虛擬風(fēng)筒—通風(fēng)機(jī)葉片/翼型研究新方法

摘要：通過計算機(jī)技術(shù)將風(fēng)筒試驗和理論計算緊密結(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)計葉片的氣動外形。它具有多種功能，它為風(fēng)機(jī)設(shè)計、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

近年來計算機(jī)高速發(fā)展，很多計算的難題都得到了相應(yīng)的解決，但是空氣動力學(xué)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(fēng)洞試驗，盡管有很多翼型設(shè)計理論，但是翼型的空氣動力特性，最后總是要通過風(fēng)洞試驗獲得。

翼型特性是軸流通風(fēng)機(jī)的設(shè)計基礎(chǔ)，沒有翼型的空氣動力數(shù)據(jù)就無法設(shè)計風(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給出了實際風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行試驗的情況。對于已知風(fēng)機(jī)來說，需要制造風(fēng)機(jī)模型，然后進(jìn)行風(fēng)筒試驗，得出風(fēng)機(jī)性能數(shù)據(jù)。

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

圖3對兩個過程做出了抽象對比，將其分成輸入、轉(zhuǎn)換、輸出3個步驟。兩個圖的輸入和轉(zhuǎn)換裝置有所不同，前者是實體風(fēng)機(jī)進(jìn)行實際的風(fēng)筒試驗，是一個真實的物理過程；后者是數(shù)字風(fēng)機(jī)進(jìn)行的理論運算，是一個數(shù)學(xué)過程。只要各步處理得當(dāng)，兩者的輸出就會是相同的，那時，數(shù)學(xué)的結(jié)果就可以代替實體試驗。

傳統(tǒng)的理論研究方法是從風(fēng)洞中獲得翼型的空氣動力數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能的計算，是一個正向的思考過程。通常認(rèn)為風(fēng)洞所得翼型空氣動力數(shù)據(jù)，理所當(dāng)然地就是風(fēng)機(jī)的真實數(shù)據(jù)，所以試驗所得結(jié)果也應(yīng)當(dāng)與試驗結(jié)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(fēng)機(jī)的輸入也應(yīng)當(dāng)相同。換句話說，當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出性能相同時，就可以得到翼型的氣動力數(shù)據(jù)，這個過程是有“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)性能與試驗性能相同，此時的翼型數(shù)據(jù)，就是所要的翼型的空氣動力特性數(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)備運行步驟

圖4虛線框內(nèi)的流程是虛擬風(fēng)筒的預(yù)備運行步驟，它需要實物風(fēng)筒的支持，它是試驗與理論結(jié)合的產(chǎn)物，是用計算機(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，根據(jù)“風(fēng)機(jī)翼型、葉片參數(shù)”，設(shè)計“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(biāo)。然后通過“實體風(fēng)筒”試驗得出“風(fēng)機(jī)性能”，這個“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、對比”的依據(jù)。    

與此同時，“風(fēng)機(jī)翼型、葉片參數(shù)”給出翼型“氣動數(shù)據(jù)”和“葉片參數(shù)”，將其輸入到計算機(jī)內(nèi)，通過理論計算，得出“風(fēng)機(jī)性能”，最后與“實體風(fēng)筒”進(jìn)入“對比、分析”。

在性能“對比、分析”階段，是通過計算機(jī)繪圖顯示差別，實線是實體風(fēng)筒的曲線，虛擬風(fēng)筒的計算結(jié)果用圓點繪制在同一曲線上^[1]。人工對兩個結(jié)果進(jìn)行“對比、分析”，找到修改原始?xì)鈩恿?shù)據(jù)的方向，提供“反饋修改信息”，修改“氣動數(shù)據(jù)”，再進(jìn)行理論計算。如此循環(huán)，不斷修改迭代數(shù)據(jù)，不斷進(jìn)行“對比、分析”，直到“實體風(fēng)筒”與“理論計算”的結(jié)果一致，即得到滿意結(jié)果為止。

通過虛擬風(fēng)筒預(yù)備運行步驟得到“翼型數(shù)據(jù)”。接下來的理論計算過程，定義為正式虛擬風(fēng)筒運行，簡稱為虛擬風(fēng)筒運行（運算），如圖5所示情況。與預(yù)備運行相同，正式運行所得風(fēng)機(jī)性能與試驗結(jié)果也是一致的，這是預(yù)備運算打下的基礎(chǔ)，這一點是其他設(shè)計方法無法比擬的，設(shè)計的精度是很高的，圖7就是計算與試驗結(jié)果的比較情況。

3  建立虛擬風(fēng)筒的條件

從圖4中可知，要想使實體風(fēng)筒和虛擬風(fēng)筒輸出一致，其必要條件是兩個風(fēng)筒都必須是正確的。“實物風(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(fù)迭代中得到收斂的結(jié)果，才有較高的精度。

對于實物風(fēng)筒其結(jié)構(gòu)、布局應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1236-2000^[2]，測試儀表的誤差、精度等也要符合規(guī)定，試驗結(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]。

自由流場流速是均勻的，即葉片各個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，沒有輪轂支架和電機(jī)系統(tǒng)，其阻力沒有計算，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)洞的試驗與風(fēng)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(shù)、紊流度，以及模型和測量儀表的精度級別等，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，風(fēng)筒風(fēng)機(jī)試驗受間隙影響，有葉尖繞流現(xiàn)象，風(fēng)洞則沒有，這些差異使兩者的數(shù)據(jù)不盡相同。用風(fēng)洞試驗的翼型數(shù)據(jù)，設(shè)計風(fēng)機(jī)葉片，再與風(fēng)筒試驗結(jié)果進(jìn)行比較，有“水土不服”之嫌。用風(fēng)筒試驗的翼型數(shù)據(jù)與風(fēng)筒試驗的風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行比較，則有“本鄉(xiāng)本土”的優(yōu)勢。盡管風(fēng)機(jī)翼型的精度較低，不能滿足航空部門的要求，但是，它具有“風(fēng)筒級”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，開創(chuàng)了風(fēng)筒試驗研究的新道路：可以根據(jù)風(fēng)機(jī)的特點，研究、設(shè)計新翼型；可以對已有的優(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、研究提供一個廣闊的翼型數(shù)據(jù)庫，它將會加速風(fēng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

4.2  風(fēng)機(jī)設(shè)計

如圖5所示，有了翼型數(shù)據(jù)，可以設(shè)計出各種風(fēng)機(jī)葉片，經(jīng)過虛擬風(fēng)筒，可算出風(fēng)機(jī)性能，可以將“設(shè)計—制造模型—試驗—再改進(jìn)設(shè)計—再制造模型—再改進(jìn)試驗”的復(fù)雜過程，變?yōu)閱渭兊臄?shù)學(xué)迭代過程，將由很多不確定因素的過程，變?yōu)榇_切的設(shè)計方法。

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)計領(lǐng)域。通過翼型的不同組合，可以設(shè)計不同性能的風(fēng)機(jī)，方法簡單，設(shè)計計算迅速，結(jié)果可靠。

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

4.3  風(fēng)機(jī)試驗

將“翼型數(shù)據(jù)庫”試驗結(jié)果推廣到所有風(fēng)機(jī)上，用有限的試驗代替無窮多的試驗，虛擬風(fēng)筒可代替實體風(fēng)筒試驗。以拉擠工藝制造的無扭轉(zhuǎn)、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(shè)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(jī)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(fēng)筒可以簡單快速的求出風(fēng)機(jī)性能，顯示出極大地優(yōu)越性。

通過虛擬風(fēng)筒的實際研究，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)識實踐的深度上有了新的進(jìn)步，有了新的升華。理論認(rèn)識的提高，必然會帶來試驗工作的發(fā)展。隨著虛擬風(fēng)筒的不斷完善，其優(yōu)秀的穩(wěn)定性，必然會對試驗工作有一定指導(dǎo)作用。

圖6  切尖葉片翼型分布圖

5  研究結(jié)果的實例

圖7是拉擠葉片的實體風(fēng)筒和虛擬風(fēng)筒所得結(jié)果的比較情況，曲線是實體風(fēng)筒試驗值，圓點是虛擬風(fēng)筒計算結(jié)果，曲線和圓點都是通過計算機(jī)自動繪制的。可以看到兩者結(jié)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(fēng)筒的研究方法是可靠的。

研究中體會到，虛擬風(fēng)筒的精度主要取決于實體風(fēng)筒的精度，實體風(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(shè)計的新型風(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)，是通過翼型的改進(jìn)獲得的，通過多種優(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，有比較有鑒別才會有進(jìn)步，這就是虛擬風(fēng)筒的作用所在。