虛擬風筒—通風機葉片/翼型研究新方法

摘要：通過計算機技術將風筒試驗和理論計算緊密結合，演繹出研究風機翼型的新方法，

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

關鍵詞：軸流式通風機；風筒；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

近年來計算機高速發展，很多計算的難題都得到了相應的解決，但是空氣動力學的粘性流問題仍沒得到妥善解決，每遇到氣流分離時，翼型的升力和阻力都難以計算，只能求助于風洞試驗，盡管有很多翼型設計理論，但是翼型的空氣動力特性，最后總是要通過風洞試驗獲得。

翼型特性是軸流通風機的設計基礎，沒有翼型的空氣動力數據就無法設計風機，因此翼型的研究發展直接關系到風機性能及其發展。

本文研究風機翼型的新方法——虛擬風筒法，是放棄傳統方法的一次創新。

1  虛擬風筒的基本概念

圖1給出了實際風機模型進行試驗的情況。對于已知風機來說，需要制造風機模型，然后進行風筒試驗，得出風機性能數據。

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

圖3對兩個過程做出了抽象對比，將其分成輸入、轉換、輸出3個步驟。兩個圖的輸入和轉換裝置有所不同，前者是實體風機進行實際的風筒試驗，是一個真實的物理過程；后者是數字風機進行的理論運算，是一個數學過程。只要各步處理得當，兩者的輸出就會是相同的，那時，數學的結果就可以代替實體試驗。

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

采用反向思維，如果兩者輸出性能一致，風機的輸入也應當相同。換句話說，當風機輸出性能相同時，就可以得到翼型的氣動力數據，這個過程是有“輸出性能一致”作保證的。

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

2  虛擬風筒的預備運行步驟

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

進入虛線圖框后，首先進行的是模型設計，根據“風機翼型、葉片參數”，設計“標準風機模型”，所謂標準風機模型，是一個矩形、無扭角的柱形葉片，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“實體風筒”試驗得出“風機性能”，這個“風機性能”數據是建立虛擬風筒的基礎，是與“虛擬風筒”得出的“風機性能”進行“分析、對比”的依據。    

與此同時，“風機翼型、葉片參數”給出翼型“氣動數據”和“葉片參數”，將其輸入到計算機內，通過理論計算，得出“風機性能”，最后與“實體風筒”進入“對比、分析”。

在性能“對比、分析”階段，是通過計算機繪圖顯示差別，實線是實體風筒的曲線，虛擬風筒的計算結果用圓點繪制在同一曲線上^[1]。人工對兩個結果進行“對比、分析”，找到修改原始氣動力數據的方向，提供“反饋修改信息”，修改“氣動數據”，再進行理論計算。如此循環，不斷修改迭代數據，不斷進行“對比、分析”，直到“實體風筒”與“理論計算”的結果一致，即得到滿意結果為止。

通過虛擬風筒預備運行步驟得到“翼型數據”。接下來的理論計算過程，定義為正式虛擬風筒運行，簡稱為虛擬風筒運行（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，這一點是其他設計方法無法比擬的，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  建立虛擬風筒的條件

從圖4中可知，要想使實體風筒和虛擬風筒輸出一致，其必要條件是兩個風筒都必須是正確的。“實物風筒”要有一定的試驗精度，“虛擬風筒”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。

對于實物風筒其結構、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]。

理論計算必須改進和修正。

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

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

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

只有做好上面各項工作，才能使虛擬風筒趨近實體風筒，才有比較好的精度。

4  虛擬風筒的基本功能

4.1  翼型研究

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

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

不用風洞進行翼型試驗，開創了風筒試驗研究的新道路：可以根據風機的特點，研究、設計新翼型；可以對已有的優秀風機、優秀翼型進行消化吸收再創新，應用翼型數據便于分析，便于比較；可以進行翼型資料的累積，為風機設計、研究提供一個廣闊的翼型數據庫，它將會加速風機行業的發展。

4.2  風機設計

如圖5所示，有了翼型數據，可以設計出各種風機葉片，經過虛擬風筒，可算出風機性能，可以將“設計—制造模型—試驗—再改進設計—再制造模型—再改進試驗”的復雜過程，變為單純的數學迭代過程，將由很多不確定因素的過程，變為確切的設計方法。

豐富的風機翼型數據，將擴大風機翼型的選擇范圍，拓展風機設計領域。通過翼型的不同組合，可以設計不同性能的風機，方法簡單，設計計算迅速，結果可靠。

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

4.3  風機試驗

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

通過虛擬風筒的實際研究，得到了虛擬風筒的研究方法，從而在風機研究的道路上，在認識實踐的深度上有了新的進步，有了新的升華。理論認識的提高，必然會帶來試驗工作的發展。隨著虛擬風筒的不斷完善，其優秀的穩定性，必然會對試驗工作有一定指導作用。

圖6  切尖葉片翼型分布圖

5  研究結果的實例

圖7是拉擠葉片的實體風筒和虛擬風筒所得結果的比較情況，曲線是實體風筒試驗值，圓點是虛擬風筒計算結果，曲線和圓點都是通過計算機自動繪制的。可以看到兩者結果比較一致，通過多次比較得出，兩者誤差一般不超過5%，可以說虛擬風筒的研究方法是可靠的。

研究中體會到，虛擬風筒的精度主要取決于實體風筒的精度，實體風筒試驗精度越高，虛擬分風筒的精度也就越高。

圖8是設計的新型風機與老風機性能的比較，曲線是目前廣泛使用的低噪聲風機的結果，圓點表示新風機性能。不難看出，在3種安裝角情況下，兩者的功率幾乎相同，但新型風機的風壓大于老風機，其性能優于老風機。在大安裝角情況下，新風機的壓力很大，隨著流量的減少壓力還在增加，顯示出新型風機的余力很大，而老風機壓力較小，隨著流量的減少風壓不再增大，已無余力。新型風機葉片的安裝角還可以增大，而老風機的安裝角不能再增大，否則將處于完全失速狀態，顯示新風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，是通過翼型的改進獲得的，通過多種優秀翼型的分析、比較，發現老葉片翼型的不足，對正改進，收到事半功倍的效果。虛擬風筒提供了分析、比較的手段，從而能夠有效地鑒別葉片、翼型的好壞，有比較有鑒別才會有進步，這就是虛擬風筒的作用所在。