Повышение эффективности безлопастных вентиляторов посредством нанесения продольных цилиндрических канавок на стенки диффузора

Безлопастные вентиляторы, получившие в настоящее время широкое распространение в сфере вентиляции и кондиционирования, являются нагнетателями класса струйных насосов и по принципу работы схожи с инжекторами. Название «безлопастной» отражает лишь внешний вид вентилятора, так как крыльчатка устанавливается в специальном кожухе. На рис. 1 представлена типичная конструкция безлопастного вентилятора, включающая в себя подводящий канал, внутреннее пространство кольцевидной формы, заканчивающееся кольцевой щелью, а также диффузор. При работе такого типа вентилятора воздух 1 нагнетается высокооборотистой крыльчаткой и направляется в подводящий канал 1 , после чего во внутреннем пространстве 2 равномерно распределяется по площади кольцевой щели 3 , за счет значительного сужения которой ускоряется. Высокоскоростной поток воздуха направляется кольцевой щелью 3 вдоль стенок диффузора. При выборе подходящих геометрических параметров струя воздуха не отрывается от стенок диффузора и прилипает к ним за счет эффекта Коанда. При этом импульс скоростной струи частично передается невозмущенному потоку, из-за чего в горловине диффузора 4 создается разрежение и туда поступает дополнительный вторичный воздух, который вместе с первичным направляется на выход диффузора 5 . Таким образом, возможно значительное повышение расхода воздуха вплоть до 20–25 раз [1].

Очевидно, что в силу закона сохранения импульса, использование безлопастных вентиляторов не позволяет достичь большей энергоэффективности в сравнении с традиционными лопастными нагнетателями, однако их несомненным преимуществом является более ровный поток воздуха на выходе, имеющий значительно меньшую турбулентность, что достигается при ускорении первичного воздуха в узкой кольцевой щели.

Данное преимущество обуславливает значительный в последние 10 лет интерес к безлопастным вентиляторам как к перспективным движителям малых летательных аппаратов как на электрической тяге, так и на газотурбинной. В случае использования газотурбинной тяги, по существу, реализуется турбовентиляторный двигатель, где турбина используется для привода крыльчатки нагнетателя. Примером подобного проекта являются летательные аппараты стартапа Jetoptera (США) [2].

Рис. 1. Устройство безлопастного вентилятора:

1 – подводящий канал; 2 – внутреннее пространство; 3 – кольцевая щель;

4 – горловина диффузора; 5 – выход диффузора

• Fig. 1.    Bladeless fan structure:

• 1    – supply channel; 2 – technology space; 3 – annular gap; 4 – diffuser throat; 5 – outlet diffuser

В случае малых летательных аппаратов мультикоптерного типа применение безлопастных вентиляторов позволяет также повысить безопасность аппарата, так как подобные движители не имеют наружных вращающихся частей, ввиду чего устойчивы к попаданию мелких и крупных камней, птиц и антидроновым сетям. Примерами научных работ по данной тематике являются статьи [3; 4], которые посвящены разработке и созданию прототипов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с безлопастными движителями на основе электродвигателей, систем их автоматического управления. Интерес представляют также патенты [5; 6], в которых описываются концепты и конструктивные особенности подобных БПЛА.

Одной из ключевых характеристик безлопастного вентилятора является коэффициент увеличения расхода U, определяемый как отношение расхода воздуха на выходе из диффузора к расходу первичного воздуха, выпускаемого через кольцевую щель. При фиксированном расходе первичного воздуха и давлении на входе в кольцевую щель данный параметр в наибольшей мере определяет создаваемую тягу, так как от расхода воздуха на выходе зависит также и скорость на срезе диффузора. В соответствии с основным уравнением инжекции коэффициент U может быть найден как

U =

где Φ – отношение площади сечения кольцевой щели к площади горловины диффузора; ζ – коэффициент сопротивления кольцевой щели и диффузора.

Таким образом, теоретическое значение U зависит только от отношения площадей Φ и гидравлического совершенства воздушного тракта. Исследованию влияния геометрических параметров безлопастного вентилятора на его эффективность посвящено значительное количество работ, в которых рассматривется как влияние формы вентилятора и угла раскрытия диффузора [7], так и площади кольцевой щели, горловины и выходного сечения диффузора [8–14].

По результатам анализа данных работ, детальный обзор которых представлен в статье [14], было установлено, что среди вышеперечисленных параметров в наибольшей мере влияет отношение площадей Φ и в целом данное влияние при отсуствии срыва или отклонения струи соответствует теоретической формуле (1). При фиксированном диаметре горловины и расходе первичного воздуха уменьшение площади проходного сечения кольцевой щели приводит к повышению U , но при этом необходимо обеспечить повышения давления на входе, что приводит к повышенным затратам энергии.

Однако на коэффициент ζ диффузора помимо угла раскрытия также может оказывать влияние обработка его поверхности с целью подавления вихреобразования. При течении воздуха вдоль стенок диффузора, как правило, формируется турбулентный пограничный слой, при этом в вихревых структурах теряется часть изначальной кинетической энергии струи, что приводит к передаче меньшего ее количества невозмоущенному воздуху и, соответственно, к снижению инжекции.

Для повышения аэродинамического совершенства поверхностей применяются различные модификации, такие как, например, установка лунок [15], поперечных канавок [16], а также продольных ребер [17]. Установка лунок и поперечных канавок позволяет снизить сопротивление на 5–10 % за счет формирования в них вихрей, в которых создается разрежение, позволяющее минимизировать отрыв потока. Установка же продольных ребер на поверхности позволяет уменьшить масштаб и энергию образующихся вихревых структур, посредством чего возможно снижение аэродинамического сопротивления порядка 5–6 %. Предполагается, что нанесение канавок позволит снизить турбулентность потока по схожему механизму без уменьшения площади сечения диффузора.

Задачей настоящего исследования является исследование аэродинамических характеристик безлопастного вентилятора в зависимости от геометрических параметров продольных канавок цилиндрической формы, нанесенных на стенки диффузора по направлению потока.

Объект и методика исследования

В качестве базовой была выбрана геометрия безлопастного вентилятора, описанная в патенте [18], причем диаметр горловины D составил 540 мм, длина диффузора L – 240 мм, а угол раскрытия диффузора – 14°. Базовая конструкция была дополнена цилиндрическими канавками с диаметром дуги d , нанесенными на стенки диффузора по направлению течения среды с угловым шагом α (рис. 2).

В настоящей работе рассматривались конфигурации вентиляторов с диаметрами канавок 3, 6, 9 мм при угловых шагах 2°, 4°, 6° в сравнении с базовой моделью без канавок.

С целью сокращения вычислительной трудоемкости ввиду осесимметричности течения в диффузоре исходная геометрия была упрощена и численное моделирование производилось в трехмерной периодической постановке. На рис. 3 представлен пример расчетной сетки, число элементов сетки составило 3,5 млн, включая тетраэдрические элементы в основной зоне потока и призматические – в пристеночной. При этом средние значения y + первой пристеночной ячейки составили 1,8; минимальные – 0,1; максимальные – 3,7. Таким образом, было обеспечено условие y + < 5, необходимое для использования выбранной модели турбулентности k -ω SST [19]. Для построения сетки использовалась программа ANSYS Meshing.

После построения сеточной модели была осуществлена настройка решателя, в качестве которого был применен пакет ANSYS CFX. На рис. 4 представлен эскиз расчетной модели с обозначенными граничными условиями. На входе первичного воздуха было задано граничное условие (ГУ) типа inlet по полному давлению, на боковых поверхностях расчетной области была задана периодичность (rotational periodicity), на поверхностях связи с окружающей средой – давление с типом ГУ opening. Тип opening был выбран по причине того, что в программе ANSYS CFX использование данной настройки приводит к снижению невязки расчета при наличии обратных токов как с всасывающей, так и с нагнетающей стороны вентилятора. Все остальные поверхности были заданы как непроницаемые стенки.

Для всех моделей вентиляторов были поставлены одинаковые значения избыточного давления воздуха на входе в щель 20 кПа. Избыточное давление окружающей среды было принято равным 0.

Рис. 2. Геометрия и ключевые размеры исследуемых моделей вентиляторов

• Fig. 2.    Geometry and key dimensions of the studied fan models

Рис. 3. Пример расчетной сетки

• Fig. 3.    Example of a computational grid

Рис. 4. Эскиз расчетной модели с обозначением граничных условий:

1 – ГУ окружающей среды; 2 – ГУ периодичности; 3 – ГУ входа первичного воздуха

• Fig. 4.    Sketch of the calculation model with boundary conditions:

1 – ambient GB; 2 – periodicity GB; 3 – primary air inlet GB

Результаты исследования

По результатам проведенного численного моделирования, при фиксированном давлении на входе все модели вентиляторов обеспечивают одинаковых расход первичного воздуха, составивший 0,79 кг/с (здесь и далее величины расходов и тяги приведены в пересчете на полный круг вентилятора).

На рис. 5 представлена эпюра скорости течения на выходе из диффузора применительно к рассмотренным моделям вентилятора. Как видно из рис. 5, наиболее заполненной является эпюра скорости, соответствующая конфигурации с диаметром канавок 6 мм и угловым шагом 2°. В случае данной геометрии обеспечивается наименьшая площадь сечения со скоростью менее 10, что говорит о лучшей передаче импульса от скоростной пристеночной струи невозмущенному воздуху.

0 3 мм

0 6 мм

0 9 мм

Рис. 5. Эпюры полей скорости в сечении модели, соответствующем выходу из диффузора

• Fig. 5.    Velocity field diagrams in the model section corresponding to the diffuser outlet

Конфигурации с диаметром канавок 6 мм и угловым шагом 2° также соответствует наибольший расход (рис. 6). Как видно из рис. 6, это единственная геометрия, обеспечивающая повышение эффективности в сравнении с базовой с увеличением расхода на 2 %. Увеличение расхода на выходе из диффузора на 2 % позволяет повысить создаваемую им как движителем тягу на 4 % без изменения расхода и давления первичного воздуха (рис. 7). Данное повышения эффективности является небольшим, однако оно обеспечивается без повышения расхода и давления первичного воздуха на входе в отличие от уменьшения толщины щели.

При диаметрах канавок 3 мм показатели эффективности остаются практически без изменений, лишь незначительно снижаясь. Это позволяет сделать вывод о том, что диаметр 3 мм является малым и добавление канавок с таким диаметром на 0,5–1 % снижают аэродинамическую эффективность. При диаметре канавок 6 мм повышение эффективности происходит только при минимальном шаге 2°, в таком случае канавки по геометрии вырождаются в ребра. При большом диаметре канавок 9 мм происходит значительное снижение эффективности, что говорит о неприемлемости их использования.

С целью выяснения причин различной эффективности канавок при разном шаге и диаметре были построены поля турбулентной кинетической энергии (ТКЭ) на поверхностях, формирующихся при течении вихревых структур (рис. 8), а также графики зависимости средней по площади вихревых структур ТКЭ от диаметра канавок и углового шага между ними (рис. 9). Как видно из рис. 8, при диаметре канавок 3 мм распределение ТКЭ схоже с таковым в базовом случае, при этом средняя ТКЭ также совпадает с базовой конфигурацией. При диаметре канавок 3 мм и шаге 2° средняя ТКЭ ниже на 7 %, однако на рис. 8 видно, что для данной модели вентилятора несколько больше масштаб вихревых структур, в частности, имеется значительный вихревой валик на выходной кромке. В случае канавок с диаметром 6 мм для шагов 4 и 6° можно увидеть небольшое снижение средней ТКЭ (на 5 и 10 % соответственно), однако виден немного больший в сравнении с базовым масштаб вихревых структур. При диаметре канавок 9 мм при всех значениях углового шага наблюдаются более крупные в сравнении с базовым случаем вихревые структуры, имеющие, к тому же, ТКЭ в 2,7 раз больше. Это говорит о том, что при больших диаметрах канавки дополнительно турбулизируют поток, вследствие чего снижается эффективность вентилятора.

Рис. 6. Зависимость расхода воздуха на выходе из диффузора от диаметра канавок и углового шага их размещения

• Fig. 6.    Dependence of air flow at the diffuser outlet on the diameter of the grooves and the angular pitch of their placement

Рис. 7. Зависимость создаваемой вентилятором тяги от диаметра канавок и углового шага их размещения

• Fig. 7.    Dependence of the draft created by the fan on the diameter of the grooves and the angular pitch of their placement

Выявленный ранее оптимальный вариант с диаметром канавок 6 мм и шагом 2° имеет наименьшую среди рассмотренных конфигураций среднюю ТКЭ (меньше базовой на 15 %), а также небольшой масштаб вихревых структур. Снижение интенсивности турбулентности можно объяснить формированием маломасштабных, но имеющих достаточную энергию, парных вихревых жгутов в канавках, под воздействием которых, ввиду создаваемого ими разрежения, поток прижимается к стенке, что снижает интенсивность вихрей на удалении от стенки. Однако данная гипотеза требует экспериментального подтверждения.

Рис. 8. Визуализация вихревых структур и распределения ТКЭ при течении воздуха в моделях вентиляторов

Fig. 8. Visualization of vortex structures and TKE distribution during air flow in fan models

^^^^^^^^w Шаг 2°

^^^^^^^^ш Шаг 4°

^^^^^^^^ш Шаг 6°

^^^^^^^^w Базовый вариант

Рис. 9. Зависимость средней по площади поверхности вихревых структур ТКЭ от диаметра канавок и углового шага их размещения

Fig. 9. Dependence of the average surface area of the vortex structures of the TKE on the diameter of the grooves and the angular pitch of their placement

Заключение

В рамках данной работы была проведена оптимизация диаметра и углового шага установки цилиндрических канавок, нанесенных на стенки диффузора безлопастного вентилятора. Установлено, что наибольший расход имеет конфигурация с диаметром канавок 6 мм и шагом 2°, при ее использовании обеспечивается небольшое повышения эффективности: увеличение расхода на 2 % и тяги на 4 % выше в сравнении с базовой геометрией вентилятора. Повышение эффективности обеспечивается за счет уменьшения интенсивности и масштаба вихревых структур, чего не наблюдается при анализе других конфигураций.

Одной из потенциальных областей применения результатов исследования является создание перспективных двигательных установок для малых летательных аппаратов, использующих безлопастные вентиляторы в качестве движителей.

Acknowledgment. The work was conducted within the project “Development of technical solutions to improve the efficiency of aircraft gas turbine engines” with the support of a grant from the National Research University “MPEI” for the scientific research program “Priority 2030: Technologies of the Future” in 2024–2026.