離心式通風機作為流體機械的一種重要類型，廣泛應用於國民經濟各個（gè）部門, 是主要的耗能機械之（zhī）一，也是節能減排的（de）一個重要研（yán）究領域。研（yán）究過程表明：提高離心通風機葉輪設計水平（píng）,是提高離（lí）心通風機效（xiào）率、擴大其工況範圍的關鍵。本文將從離心通風機葉輪的設（shè）計和利用邊界（jiè）層控製技術提高離心通風機葉輪性能這兩（liǎng）個方麵，對近年來提（tí）出的提高（gāo）離心通風機性能的方法和途徑的研究進行歸納分析。
離（lí）心通風機葉輪的設計方法簡述
     如何設計高效、工藝簡單的離心通風機一直是科研人員（yuán）研究的主要問（wèn）題，設計高效葉輪葉（yè）片是解決這一問題的主要途徑。
     葉輪是風機的核心（xīn）氣動部件，葉輪內部流動的好（hǎo）壞直接決定（dìng）著整機的性（xìng）能和（hé）效率。因此國內外學者為了（le）了解葉（yè）輪內部（bù）的真實（shí）流動狀況，改進葉輪設計以提高（gāo）葉輪的性能和效率，作了大量的工作。
    為了設計（jì）出高效的離心葉輪, 科研工作者們從各種角度來研究氣體在葉輪內的流動規律, 尋求（qiú）最佳的葉輪設計方法。最早使用的是一元設（shè）計方法[1]，通過大量的（de）統計數（shù）據（jù）和一定的理論分析，獲得離心通風機各個關鍵截麵氣動和結構參數的選（xuǎn）擇規律（lǜ）。在一元方法使用的初期，可以簡單地通過對風機各個關鍵截麵的平均速度計算，確定離心葉輪和蝸殼的關鍵參數，而且一（yī）般葉片型（xíng）線（xiàn）采用簡單的單圓弧成型。這種（zhǒng）方法非常粗糙，設計的風（fēng）機性能需要（yào）設計人（rén）員有非常（cháng）豐富的經驗，有時可以獲得性能不錯的風機，但是，大部分（fèn）情況（kuàng）下，設計的通風機效率低下。為了改進，研究人員對（duì）葉輪輪蓋的子午麵型線采用過流（liú）斷麵的概念（niàn）進行（háng）設計[2-3] ，如此設（shè）計出來的離心葉輪的輪蓋為兩段或多段圓弧，這種方法設計的葉輪雖然比前一種一元設計（jì）方法效率略有提高，但是（shì）該方（fāng）法設計的風機輪蓋加工（gōng）難度大，成本高，很難用於大型風機和非標風機的生產。另外一個重要方麵就是改進（jìn）葉片（piàn）設（shè）計，對於二元葉片（piàn）的改進方法主要為采用等減速方法和等擴張度方法等[4]，還有采（cǎi）用給定葉（yè）輪內相對速度W沿平（píng）均流線m分（fèn）布（bù）[5]的方法（fǎ）。等減速方法從損失的角度考慮，氣流相（xiàng）對速度在葉輪（lún）流道內的（de）流動過程中以同一速率均（jun1）勻變化，能減少流動損失，進而提高葉（yè）輪效率；等（děng）擴張度方法是為了避免局部
地區（qū）過大（dà）的擴張（zhāng）角而提出的（de）方法。給定的葉輪內相對速度W沿平均流線m的（de）分（fèn）布是通過控製相（xiàng）對平均流速沿流線m的變化規律，通過簡單幾何關係，就可以得（dé）到葉片（piàn）型線沿半徑的分布。以（yǐ）上方法雖然簡單，但也需要比（bǐ）較複雜的（de）數值計算。
   隨著數值計算以及電子計算機的高速發展，可以（yǐ）采（cǎi）用（yòng）更加複（fù）雜的方（fāng）法設計離心（xīn）通風機葉片（piàn）。苗水淼等運用“全可控渦”概念[6],建立了一種采用流線曲率法在葉輪（lún）流道的子午麵上進行葉（yè）輪設計的（de）設計方法,該方法目前已經推廣至工程界,並已經取得了顯著效果[7]。但是此方法中決定葉輪設（shè）計成功與否的關鍵,即如何給（gěi）出子午流麵上葉片渦的合理分布。這一方麵需要具有較豐富的（de）設計經驗；另一方麵也需要在設計過程中（zhōng）對設計結（jié）果不斷改進以符合葉片渦的分布規律（lǜ）,以期最終設計（jì）出高效率的葉輪（lún）機械。對於整（zhěng）個（gè）子（zǐ）午麵上可控渦的確（què）定，可以采用rCu沿輪盤、輪蓋（gài）的給定，可以通過線性插值的方法（fǎ）確定rCu在整（zhěng）個子午麵上的分（fèn）布[8-9]，也（yě）可以通過（guò）經驗公式確定可控渦的（de）分布[10]，也有利用給定葉（yè）片載荷法[11]設計離（lí）心通風機的葉片。以上方法都是采用流線曲（qǔ）率法（fǎ），設計出的是三元離心葉片，對於二元離心通風機（jī）葉片還不能直接應用。但數值計算顯示，離心通風機的二元葉片（piàn）內部流動（dòng）的結構是更複雜的三維流動。因此，如何利用三維（wéi）流場計算方法進一步來設計高效二元離心葉輪是提高離心通風機設計技術的關鍵。
   隨著（zhe）計算技術的不斷發（fā）展（zhǎn），三維粘性流場計算獲得了非常大的（de）進步，據此（cǐ），有一些研（yán）究者提出了近（jìn）似模型方法。該（gāi）方法是針對在工程中完全采用隨機類優化方法（fǎ）尋優時計算量過大（dà）的問題，應用統計學的（de）方法，提出的一種計算量（liàng）小、在一定（dìng）程度上（shàng）可以保證設計準確性的方法。在近似模型方法應用於葉輪機械氣（qì）動（dòng）優化設計方麵,國內外（wài）研究者們已經做了相當一部分工作[12-14] ,其中（zhōng）以響應麵和人工神經網絡方法應用居多。如何有效地將近似模型方法應用於（yú）多學科、多工況的優化問題,並用較少的設計（jì）參數覆蓋更大的實際設計空間,是一個（gè）重要的（de）課題。
   2007年（nián），席光等提出了（le）近似模型方法在葉輪機械（xiè）氣動優化（huà）設計中的應（yīng）用（yòng）[15]。近似模型的建立過程主要包括: （1）選擇試驗設計方法並（bìng）布置樣本點,在樣本點上產生（shēng）設計變（biàn）量和設計目標對應（yīng）的樣本數據；（2）選擇模型函數來表示上麵的樣（yàng）本數據（jù）；（3）選擇某種方法,用上麵的模（mó）型函數擬（nǐ）合樣本（běn）數據，建立近似模型。以上每一步選（xuǎn）擇不同的方法（fǎ）或者模型，就相應產生了各種不同的近（jìn）似（sì）模型方法。該方法不僅有利於更準確地洞察設計量和設計目標之（zhī）間的關係，而且用近似模型來取代計算費時的評估目標函數的計（jì）算分析程序，可以為工程優化設計（jì）提（tí）供快速的空間探測分析工具，降低了計算成本（běn）。在氣動優化設計過程中（zhōng），用該模型取（qǔ）代耗時的高精度的計算流體動力學分析 ,可以加（jiā）速設計過程 ,降低設計成本。基於統計學理論提出的近似模型方法，有效地（dì）平衡了基於計算流體動力學（xué）分析的葉輪機械氣動優化設計中計算成本和計算精度這一對矛盾。該近似模型方法在試驗設計方法基礎上，將響應（yīng）麵方法、Kriging方法和人工神經網絡技（jì）術成功地應用（yòng）於葉輪機（jī）械部件的（de）優化設計（jì）中，在離心壓縮機葉片擴壓器、葉輪和混流泵葉（yè）輪設（shè）計等（děng）問題中得到了成功應用（yòng）,展示了廣闊的工程應用前景。目前，席光課題（tí）組（zǔ）已經建立了（le）離心壓縮機部件及水泵葉輪的（de）優化設計係統，並在工程設計中發揮了重要（yào）作用。
   2008年，李（lǐ）景銀等在近似模型（xíng）方法的基（jī）礎上提出了控製離（lí）心葉（yè）輪流道的相對平均速度優化設計方法（fǎ）[16]，將近似模型方法較早的應用於離心（xīn）通風機葉（yè）輪設（shè）計。該方法通過給出流道內（nèi）氣流平均速度沿平均流線的設計分布，設計出一組離心風機參數，根據正交性準則（zé），在（zài）充分考（kǎo）慮影響葉輪效率因素的基（jī）礎上，采用正交優化方（fāng）法進行優化（huà）組合，並結（jié）合基於流體動力學分析軟件的數值模擬，最終成（chéng）功開發了與全國推廣產品9-19同樣設（shè）計參數和葉（yè）輪大小的離心通風機模型（xíng），計算全壓效率提高了4%以上。該方法簡單易行、合理可靠，得到了很高的設計開發效（xiào）率。
   隨著理論研究的不斷深入和設計方法（fǎ）的不斷提高，對於降（jiàng）低葉輪氣動損失、改善葉輪氣動性能（néng）的措（cuò）施，提高離心風機效率的研究，將會更好的應用於工（gōng）程實際中。
   改善離心通風機內葉（yè）輪流動的方法
   葉輪是離心風機的心髒（zāng），離心風機葉輪（lún）的內部流（liú）動是一個非（fēi）常複（fù）雜的逆壓過程，葉輪的高速旋轉和葉道複雜幾何形狀都使其內部（bù）流（liú）動（dòng）變成了非常複雜的三維湍流流（liú）動。由（yóu）於（yú）壓差，葉片通道內一般會存在葉片壓力麵向吸（xī）力麵的二次流（liú）動，同時由於（yú）氣流90°轉彎，導致輪盤壓力大於輪蓋壓力也（yě）形成了二次流，這（zhè）一般會導致葉輪的輪蓋和葉片吸力麵區域出（chū）現低速區甚至分離，形成射流—尾（wěi）跡結構[17]。由於射（shè）流—尾跡結構的存在，導致離心風（fēng）機效率下降，噪聲增大。為了改善（shàn）離心葉輪內部的流動狀況，提高葉輪效率，一個（gè）重要的研究方向就是采用邊界層控製方式提高離心葉輪性能，這也是（shì）近年的熱點研究方向。
    2007年，劉小（xiǎo）民等人采（cǎi）用邊界層主動控製技術在壓縮機進氣段選（xuǎn）擇性布置渦流發生器，從而改變葉輪進口（kǒu）處流場, 通過數值計算對不同配置參數下離心壓縮機性能進行對比分析[18]。該（gāi）文章對渦流發生器應用於離（lí）心葉輪內流動控製的效果（guǒ）進（jìn）行了初（chū）步的驗證和研究, 通過數值分（fèn）析（xī）表明這種方法確實（shí）可以改善葉輪（lún）內部流動（dòng）, 達到提（tí）高（gāo）葉輪性能的效果。但是該主（zhǔ）動控製技術結構複雜，而且（qiě）需要外加（jiā）控製設備和能（néng）量，對（duì）要求經濟耐用的離心通風機產品不具有競爭力。
    采用邊界層控製方式提高離心（xīn）葉輪性能的另外一種方法就是采用（yòng）自（zì）適應邊（biān）界層控製技術。1999年，黃東濤等人提出了離（lí）心通風機葉（yè）輪設計中采（cǎi）用長短（duǎn）葉片開縫方法[19-20]，該（gāi）方法采（cǎi）用的（de）串列葉柵技術（shù），綜合（hé）了長短葉片和邊界層吹氣兩種技術的優點，利用邊界層（céng）吹氣技術抑製（zhì）邊界層的增長，提高（gāo）效率（lǜ），而且試驗結果（guǒ）表明[20]，該（gāi）方法可以有效的提高設計和大流量（liàng）下的風機效率，但（dàn）對小流量效果不明顯（xiǎn）。文獻[21]用此思想解決了離心葉輪（lún）內部積灰的（de）問題。雖然串列葉柵（shān）技術在離心壓縮機葉輪[20]內（nèi）沒（méi）有獲得效率（lǜ）提高的效果，但從文獻內容看，估計是（shì）由（yóu）於該文作者（zhě）主要研究的是（shì）串聯（lián）葉片的相位效應，而沒有研究串聯葉片的徑向位置的變化影響導致的。
   理論和試驗都表明，離心葉輪的射（shè）流尾跡結構隨（suí）著流量（liàng）減小更加強烈，而且小（xiǎo）流量時，尾跡處於（yú）吸力麵，設計流量時，尾跡處（chù）於吸（xī）力麵和輪蓋交（jiāo）界處。為了提（tí）高設計和小流量離（lí）心通風機效率，2008年，田華等人提（tí）出了葉片（piàn）開縫技術（shù）[22]，該技術提出在（zài）葉輪（lún）輪蓋與葉片之間葉片尾部處開縫，引用葉片壓力麵側的高（gāo）壓氣體吹（chuī）除吸力麵側的低速尾跡區，直（zhí）接給（gěi）葉輪（lún）內的低速流體提供（gòng）能量（liàng）。最終得到在設計流（liú）量和小流量情況下，葉輪開縫後葉片表麵分離區域減小（xiǎo），整個流道速（sù）度和（hé）葉輪（lún）內部相對速度分布更（gèng）加均勻，且最大絕對速度明顯減小的結果。這種方法改善了葉輪內部流場的流動（dòng）狀況，達到了提高（gāo）離心（xīn）葉輪性能和整機性能的效果，而且所形成的射流可以吹除葉片吸力麵的積（jī）灰，有利於（yú）葉輪在氣固兩（liǎng）相流中工作。
   2008年，李景銀等人提出在離心風機輪蓋上靠近葉片吸力麵處開孔的方法[23]，利用蝸殼內（nèi）的高壓氣體產生射（shè）流，從而直接給葉（yè）輪內的低速或分離流體提供能（néng）量，以減弱由葉輪內二次流所導致的（de）射流-尾跡結（jié）構，並可用於消除（chú）或解決部分負荷時,常發生的離心葉輪的積灰問題。通過對離心風機整（zhěng）機的數值試驗，發現輪蓋開孔後，在設計點（diǎn）附近（jìn）的風機壓力提高了約2％，效（xiào）率提（tí）高了1％以（yǐ）上（shàng），小流量時壓力提高了1.5％，效率提高了2.1％。在設計流量和小流量時（shí），由於輪蓋開孔形成的射流（liú），可以明顯改善（shàn）葉輪出（chū）口的分離流動，減小低速區域，降低葉輪（lún）出口處的最高速度和速度梯（tī）度，從而減弱了離心葉輪出口（kǒu）處的射流—尾跡結構。此外，沿葉片表麵流動分離區域減小（xiǎo），壓力增（zēng）加更有規律。輪蓋開孔方法可以提高設計流量和（hé）小流量下的閉式離心葉輪（lún）性能（néng）和整機性能，如果結合離心（xīn）葉輪（lún）串列葉柵自適應邊界層控（kòng）製技術（shù），有可能全麵提高離心葉輪性能。
3  結論（lùn）
    綜上所述, 近年來（lái）對離心通風機葉輪內部流動的研究取（qǔ）得了明顯進展, 有些研究成果已經應用到實際設（shè）計中，並獲得令人滿意的結果。目前, 對（duì）離心通風機（jī）葉輪內部流動的研究仍是比較活躍的研究領域之一，筆者認為可在如下方麵進行進一步研究：
（1）如何將近似模型方法在通風機方麵的應用進（jìn）行更深入的研究，結（jié）合已有的葉片設計技（jì）術，探索更加高效快速的優化設計方法；
（2）如何將串列葉柵、輪蓋（gài）開孔和葉片開縫等離心葉輪自適應邊界層（céng）控製技術結合起來，在全工況（kuàng）範圍內（nèi）改善離心通風機葉輪的性能，提高（gāo）離心風機（jī）的效（xiào）率；
（3）考慮非定常特性的設計方法研究。目前，研究離心通風機葉（yè）輪內部的流動均仍以定常計算為主，隨著（zhe）動態試驗和數（shù）值（zhí）模擬的發展, 人們對於葉輪機（jī）械內部流動（dòng）的非（fēi）定常現象及（jí）其機理將越來越清（qīng）楚, 將非定常的研究成果應用於設計工作中是非（fēi）常重要的方麵。