0. 引言：

轴流风机是地铁车站和隧道区间内通风的主要设备，如何改善轴流风机的性能，研制节能高效的地铁专用风机倍受人们的关注。地铁轴流风机的设计很大程度上要依赖试验，设计成本相对较高。如果用数值模拟的方法对地铁轴流风机的流场进行模拟，可以代替部分实验，预测风机性能，降低设计成本。本文利用FLUENT软件，针对地铁专用轴流风机支架偏转角度对风机性能的影响进行了模拟，得出了正反转工况下风机支架偏转不同角度时，风机的风量、风压和效率之间的关系。

1. 主要步骤：

CFD解决问题的步骤主要分为以下三步：

1） 在前处理软件中建模；

2） 确定计算域和边界条件，导入计算软件，完成计算；

3） 在计算软件中进行后处理或导入后处理软件进行后处理，查看结果。

本文选取天津通风机厂生产的TVF轴流风机作为研究对象。该型号的风机是一种地铁专用可逆转轴流风机，叶轮直径1.8米，12片叶片，5个支架，标准转速985rpm。叶轮，几何模型的建立是在FLUENT的前处理软件GAMBIT中进行的。计算模拟部分采用的是FLUENT6.0 计算商用软件。

实体建模区域确定为：风机支架后气流入口到风帽前端气流出口之间气流流经的风道内侧。为了把模型与现实中的风机的差别降到最小，在建模过程中完全采用三维方法，并且从图纸出发，注重风机和风道结构的每一个细节，没有做任何简化，甚至在叶轮端风道的2mm突起也没有简化。这些都保证了以后数值计算结果的可靠性。实际生成的网格共约25万网格，经GAMBIT检验，生成网格的倾斜度大多介于0.2到0.4之间，基本符合计算要求。生成的风机模型和表面网格分布如图1所示。

在完成风机的通常性能的模拟之后，改变支架旋转角度并对风机流场进行模拟计算，绘制出模拟图，从而预测出支架角度对风机性能的影响。

2. 支架对轴流风机流场及效率的影响：

由于支架尺寸远大于相邻的风机叶片，导致流场中存在很大的周向非均匀性，从而会对风扇的振动、噪声和气动性能带来较大的影响。。

在之前对风机性能的模拟中可以看出当风机正转时，气流在入口侧沿着轴向流过风机支架，由于气流方向与支架形状保持平行，使得气流对支架的冲击很小。当风机反转时，支架处于风机的出口侧。气流流过叶片时，气流方向会发生偏转，风量越小，偏转的角度越大。这时，气流方向与支架形状会形成一个交角，造成气流对支架的冲击。这个冲击作用会使得风机反转时的效率有所下降。在上面的计算中，风机正反转的效率要相差大约为4％。图2所示为在风机反转时的流场情况，很明显可以看出由于气流脱离扇叶的方向与支架方向并不平行，因此在支架背侧有明显涡流区。虽然当风机正转时这个涡流区不明显，但也是存在的，支架离扇叶越近这个阻碍就越明显。因此支架的角度是风机振动、噪声的重要来源。

图1 风机模型及表面网格分布图

图2 未偏转支架反转时的流场

因此，如果在风机反转工况时，支架自身也旋转一个角度，如图3所示，使得支架和气流的交角减小，应该会减少对支架的冲击，从而提高风机效率。当风机支架偏转一个角度后，如图4和图5所示，支架与风机内流场的平行度交好，可以尽量减小支架对流场的影响。

图3 支架旋转示意图

图4，偏转支架后正转时的流场 　　图5，偏转支架后反转时的流场

针对这个假设，将支架旋转了4个角度，并对应于每个角度分别建模计算，以得出在不同风量下支架旋转角度对气流场作用的规律。

在FLUENT中有一种专门用于计算流体机械的模型——Turbo模型，可以方便的对流体机械流场的全压，效率，轴功率等参数进行计算。为了充分利用这种模型，同时简化计算，我们需要对原有风机模型进行必要的改造。原有风机有5片支撑用支架，在现在的模型中增加为6片，这样12片风机叶片和6片支撑就形成了2:1的对应关系。在这种情况下，我们可以通过引入周期性边界条件（Periodic）来简化模型，只对风机流场的1/6进行模拟，大大减少了网格数，提高了计算效率。

在计算中，设计了5个模型分别计算，每个模型对应的支架旋转角度分别是：初始模型A（支架未旋转），模型B（支架旋转5度），模型C（支架旋转10度），模型D（支架旋转16度），模型E（支架旋转20度）。针对每一个模型，我在正反转工况下各选取了7个点（每个点对应与一个风量，分别为40m³/s，45m³/s，50m³/s，55m³/s，60m³/s，65m³/s，60m³/s），共计14个点进行模拟。风机转速选定为985rpm，采用的网格种类和其他相关参数的设定与先前进行的计算相同。

3. 模拟结果

3.1 支架未旋转工况(初始模型A)：

支架未旋转工况下反转效率比和正转效率相差较大，主要是由于建模时多引入一个支架的原因，与风机自身无关。

3.2 支架旋转5度(模型B)：

支架旋转5度的情况下，风机正转时，由于支架旋转了一个角度，气流方向不再与支架保持平行，造成了气流对支架的冲击，从而使得风机正转工况下的效率较模型A有所下降。风机反转时，支架的旋转使得气流方向与支架的交角变小，减少了支架对气流的阻碍作用，风机效率因此有所提高。

3.3 支架旋转10度(模型C)：

与支架旋转5度的模型类似，在正转工况下风机的效率损失随着风量的提高而增加。但由于支架旋转角度的加大，支架对气流的阻碍作用更加明显，效率损失增加的幅度也要更大一些。在反转工况下，除70m³/s的风量外，各个风量下效率都有了一定程度的提高。

3.4 支架旋转16度(模型D)：

从下面整理过的数据和图表我们可以看到，支架旋转16度后风机在大风量运转时，反转效率提高的比较多，但由于此时正转效率损失很大，所以不适合风机的大风量运转。

3.5 支架旋转20度(模型E)：

当支架旋转20度后，对正转工况下的叶轮入口气流产生了较大的影响（见图5－36），风机在7个风量下正转运转时，效率也都有了明显的下降，说明已不适合风机的正转运行。从风机反转时，在65m³/s和70m³/s风量下，风机效率较模型D下降。与初始模型相比， 55m³/s和60m³/s风量下效率提高的最多。

3.6 整理后的不同风量、支架旋转不同角度正反转效率及效率变化规律

表1为不同风量、支架旋转不同角度正反转效率及效率变化

图6 风机正转工况 　　图7 风机反转工况

图6和图7分别为风机正转和反转时的支架转角和风量效率的关系，从图中可以看出在转角为5度和10度的时候正转效率下降较小，在反转工况下转角由0度变为5度时效率有明显提高。

4.结论：

通过将风机支架旋转不同的角度后做分析和比较，可以总结出以下规律：

⑴ 正转工况：

支架旋转角度较小时，总体来说支架对气流的阻碍不大，风机效率损失不明显。当支架旋转角度增大到一定程度，在高风量工况下风机效率首先会出现一个显著的下降，并且随着支架旋转角度的增大，这个能引起效率显著下降的风量点向低风量工况方向移动。

⑵ 反转工况：

支架未旋转时，由于气流在经过叶轮后要偏转一个角度，与处在叶轮出口处的支架形成一个夹角，对支架产生一定的冲击，造成效率的下降。当支架顺气流方向旋转后，由于气流与支架夹角的减小，使得支架对气流的影响减弱，风机效率提高。气流方向与支架形状平行的程度越高，效率提高越明显。由于高风量工况下气流流经叶轮后偏转角度较小，因此较小的支架旋转角度对高风量工况下效率的提高作用比较明显。随着支架旋转角度的增大，小风量工况下效率也会有比较明显的提高，而高风量工况下效率提高的幅度会慢慢下降。当支架旋转角度增大到一定程度，高风量工况下效率会有下降的趋势。

通过以上的分析，我们看到，当支架旋转后，会导致正转效率降低，反转效率提高。当支架旋转角度较小时，正转效率损失不大而反转效率会有明显的提高。而且由于我们在简化模型的过程中多引入了一个支架，因此在实际的具有5个支架的模型中，正转效率损失较上述计算还要更小一些。随着支架旋转角度的增大，在小风量工况下反转效率提高的很快，而大风量工况下反转效率则提高幅度不大，甚至会下降。因此大的旋转角度对反转工况下的小风量有利。但过大的叶片旋转角度使正转效率明显下降，对风机性能产生不利的影响。同时考虑到设计风机时采用的标准风量都是风机自身所对应的较大风量，在运行中大多是自身所对应的大风量运转。因此，支架旋转的角度应控制在较小的范围内。

参考文献

1. 田铖．地铁用轴流风机的CFD模拟及研究：[硕十学位论文]．天津：天津大学，2004．

2. 姚征,陈康民. CFD通用软件综述, 上海理工大学学报.2002,24(2): 137-144

3. 何有世，袁寿其，陈池，CFD进展及其在离心泵叶轮内流计算中的应用，水泵技术.2002(3). 23-26,19

作者简介:

金明，男，1979年7月生，在读硕士研究生，地址：天津大学环境学院 0327信箱,邮编：300072

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