虚拟风筒—通风机叶片/翼型研究新方法

摘要：通过计算机技术将风筒试验和理论计算紧密结合，演绎出研究风机翼型的新方法，

虚拟风筒法。用虚拟风筒求得风机翼型空气动力数据，得出所需要的风机性能，并可以快速、准确地设计叶片的气动外形。它具有多种功能，它为风机设计、创新、研究提供了新方法。

关键词：轴流式通风机；风筒；叶片；翼型；数值模拟

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

近年来计算机高速发展，很多计算的难题都得到了相应的解决，但是空气动力学的粘性流问题仍没得到妥善解决，每遇到气流分离时，翼型的升力和阻力都难以计算，只能求助于风洞试验，尽管有很多翼型设计理论，但是翼型的空气动力特性，最后总是要通过风洞试验获得。

翼型特性是轴流通风机的设计基础，没有翼型的空气动力数据就无法设计风机，因此翼型的研究发展直接关系到风机性能及其发展。

本文研究风机翼型的新方法——虚拟风筒法，是放弃传统方法的一次创新。

1  虚拟风筒的基本概念

图1给出了实际风机模型进行试验的情况。对于已知风机来说，需要制造风机模型，然后进行风筒试验，得出风机性能数据。

图2给出的是对风机进行理论计算的流程情况。在这个过程中，必须知道风机叶片的几何形状，叶片翼型的空气动力性能数据，然后通过理论计算，最后得出风机性能的一系列性能参数。这个过程与风筒试验相似，虽然没有进行风筒试验，也能得出风机性能数据，好像一个虚拟的风筒。

图3对两个过程做出了抽象对比，将其分成输入、转换、输出3个步骤。两个图的输入和转换装置有所不同，前者是实体风机进行实际的风筒试验，是一个真实的物理过程；后者是数字风机进行的理论运算，是一个数学过程。只要各步处理得当，两者的输出就会是相同的，那时，数学的结果就可以代替实体试验。

传统的理论研究方法是从风洞中获得翼型的空气动力数据，然后进行风机性能的计算，是一个正向的思考过程。通常认为风洞所得翼型空气动力数据，理所当然地就是风机的真实数据，所以试验所得结果也应当与试验结果一致，实际上这一过程并未得到证实。

采用反向思维，如果两者输出性能一致，风机的输入也应当相同。换句话说，当风机输出性能相同时，就可以得到翼型的气动力数据，这个过程是有“输出性能一致”作保证的。

从数学的角度看，不断地修改输入数据，可以不断地改变输出性能，反复迭代可以使风机性能与试验性能相同，此时的翼型数据，就是所要的翼型的空气动力特性数据。这就是建立虚拟风筒的核心思想。

2  虚拟风筒的预备运行步骤

图4虚线框内的流程是虚拟风筒的预备运行步骤，它需要实物风筒的支持，它是试验与理论结合的产物，是用计算机程序完成的^[1]。    

进入虚线图框后，首先进行的是模型设计，根据“风机翼型、叶片参数”，设计“标准风机模型”，所谓标准风机模型，是一个矩形、无扭角的柱形叶片，其目的是便于制造，减少迭代误差,减少迭代难度，以便较好趋近目标。然后通过“实体风筒”试验得出“风机性能”，这个“风机性能”数据是建立虚拟风筒的基础，是与“虚拟风筒”得出的“风机性能”进行“分析、对比”的依据。    

与此同时，“风机翼型、叶片参数”给出翼型“气动数据”和“叶片参数”，将其输入到计算机内，通过理论计算，得出“风机性能”，最后与“实体风筒”进入“对比、分析”。

在性能“对比、分析”阶段，是通过计算机绘图显示差别，实线是实体风筒的曲线，虚拟风筒的计算结果用圆点绘制在同一曲线上^[1]。人工对两个结果进行“对比、分析”，找到修改原始气动力数据的方向，提供“反馈修改信息”，修改“气动数据”，再进行理论计算。如此循环，不断修改迭代数据，不断进行“对比、分析”，直到“实体风筒”与“理论计算”的结果一致，即得到满意结果为止。

通过虚拟风筒预备运行步骤得到“翼型数据”。接下来的理论计算过程，定义为正式虚拟风筒运行，简称为虚拟风筒运行（运算），如图5所示情况。与预备运行相同，正式运行所得风机性能与试验结果也是一致的，这是预备运算打下的基础，这一点是其他设计方法无法比拟的，设计的精度是很高的，图7就是计算与试验结果的比较情况。

3  建立虚拟风筒的条件

从图4中可知，要想使实体风筒和虚拟风筒输出一致，其必要条件是两个风筒都必须是正确的。“实物风筒”要有一定的试验精度，“虚拟风筒”必须有正确的理论模型和计算步骤，只有这样才能在反复迭代中得到收敛的结果，才有较高的精度。

对于实物风筒其结构、布局应符合国家标准GB/T1236-2000^[2]，测试仪表的误差、精度等也要符合规定，试验结果的数据处理、精度应达到ISO/TR 5168:1998(E) 的要求^[3]。

理论计算必须改进和修正。

自由空间涡系可以诱导出轴线和环向速度，风筒中的风机受到筒壁的限制，不能产生轴向诱导速度，风筒内的风速是叶轮前后的压差形成的，风机涡系只产生环向诱导速度^[2]。

自由流场流速是均匀的，即叶片各个半径处的速度是一样的。在风筒中流速是成抛物线型分布的，在计算模型上必须进行相应的修正，以适应这些不同的情况^[4]。

涡系、叶素理论，没有轮毂支架和电机系统，其阻力没有计算，对风压的影响较大，这是必须修正的^[4]。

只有做好上面各项工作，才能使虚拟风筒趋近实体风筒，才有比较好的精度。

4  虚拟风筒的基本功能

4.1  翼型研究

传统的风机设计方法，是依靠风洞试验提供翼型的资料，不同的风洞将会提供不同的性能数据，造成各种翼型数据是不等权的。

风洞的试验与风筒试验有较大差别，不论是流场的均匀性、气流方向的一致性，还是流场的雷诺数、紊流度，以及模型和测量仪表的精度级别等，都不相同，风洞的情况远远好于风筒。风洞流过的是轴向直匀流，风筒内的风机接受的是旋转加轴向流动，风筒风机试验受间隙影响，有叶尖绕流现象，风洞则没有，这些差异使两者的数据不尽相同。用风洞试验的翼型数据，设计风机叶片，再与风筒试验结果进行比较，有“水土不服”之嫌。用风筒试验的翼型数据与风筒试验的风机性能进行比较，则有“本乡本土”的优势。尽管风机翼型的精度较低，不能满足航空部门的要求，但是，它具有“风筒级”的精度，用于风机研究是合适的。

不用风洞进行翼型试验，开创了风筒试验研究的新道路：可以根据风机的特点，研究、设计新翼型；可以对已有的优秀风机、优秀翼型进行消化吸收再创新，应用翼型数据便于分析，便于比较；可以进行翼型资料的累积，为风机设计、研究提供一个广阔的翼型数据库，它将会加速风机行业的发展。

4.2  风机设计

如图5所示，有了翼型数据，可以设计出各种风机叶片，经过虚拟风筒，可算出风机性能，可以将“设计—制造模型—试验—再改进设计—再制造模型—再改进试验”的复杂过程，变为单纯的数学迭代过程，将由很多不确定因素的过程，变为确切的设计方法。

丰富的风机翼型数据，将扩大风机翼型的选择范围，拓展风机设计领域。通过翼型的不同组合，可以设计不同性能的风机，方法简单，设计计算迅速，结果可靠。

量变带来质的变化，设计成为可靠准确的设计，从而能选出最优秀的风机。风筒试验只是做出最后的验证，风机叶片设计变成容易、快捷的工作，这也是风机设计工作的重大突破，为设计创新提供有力工具 。

4.3  风机试验

将“翼型数据库”试验结果推广到所有风机上，用有限的试验代替无穷多的试验，虚拟风筒可代替实体风筒试验。以拉挤工艺制造的无扭转、等弦长的叶片为例。拉挤叶片通过切尖获得扭角，使叶片更接近最佳设计状态，如图6所示。不同的直径，不同的切尖法，可以得出不同的风机叶片，无穷多的直径和切尖法，会有无穷多种的叶片，都要通过实体试验是不可能的，虚拟风筒可以简单快速的求出风机性能，显示出极大地优越性。

通过虚拟风筒的实际研究，得到了虚拟风筒的研究方法，从而在风机研究的道路上，在认识实践的深度上有了新的进步，有了新的升华。理论认识的提高，必然会带来试验工作的发展。随着虚拟风筒的不断完善，其优秀的稳定性，必然会对试验工作有一定指导作用。

图6  切尖叶片翼型分布图

5  研究结果的实例

图7是拉挤叶片的实体风筒和虚拟风筒所得结果的比较情况，曲线是实体风筒试验值，圆点是虚拟风筒计算结果，曲线和圆点都是通过计算机自动绘制的。可以看到两者结果比较一致，通过多次比较得出，两者误差一般不超过5%，可以说虚拟风筒的研究方法是可靠的。

研究中体会到，虚拟风筒的精度主要取决于实体风筒的精度，实体风筒试验精度越高，虚拟分风筒的精度也就越高。

图8是设计的新型风机与老风机性能的比较，曲线是目前广泛使用的低噪声风机的结果，圆点表示新风机性能。不难看出，在3种安装角情况下，两者的功率几乎相同，但新型风机的风压大于老风机，其性能优于老风机。在大安装角情况下，新风机的压力很大，随着流量的减少压力还在增加，显示出新型风机的余力很大，而老风机压力较小，随着流量的减少风压不再增大，已无余力。新型风机叶片的安装角还可以增大，而老风机的安装角不能再增大，否则将处于完全失速状态，显示新风机叶片有较大的压力裕度，较大的使用范围。

新型叶片的改进，是通过翼型的改进获得的，通过多种优秀翼型的分析、比较，发现老叶片翼型的不足，对正改进，收到事半功倍的效果。虚拟风筒提供了分析、比较的手段，从而能够有效地鉴别叶片、翼型的好坏，有比较有鉴别才会有进步，这就是虚拟风筒的作用所在。