“風(fēng)機(jī)翼型、葉片參數(shù)”給出翼型“氣動(dòng)數(shù)據(jù)”和“葉片參數(shù)”，將其輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過(guò)理論計(jì)算，得出“風(fēng)機(jī)性能”，最后與“實(shí)體風(fēng)筒”進(jìn)入“對(duì)比、分析”。

在性能“對(duì)比、分析”階段，是通過(guò)計(jì)算機(jī)繪圖顯示差別，實(shí)線是實(shí)體風(fēng)筒的曲線，虛擬風(fēng)筒的計(jì)算結(jié)果用圓點(diǎn)繪制在同一曲線上^[1]。人工對(duì)兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行“對(duì)比、分析”，找到修改原始?xì)鈩?dòng)力數(shù)據(jù)的方向，提供“反饋修改信息”，修改“氣動(dòng)數(shù)據(jù)”，再進(jìn)行理論計(jì)算。如此循環(huán)，不斷修改迭代數(shù)據(jù)，不斷進(jìn)行“對(duì)比、分析”，直到“實(shí)體風(fēng)筒”與“理論計(jì)算”的結(jié)果一致，即得到滿(mǎn)意結(jié)果為止。

通過(guò)虛擬風(fēng)筒預(yù)備運(yùn)行步驟得到“翼型數(shù)據(jù)”。接下來(lái)的理論計(jì)算過(guò)程，定義為正式虛擬風(fēng)筒運(yùn)行，簡(jiǎn)稱(chēng)為虛擬風(fēng)筒運(yùn)行（運(yùn)算），如圖5所示情況。與預(yù)備運(yùn)行相同，正式運(yùn)行所得風(fēng)機(jī)性能與試驗(yàn)結(jié)果也是一致的，這是預(yù)備運(yùn)算打下的基礎(chǔ)，這一點(diǎn)是其他設(shè)計(jì)方法無(wú)法比擬的，設(shè)計(jì)的精度是很高的，圖7就是計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)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(yàn)精度，“虛擬風(fēng)筒”必須有正確的理論模型和計(jì)算步驟，只有這樣才能在反復(fù)迭代中得到收斂的結(jié)果，才有較高的精度。

對(duì)于實(shí)物風(fēng)筒其結(jié)構(gòu)、布局應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1236-2000^[2]，測(cè)試儀表的誤差、精度等也要符合規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、精度應(yīng)達(dá)到ISO/TR 5168:1998(E) 的要求^[3]。

理論計(jì)算必須改進(jìn)和修正。

自由空間渦系可以誘導(dǎo)出軸線和環(huán)向速度，風(fēng)筒中的風(fēng)機(jī)受到筒壁的限制，不能產(chǎn)生軸向誘導(dǎo)速度，風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)速是葉輪前后的壓差形成的，風(fēng)機(jī)渦系只產(chǎn)生環(huán)向誘導(dǎo)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型分布的，在計(jì)算模型上必須進(jìn)行相應(yīng)的修正，以適應(yīng)這些不同的情況^[4]。

渦系、葉素理論，沒(méi)有輪轂支架和電機(jī)系統(tǒng)，其阻力沒(méi)有計(jì)算，對(duì)風(fēng)壓的影響較大，這是必須修正的^[4]。

只有做好上面各項(xiàng)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(tǒng)的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方法，是依靠風(fēng)洞試驗(yàn)提供翼型的資料，不同的風(fēng)洞將會(huì)提供不同的性能數(shù)據(jù)，造成各種翼型數(shù)據(jù)是不等權(quán)的。

風(fēng)洞的試驗(yàn)與風(fēng)筒試驗(yàn)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(shù)、紊流度，以及模型和測(cè)量?jī)x表的精度級(jí)別等，都不相同，風(fēng)洞的情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于風(fēng)筒。風(fēng)洞流過(guò)的是軸向直勻流，風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)機(jī)接受的是旋轉(zhuǎn)加軸向流動(dòng)，風(fēng)筒風(fēng)機(jī)試驗(yàn)受間隙影響，有葉尖繞流現(xiàn)象，風(fēng)洞則沒(méi)有，這些差異使兩者的數(shù)據(jù)不盡相同。用風(fēng)洞試驗(yàn)的翼型數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)葉片，再與風(fēng)筒試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，有“水土不服”之嫌。用風(fēng)筒試驗(yàn)的翼型數(shù)據(jù)與風(fēng)筒試驗(yàn)的風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行比較，則有“本鄉(xiāng)本土”的優(yōu)勢(shì)。盡管風(fēng)機(jī)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(jí)”的精度，用于風(fēng)機(jī)研究是合適的。

不用風(fēng)洞進(jìn)行翼型試驗(yàn)，開(kāi)創(chuàng)了風(fēng)筒試驗(yàn)研究的新道路：可以根據(jù)風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，研究、設(shè)計(jì)新翼型；可以對(duì)已有的優(yōu)秀風(fēng)機(jī)、優(yōu)秀翼型進(jìn)行消化吸收再創(chuàng)新，應(yīng)用翼型數(shù)據(jù)便于分析，便于比較；可以進(jìn)行翼型資料的累積，為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、研究提供一個(gè)廣闊的翼型數(shù)據(jù)庫(kù)，它將會(huì)加速風(fēng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

4.2  風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

如圖5所示，有了翼型數(shù)據(jù)，可以設(shè)計(jì)出各種風(fēng)機(jī)葉片，經(jīng)過(guò)虛擬風(fēng)筒，可算出風(fēng)機(jī)性能，可以將“設(shè)計(jì)—制造模型—試驗(yàn)—再改進(jìn)設(shè)計(jì)—再制造模型—再改進(jìn)試驗(yàn)”的復(fù)雜過(guò)程，變?yōu)閱渭兊臄?shù)學(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(shè)計(jì)方法。

豐富的風(fēng)機(jī)翼型數(shù)據(jù)，將擴(kuò)大風(fēng)機(jī)翼型的選擇范圍，拓展風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。通過(guò)翼型的不同組合，可以設(shè)計(jì)不同性能的風(fēng)機(jī)，方法簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)計(jì)算迅速，結(jié)果可靠。

量變帶來(lái)質(zhì)的變化，設(shè)計(jì)成為可靠準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，從而能選出最優(yōu)秀的風(fēng)機(jī)。風(fēng)筒試驗(yàn)只是做出最后的驗(yàn)證，風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)變成容易、快捷的工作，這也是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工作的重大突破，為設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供有力工具 。

4.3  風(fēng)機(jī)試驗(yàn)

將“翼型數(shù)據(jù)庫(kù)”試驗(yàn)結(jié)果推廣到所有風(fēng)機(jī)上，用有限的試驗(yàn)代替無(wú)窮多的試驗(yàn)，虛擬風(fēng)筒可代替實(shí)體風(fēng)筒試驗(yàn)。以拉擠工藝制造的無(wú)扭轉(zhuǎn)、等弦長(zhǎng)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(shè)計(jì)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(jī)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(yàn)是不可能的，虛擬風(fēng)筒可以簡(jiǎn)單快速的求出風(fēng)機(jī)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(jī)研究的道路上，在認(rèn)識(shí)實(shí)踐的深度上有了新的進(jìn)步，有了新的升華。理論認(rèn)識(shí)的提高，必然會(huì)帶來(lái)試驗(yàn)工作的發(fā)展。隨著虛擬風(fēng)筒的不斷完善，其優(yōu)秀的穩(wěn)定性，必然會(huì)對(duì)試驗(yàn)工作有一定指導(dǎo)作用。

圖6  切尖葉片翼型分布圖

5  研究結(jié)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(jié)果的比較情況，曲線是實(shí)體風(fēng)筒試驗(yàn)值，圓點(diǎn)是虛擬風(fēng)筒計(jì)算結(jié)果，曲線和圓點(diǎn)都是通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制的?？梢钥吹絻烧呓Y(jié)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(yàn)精度越高，虛擬分風(fēng)筒的精度也就越高。

圖8是設(shè)計(jì)的新型風(fēng)機(jī)與老風(fēng)機(jī)性能的比較，曲線是目前廣泛使用的低噪聲風(fēng)機(jī)的結(jié)果，圓點(diǎn)表示新風(fēng)機(jī)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(jī)的風(fēng)壓大于老風(fēng)機(jī)，其性能優(yōu)于老風(fēng)機(jī)。在大安裝角情況下，新風(fēng)機(jī)的壓力很大，隨著流量的減少壓力還在增加，顯示出新型風(fēng)機(jī)的余力很大，而老風(fēng)機(jī)壓力較小，隨著流量的減少風(fēng)壓不再增大，已無(wú)余力。新型風(fēng)機(jī)葉片的安裝角還可以增大，而老風(fēng)機(jī)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(jī)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(xiàn)老葉片翼型的不足，對(duì)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。