张楠桢,唐　豪

(南京航空航天大学 能源与动力学院，南京　210016)



叶片扭转角度对微型离心风机性能的影响

张楠桢,唐豪

(南京航空航天大学 能源与动力学院，南京210016)

利用CFD技术，研究了不同扭转角度下叶轮对风机整体气动性能的影响。研究发现：叶片扭转角度的变化对微型离心风机有明显影响，扭叶片能使压力面和吸力面的压力沿叶高呈C型分布，减小流动损失，安装扭叶片的风机整体效率高于安装直叶片的风机。在对不同方向角度扭转叶片的对比中，正角度的扭叶片可以得到负的压力梯度，叶片表面的边界层不再向叶片根部堆积，将叶片根部的附面层驱至主流区，避免了附面层的堆积和分离，降低了端部的损失，从而提高了风机整体的风压，把更多的机械能转化成压力能。

离心风机；扭叶片；CFD数值研究；气动性能；压力分布

随着计算机性能的不断提升，CPU等核心部件的散热问题成为制约电子设备性能发展的一个重要因素。离心式风机在电子设备的散热过程中起决定性作用。因此，提升离心式风机气动的性能成为目前研究微型电子设备散热问题的重点。由于微型轴流风扇的气动负荷较低，按传统的大、中型风机扭叶片方法进行设计，其气动性能改善效果并不明显，这大大制约了扭叶片技术在微型风扇上的应用。因此，市场上常见的微型风扇叶片造型往往是以“降噪”为目的，而“扭叶片”的设计实例尚不多见[1]。

“叶片径向扭曲”[2]是一种有效的改善风扇气动性的方法，这在众多高负荷的大、中型风机与压缩机设计实践中已被证实。微型轴流风扇是近年随着计算机等电子设备的兴起而得到广泛应用的，对其气动性能的研究刚刚起步。由于离心式叶轮风机的内部流动极其复杂，通常存在较强的逆压力梯度和黏性分离，并时常伴随回流和二次流等复杂的三维湍流[3]，在流体机械的研究中很难通过实验和理论手段对其内部流场进行深入研究。近年来，随着CFD技术的发展，数值模拟成了研究离心式叶轮风机的重要手段。数值模拟可以在相对经济的条件下对复杂的流动情况进行较好的捕捉和预测，目前已成为国内外对离心式叶轮机械研究的重要方法。

1　设计计算方法

假设微型风扇中气流是理想、不可压缩、沿圆柱面流动的,且进入叶轮时流动均匀、无旋流。在扭叶片设计中,对单级叶轮,其出口周向速度分量沿叶高的分布用式(1)来控制[4]:

(1)

式中，指数α为变环量指数,其取值范围一般为[-1,1]。

微型风扇出口流速的轴向分量与周向分量沿叶高的分布完全由变环量指数α确定,且两者相互对应:即一个C2u确定唯一的C2z,因此只要给定C2z沿叶高的分布规律，即可确定叶片出口安装角沿叶高的分布规律[5]。影响绝对速度分量和安装角的重要因素是变环量指数，而变环量指数的取值是根据直叶片扭转角度不同来确定。由于叶片的变环量指数并不是扭叶片中一个直观的变化参数，故本文致力于研究扭叶片角度的变化对风机气动性能的影响。

本文采用的直叶片是某型号风机上的叶片，叶片数量为90。根据扭转方向的不同规定了扭转角度的正负：与转速方向同向扭转为负角度，与转速方向逆向扭转为正角度，如图1、2所示。

图1　正角度扭转叶片

图2　负角度扭转叶片

2　数值计算过程

流场计算在商用CFD软件Numeca上完成。湍流模型选用标准的Baldwin-Lomax代数模型。为了加快收敛速度,计算中采用了“当地时间步长”、“隐式残差光顺”、“多重网格”等加速收敛技术[5]。

整个计算在具有周期性的单个叶道内进行,给出了叶顶间隙。网格采用H-I型,整个计算域网格总数在70万以上。在叶片近壁面、叶栅端壁、头尾缘等流动复杂区域对网格进行了局部加密以提高这些区域内解的分辨率，达到了网格法向量纲一尺寸y+=2。边界条件设定如下：

进口：给定初始总压与气流方向(轴向进气)。

出口：给定流量。

叶片表面与内、外端壁：采用无滑移边界条件。

叶栅前后延伸段的交接面：采用周期性条件。

收敛标准：整体残差下降至-4以上；进出口质量流量相差0.5%以上。

3　扭叶片气动性能的分析

3.1扭转角度对风机整体效率的影响

通过对不同扭转角度的扭叶片的数值计算，得到在相同初始压力和出口流量情况下扭转角度和风机进出口压比、整机效率以及输出功率之间的变化关系。

从图3中可以看到：不管朝哪个方向扭转，风机整体效率都有所提高，安装直叶片的风机整体效率在38%左右；采用扭转叶片之后，效率普遍在39%以上，最高可达40.3%左右，提高了2个百分点。在一定范围内，无论扭转角度的正负，扭叶片的效率都随着扭转角度的增加而增加。尽管在计算范围 (-15°～15°) 内，较大的扭转角度出现了效率下降的情况，但整体效率依然大于安装直叶片的风机。

从理论分析的角度来说，这是作用在叶片表面的气流在径向的分力不为0的结果。径向平衡方程[6]为

(2)

式(2)中，等式右边的第1项为离心项，在普通叶片中，其他3项相对于离心项阶次很低，因此决定了等式整体为正值，径向压力梯度大于0，此时沿叶片表面的边界层的径向二次流[7]总是从叶片的顶部流向叶片根部。沿吸力面的径向二次流与流道下壁面上的横向二次流汇合，使边界层加厚。在正压力梯度的作用下，边界层还有可能产生分离，所以，直叶片间的损失迅速增加。

根据等环量理论[8]，直叶片在扭转角度相同的情况下，负向扭转和正向扭转所产生的变环量指数基本是相同的，所以，正负两种角度的扭叶片对风机整体效率的提升也基本相等。采用扭叶片时，气流在叶片上的径向分力与离心项在同一量级，叶片在扭转一定的角度后，可以得到符号为负的径向分力，使等式整体变为负值，从而得到负的压力梯度项。在负压力梯度作用下，叶片表面的边界层不再向叶片根部堆积，而被吸入到流道中，和主流一起出叶道。因此，叶片扭转利用叶片力的径向分量使叶栅流道内静压重新分布,合适的扭转角能使根部压力梯度为负,将叶片根部的附面层驱至主流区,避免了附面层的堆积和分离,降低了端部的损失(见图4)。

从安装角的层面来说，对于确定的工况，叶片进出口的速度三角形是确定的，对于额定设计转速，离心风机一定存在一个最佳的安装角。但在实际运行中，必然会出现变工况的运行，在外界因素达不到额定转速的情况下，离心风机的运行效果就会受到影响。扭转叶片实际上起的效果是扩大了最佳安装角的范围，叶片沿叶高方向上的某个截面能获得较好的进气条件，使叶片在更多的情况下都能达到一个比较好的流动状态。

图3　扭转角度与风机整体效率关系曲线

图4　两种叶片表面等压力线

3.2扭转角度对风机压比效率的影响

从图5中可以看到：整个压比的曲线从左到右整体呈现增长趋势，风机整机的进出口压比随着扭转角度从负角度到正角度逐渐增大。安装直叶片的风机进出口压比约为1.013，风压约为1.317 kPa。安装负扭转角度叶片的风机所能提供的压升小于1.317 kPa，而安装正角度叶片的风机所能提供的压升大于1.317 kPa，最高可以到达1.823 kPa。与效率曲线不同的是，在提升出口压力方面，负扭转角度扭叶片不如直叶片，而正角度扭叶片依然比直叶片有更好的增压能力。同样，当正扭转角度大于某一数值时，压比也开始下降。

图5　扭转角度与风机压比关系曲线

对于正向扭转的叶片，叶栅流道内沿叶高方向呈现“C”型压力分布[9-10]，这种现象可以解释在流体扩压阶段有效地降低能量损失的原因。叶片经过扭转后，叶顶截面和叶根截面与下壁面产生不同的夹角，两处的压力梯度有所不同，通过安装角度的设置可以使叶顶处的压力梯度为正，叶根处的压力梯度为负，将流道中部的附面层吸入主流区域带走，达到降低两端损失的效果。只有在边界层分离情况比较严重的时候，正向扭转才会起到相反的效果。而对于反向扭转的叶片，叶栅流道内呈现反“C”型的压力分布，虽然低能流体也被吸入叶片中部的主流区，但这部分流体增大了流体分离微团的数量，加强了分离效果，离心风机整体的总压并没有增加。所以，从增压的角度来看，叶片正向扭转的效果要好于反向扭转。

在扭转角度对风压的影响中，根据速度三角形理论可知：

(3)

(4)

(5)

当叶轮几何尺寸、转速、流量一定时，扬程的大小仅取决于叶片出口安装角β。当采用直叶片时，叶片的安装角大于90°，为前弯式叶片。如图6所示，当叶片扭转角度为正角度时，叶片沿叶高方向的安装角逐渐增大。因为β>90°，cotβ为负值，β越大，cotβ就越小，扬程则越大，所以整体的风压就会上升。同理，当叶片扭转角度为负角度时，叶片沿叶高方向的安装角逐渐减小，扬程则会减小，所以，整体的风压随着扭转角度由负到正呈现增长趋势。但是并非出口安装角越大，叶片所能提供的扬程就越大，出口角β存在着最大值，使得流体从叶轮获得的能量达到最大。较大的扭转角度会使叶片冲角过大，流体流动方向不能沿叶片设计的方向射入，造成攻角过大，引起局部失速现象，使弯曲静叶的下游流场变坏，从而导致喘振裕度降低[11]，这也是为什么当扭转角度在15°时压比出现大幅下降的原因。

图6　出口安装角速度三角形

4　直叶片三维扭转与二维叶型优化的比较

由于微小型风机叶轮在加工工艺方面存在着诸多不便，所以在对叶轮叶型优化的过程中需要考虑优化的收益性。和三维叶片扭转设计相比，二维叶型由图7(a)优化为图7(b)所示，沿叶高方向依然采用直叶片，但叶型由原来较为简单的形状优化为翼型，使得流体在流动上更加合理。显然，叶片在二维截面进行优化在加工工艺上存在着优势，将二维叶型优化和三维扭转叶片进行比较，可以得知扭转叶片在风机性能上提升的效果更好。

图7　二维叶片优化前后叶型对比

图8分别描绘了二维叶型优化和三维叶型优化的工况曲线。图8(a)为2种优化方法的流量-效率曲线。从工况曲线中可以看到：在低流量下，二维优化的效率高于三维优化，但是低流量意味着散热量较小，温差不大，散热离心风机并不在其设计工况范围内工作，在实际应用过程中发生的情况比较少。而当流量达到0.008 kg/s时，散热离心风机在设计工况下工作，三维扭转叶片的效率随流量的增加逐渐高于二维优化的叶片，两者都在0.025 kg/s附近时达到效率峰值，之后开始下降。流量在0.014～0.026 kg/s时，风机整体效率在效率峰值的85%以上，称为经济工况区。在经济工况区内，三维扭转叶片的效率明显高于二维优化叶片。

叶片的二维形状决定了其沿叶片表面边界层的径向二次流总是从叶片的顶部流向叶片根部。沿吸力面的径向二次流与流道下壁面上的横向二次流汇合，在叶根处形成堆积，使边界层加厚，所以叶片截面沿叶高方向越靠近叶根，尾缘处的静压越大，速度越小，引起流动不畅，速度在叶根处损失增多。叶片扭转能使叶片沿叶高形成“C”型压力分布，有效避免分离现象发生。在风机内部，与二维流线型叶片设计相比，三维扭转叶片减少分离对流动的影响更为突出。

图8　2种优化的工况曲线

二维优化的叶型是在原型风机叶型的基础上，针对叶片前缘和尾缘进气效果差的缺点进行优化。在叶片尾缘处的圆弧半径缩小之后，原本在尾缘处存在的类似圆柱绕流的现象消失了，流动分离情况大大改善。由于叶片的形状从原型风机的等厚双圆弧叶片变为不等厚双圆弧叶片，使得叶片两侧吸力面和压力面几何曲线的曲率不相等，流体在叶道内流动宽度出现先减小后增大的过程，相当于渐缩渐扩管的流动状况，因此，在叶道中部出现了静压减小的区域。减缩渐扩流道的形成，有利于流体加速增压过程的实现，增强了叶轮的旋转吸力，使离心风机整体的流量得到提升。但是，由于叶片整体的形状及其他几何因素没有改变，这种叶片依然存在一些不合理的情况。在叶片流道内，吸力面一侧受到气流的冲击，附近气流速度损失大，静压较低；而压力面一侧的流体相对速度较快，静压较高，因此，在流道内形成了明显的压力分界线，叶片受到的冲击损失比较大，对叶片的效率产生不利影响。

在图8(b)中，三维优化叶片的流量-压比工况曲线的收益效果更加明显。从图中可以看出：压比随流量的增大而减小，由于流体黏性的影响，摩擦和涡流损失随流量的平方增加，故流量越大，压比越接近1，扬程就越来越小。在可计算的工况范围内，三维扭转叶片的扬程均高于二维优化的叶片。根据本文的分析，二维叶片的出口安装角沿叶高方向不变，整个叶片的扬程是确定的，而三维扭转叶片的出口安装角随叶高增加而增加，所以，三维叶片的扬程增量大于二维叶片。图8中三维扭转叶片的扬程曲线在二维优化叶片之上。

5　结论

1) 在微型离心风机中，叶片扭转改善了叶栅流道内的压力梯度，减少了低能流体在叶根处的堆积，扭叶片的扭转角度无论正负都能提高风机的整体效率，绝对值相同的正角度扭叶片和负角度扭叶片效率基本相同。

2) 在微型离心风机中，正角度扭叶片能使流体在叶栅流道内形成“C”型压力分布，降低边界层分离出现的概率，提高风机的出口压力；而负角度扭叶片形成的反“C”型压力分布使流体在叶栅两端的损失增大、负角度扭叶片的风压小于直叶片。从提高风压的角度来说，正角度扭叶片的效果好于负角度扭叶片。

3) 在微小型离心风机中，内部空间狭小使叶片扭转对流动有明显影响。叶型二维优化难以驱散聚集在叶根处的流体。叶片三维扭转的效率比二维叶型的优化效果更好，也能提高风机整体的压比。

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(责任编辑陈艳)

Research on Angle of Twisted Blade of to the Performance of Micro Centrifugal Fan

ZHANG Nan-zhen, TANG Hao

(College of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

This paper studied the effect of centrifugal impeller to dynamic performance under different twisted angle by using the CFD technology. Through the study it was found that the change of twisted angle of blade has significant effect on micro centrifugal fan, and the twisted blade urges the pressure and suction side along the blade height shown “C” type distribution, reducing the loss of flow. The efficiency of micro centrifugal fan with twisted blade is higher than the fan with straight one. Comparing the twisted angle of blade to different orientation, it has shown that the positive twisted angle can make the pressure gradient at the root of blade negative, driving the boundary layer of the blade at the root into the mainstream which avoids accumulation and separation of boundary layer, transforming more mechanical energy to pressure energy and enhancing the performance of micro centrifugal fan.

centrifugal blower；twisted blade；CFD numerical investigation；aerodynamic performance；pressure distribution

2016-02-22

张楠桢(1991—)，男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事风机散热、叶轮机械的流动数值研究，E-mail:jsnldznz@163.com。

format：ZHANG Nan-zhen, TANG Hao.Research on Angle of Twisted Blade of to the Performance of Micro Centrifugal Fan[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):49-54.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.008

TS737+1

A

1674-8425(2016)09-0049-06

引用格式：张楠桢,唐豪.叶片扭转角度对微型离心风机性能的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(9):49-54.