后倾直叶片离心风机的性能分析

来源：深度智能量化

1.  离心风机（centrifugal fan）的最大可达效率

从离心风机的最大可达效率上，我们有如下结果：翼型叶片（airfoil blade）风机的最大可达效率约92%，但是翼型曲面的加工和制作非常复杂，尤其是考虑动平衡的要求，需要严格地控制叶片的形位公差，因此费用也最高。后倾弧形叶片（backward-curve blade）风机的最大可达效率约85%，弧形叶片的几何相对简单，制造费用中等。后倾直叶片（backward-inclined blade）风机的最大可达效率约78%，但突出的优点是制造成本远低于前两者，价格非常便宜，最常见的是重力铸造铝材风扇，广泛地应用于矿山机械、工程车辆、发电机、发动机组等。

2. 后倾直叶片离心风机的性能分析

如下图所示，外径800mm离心风机顺指针旋转，转速1800rpm。从径向速度矢量图（radial velocity plot）中可以看出大量的空气自叶前表面区域排出旋转区域，但叶后的低压却将外部区域的部分气流倒吸回来，对风机的风量及效率产生非常不利的影响。虽然理论分析的逻辑是通过压力或压差来评估风量或风速的大小，但事实上空气的压力是由微观的粒子的定向运动及相互碰撞产生的。对于风扇的分析，可理解为叶片瞬时扫过的区域空气粒子极度稀薄，区域外侧稠密的空气粒子受到了不平衡的碰撞，被迫向极度稀薄区域流动，表观上形成了压力梯度。

其实，这也是后倾直叶片效率不及后倾弧形叶片和翼型叶片的根本原因。

另外，在设计离心风机的机壳（housing）时，我们还需要考虑机壳与叶片的耦合关系。如下图所示，当考虑借用机壳结构抑制局部涡流（eddy flow）或反向气流，并同时兼顾对出流的影响时，可设置图中给出的简易导流结构。

3. 离心风机模拟方法的选择

Fluent  multiple reference frame model 可以获得某一瞬态下流场结果，也就是叶片与机壳在某一确定相位角度下的结果。如果机壳与叶片存在较强的耦合关系，则需要选择滑移网格（sliding meshes）或动网格（dynamic meshes）进行模拟，同事需要大量计算资源和时间。