吴华春，吕翔亘，杨一帆

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)



基于CFD新型多层锯齿边缘扇叶优化

吴华春，吕翔亘，杨一帆

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

针对现有家用电风扇扇叶风电转化效率低、风速小和边缘紊流大的问题，在讨论现有多种扇叶结构的基础上，提出了一种新型多层锯齿边缘的扇叶结构，采用Inventor软件进行参数建模，通过正交实验法设计多组实验，基于CFD方法运用Gambit划分网格，采用Fluent进行三维流场数值仿真，获得每组扇叶模型的流量、速度和边缘紊流分布情况。通过多组对比优化实验，获得了一种新型多层锯齿边缘扇叶模型，并采用3D打印进行快速制造原型样机实验。实验结果表明，该风扇扇叶具有风电转化效率高、风速大而均匀、边缘紊流较少等优点。

CFD；多层锯齿扇叶；流场优化

电扇是用于清凉解暑和流通空气的家用电器，以其价格低、耗电少、使用灵活等优势，广泛用于家庭、办公室、商店、医院和宾馆等场所，加之现有空调容易造成“空调病”，不适合老人、小孩等体质较弱的人群使用，因而电扇仍是许多消费者的优先选择。中国年鉴统计数据表明[1]，电扇销售量仍然非常巨大，每年约为350万台，如图1所示。然而，现有风扇扇叶风电转化效率相对较低、风速小且边缘紊流大，导致能源浪费。

图1 电风扇年销售量数据统计

随着计算机技术的不断发展，应用计算流体力学(CFD)技术对扇叶进行内部流场分析和数值模拟[2-5]，已逐渐成为一种重要的手段。只需要改变模型几何参数，便可在较短时间内实现多次实验，获得较优扇叶模型。文献[6]采用CFD方法，选择Fluent对发动机冷却风扇进行了流体仿真分析和气动噪声计算，仿真结果与实验结果基本吻合。文献[7]采用CFD方法对某汽油发动机冷却水套进行了模拟计算，并根据计算结果对缸垫水孔进行优化以调整水套内的水流分布，获得了更好的扇叶效果。王芳群等设计了一款无源磁悬浮气泵，对直叶片和流线形型片进行了CFD仿真，取得了优化效果[8]。综上所述，利用CFD方法，不仅能保证产品质量，而且可缩短设计周期和降低成本。

为此通过正交实验法对多个变量设计进行对比实验，采用CFD对各组模型进行流场分析和数值模拟，并对仿真结果进行综合比较，得到较优的扇叶模型。

1 研究方法

1.1 多层仿生锯齿扇叶模型

为了有效降低扇叶外边缘风速差产生的紊流损失，使风速差均匀产生在每一个台阶扇叶的边缘，合理避开震区，提高扇叶空气动力性能，使扇叶在相同转速时具有更均匀风速、更大流量和更高静压，该设计扇叶使用多层锯齿结构，如图2～图4所示。

该模型为一种多层仿生锯齿扇叶结构，轮毂上呈环状排布有5个扇叶单元，每个扇叶单元均由3个相互叠置且长度依次递增的扇叶片组成，扇叶单元中相邻的两层扇叶片之间留有间隙h，相邻扇叶层之间有个半径差，扇叶片远离轮毂端面设置有仿生锯齿结构1(见图4)。

图2 3D打印三维模型

图3 外形尺寸示意图

图4 简化分析模型

为了减少仿真分析时的工作量，在对仿真分析结果影响不大的情况下，将风扇轮毂上的孔洞简化为实体，并对一些特别细小的曲面进行简化，简化后的三维模型如图4所示。应用三维建模软件Inventor建立多个实验模型，其中扇叶的最大直径选为400 mm，中心轮毂直径为100 mm。

1.2 Gambit前期网格划分及边界条件设定

将扇叶简化三维模型在Inventor中以STEP格式导入Gambit中进行前处理，将风扇流体仿真模型分为旋转流体区、通道区、入风口区及出风口区4个部分，入风口区直径设为1 000 mm、长度为6 000 mm，出风口区直径设为1 000 mm、长度为2 000 mm。为了与实际电扇防护罩到风扇外缘的间隙情况尽量一致，在建立旋转流体区域时，旋转流体区的间隙为10 mm。考虑到风扇模型的复杂性和4个区域的体积大小，在划分网格中，旋转流体区域网格尺寸最小为1，通道区网格稍大为2，出入风口区网格最大为5，在梯度变化较大处，如扇叶边缘对网格进行加密，从而保证计算的精度。网格划分区域尺寸如图5所示。

图5 网格划分区域尺寸图

在入风口区空气的压强为大气压，流动方向由入风口区沿Z轴流向出风口区。将入风口端面设定为压力入口条件，出风口区出口端面设为压力出口条件(没有附加压力作用，相对气压为0)，其他的壁面设定为墙，其中扇叶设为移动壁面，旋转流体区设置为流体，然后导出网格。

1.3 Fluent工况加载及流程数值模拟

假定空气为不可压缩气体，忽略重力影响，流动中没有热量交换。将网格导入Fluent软件，选用k-Epsilon湍流模型并结合动量守恒方程和连续性方程对模型进行流场分析，当计算结果收敛时体积流量趋于一个稳定值，此时停止迭代计算，最后在Fluent-report菜单中查看检测面的体积流量，并与实验结果进行对比分析。

2 结果与讨论

2.1 普通扇叶与锯齿扇叶的对比

为了验证在扇叶边缘增加锯齿是否可以有效减少紊流、增加风速，通过反求法建立了普通扇叶模型和锯齿扇叶模型，如图6和图7所示。并在不同转速下进行流体仿真和数值模拟，记录每组数据的流量和最大风速，其中在转速为1 300 r/min时求解结果如图8和图9所示。对比图8和图9可以看出普通扇叶由于边缘紊流较严重导致风力集中、风速相对较小，而锯齿扇叶云图过渡平稳、风速较为均匀、边缘紊流较弱、能量损耗小，进而使得风力柔和且风速相对均匀。

图6 普通扇叶模型

图7 锯齿扇叶模型

图8 普通扇叶云图

图9 锯齿扇叶云图

2.2 多层扇叶对比

由于距离轮毂越近，扇叶的线速度越小，意味着中间部分风速相对较小。为了增加中间部分风速，使整个出风口端面风速分布相对均匀，设计多层扇叶。为了不过于增加扇叶的整体质量和转动惯量，上一层扇叶比下一层缩进一定的距离，对比实验中缩进值取40 mm(上一层扇叶半径比下一层扇叶半径小40 mm)。在5种转速下计算每组体积流量和最大风速，并根据速度矢量图分析风速均匀情况，其中在转速为700 r/min时统计结果如图10所示，可以看出三层扇叶的体积流量和最大风速比单层、双层扇叶的都高，且风速分布较为均匀。考虑到现有扇叶罩结构限制和层数过于增加会使电机负载过大，该设计取三层扇叶为较优扇叶模型。图10中的距离表示测点距离轴中心的垂直距离，测点距离扇叶端面20 cm。

图10 700 r/min时风速分布对比图

2.3 正交实验对比

正交实验法是研究多因素多水平的一种设计方法，其根据正交性“均匀分散，齐整可比”的特点从全面实验中挑选出部分有代表性的点进行实验，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。笔者设计实验思路是：在验证三层扇叶和边缘锯齿效果较好的基础上，对扇叶的层间距、层缩进(为了方便分组，将相邻层扇叶的半径差统称为层缩进)和转速3个因素设计五水平的等水平正交实验，如表1所示。效应曲线图如图11所示。将每组模型导入Fluent中进行流场分析和数值模拟，得到的等水平正交实验数据统计表如表2所示。

表1 参数设计正交表

图11 效应曲线图

表2 等水平正交实验数据统计表

由图11可以发现：扇叶的层间距在12 mm、层缩进量在40 mm时综合性能最好。为了验证仿真结果的真实性，通过3D打印制作了1∶1的实物模型，并在电扇上做了多组和普通扇叶的对比实验，其中在3个挡位同转速时得出的统计结果如图12～图14所示。

通过图12～图14可以发现：风速先随着与中心轴距离的增加而增加，随后减少且两边关于中心对称呈M型；普通扇叶的最大风速与最小风速之差大于三层锯齿边缘扇叶，也就是说多层锯齿扇叶风速分布比普通扇叶的均匀，且转速在同挡位下风速普遍高于普通扇叶，实验效果与仿真结果吻合度较好，因此三层锯齿扇叶风速较大且较为均匀，综合性能均优于普通扇叶。

图12 一挡风速分布对比图

图13 二挡风速分布对比图

图14 三挡风速分布对比图

由于三层锯齿扇叶的质量要大于普通扇叶，同转速条件下三层锯齿扇叶的功耗必然大于普通扇叶。为了进一步科学地验证三层锯齿扇叶具有较好的风电转化效率和降低噪音的优化效果，在武汉产品质量监督检验所进行了三层锯齿扇叶与普通扇叶的风速及风量对比检测。

检验报告显示，三层锯齿扇叶相较于普通单层扇叶，能效值(总风量/输入功率)由1.01提高到了1.28，风扇功耗同比减少约26.7%，能耗等级由三级提高到一级(根据GB12021.9-200X交流电风扇能效等级及功耗限定值)；相较于普通单层扇叶，三层锯齿扇叶使风扇工作噪音由60.6 dB降低至57.3 dB，降低了3.3 dB(根据GB19606-2004，Φ400扇叶噪声限值为67 dB)。

2.4 实验结果综合分析

扇叶增加锯齿边缘可以有效减少紊流,对风速有一定的提高作用，而多层扇叶可以在提高风速的同时让风速更均匀，考虑到扇叶罩尺寸的限制和电机的负载情况，采用了三层扇叶。通过正交实验法综合对比发现：三层锯齿扇叶在层间距为10 mm、层缩进为40 mm时，风速最大、风速分布最均匀、边缘紊流最弱、噪音低、能效值较高，综合效果最好。武汉产品质量监督检验所的检测结果验证了三层锯齿风扇的良好性能。

3 结论

笔者利用CFD并通过正交实验法对不同参数的扇叶模型进行流场分析和数值模拟，结合实际扇叶的结构、质量等因素，优化了现有扇叶的结构，实现了在风速大而均匀的同时又减少边缘紊流的效果，提高了扇叶的能效值。

CFD模拟具有较强的仿真性，能够在产品开发之初进行多次高效的仿真模拟并找出设计的缺陷，避免了后期设计变更的风险，大大缩短了产品设计的周期，降低了产品开发的费用。通过该方法，可以对同一类型的叶轮机械进行优化分析，在提高优化效率的同时节省人力物力，具有一定的现实意义。

[1] 徐一帆.中国贸易外经统计年鉴:2013[M].北京：中国统计出版社,2013：4-5.

[2] 王福军.计算机流体力学分析[M].北京：清华大学出版社, 2004：32-65.

[3] 袁智,汪海阁,张晶,等.基于CFD的微型旋钮器流场数值模拟研究[J].中国机械工程,2010,21(24)：2910-2913.

[4] 王银姣,卢剑伟,江斌,等.利用CFD技术研究叶片斜度对贯流风机性能的影响[J].合肥工业大学学报,2012,35(7)：882-887.

[5] 沙毅,宋德玉,段福斌,等.轴流泵变转速性能试验及内部流场数值模拟计算[J].机械工程学报,2012,48(6)：187-191.

[6] 张代胜,李浩,蔡少波.基于CFD的发动机冷却风扇仿真优化研究[J].合肥工业大学学报,2013，36(9)：1029-1033.

[7] 姚炜.CFD模拟在发动机水套设计中的应用[J].合肥工业大学学报,2009，32(1)：86-88.

[8] 王芳群,封志刚,钱坤喜,等.无源磁浮叶轮血泵的溶血实验及其指标的测定[J].江苏大学学报(自然科学版),2002,23(2)：63-65.

WU Huachun:Prof.; School of Mechanical and Electronic Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[编辑：王志全]

Optimization of Multilayer Serrated Edges Based on CFD

WUHuachun,LVXianggen,YANGYifan

The domestic electric fans have some problems, which are the low conversion efficiency from wind to electricity of the blades, the small and concentrated wind speed, and the big edge turbulence. Computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed to discuss the existing varieties of fan blade structures and provide a fan blade structure with multilayer jagged edges. Software Inventor was employed to construct the parameters model. Gambit was used to divide grids based on CEF method and Fluent was applied to 3D flow field simulation in the orthogonal experiments. The distribution of flow, speed and edge turbulence of each fan blade was then obtained. A new multilayer jagged fan blade model was achieved through several comparison experiments. And a physical model printing by 3D technology was obtained for testing. The experimental results show that wind power of this fan has the advantages of high conversion efficiency, high and uniform speed, and less edge turbulence.

CFD; multilayer saw tooth fan blades; flow field optimization

2015-05-25.

吴华春(1976-),男,江苏南京人,武汉理工大学机电工程学院教授.

国家自然科学基金资助项目(51275371).

2095-3852(2015)06-0706-04

A

TH122

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.010