摘要：

在水槽内利用流场可视化的方法，试验研究了在横流风机叶栅及外部边界的共同作用下，二维无源流场的形成机理。试验研究了不同外部边界、蜗舌对横流风机内部流场的影响，基本上搞清了横流风机的工作原理及产生 (倒流)现象的原因，并提出了控制反风的方法。对横流风机的设计有一定的参考价值。

横流风机，由于它的宽度在理论上不受限制，以及风量大、外形尺寸小等优点，在农业物料的清选以及其它一些部门得到了广泛的应用。虽然已有不少学者对其进行了研究，但目前尚有一些基本问题有待进一步探讨。例如：气体是根据什么两次通过叶栅进行流动的，叶轮内控制流场的旋涡是如何形成的，气体流动方向取决于什么（即进气口和出气口如何确定）等。为此，进行了试验研究。为便于对流场的观察、摄影和静压的测量，试验是用水模拟的。

1试验装置及方法

试验装置由垂直安装的叶轮1和圆形水槽2组成图1。叶轮的几何参数如图2所示。

为便于对流场进行观察和摄影，叶轮的三角带传动装置4放在水槽的下方。支架3和直流电机5是分开固定的，可避免电机振动对流场的影响。试验时，叶轮的转速为l00~200r／min。转速再提高，水表面将产生较大波纹，影响试验结果。水槽的边界对试验结果会产生一定影响，但水槽的直径为叶轮直径的10倍，对流场的影响不大。

当叶轮转速为100~200r／min时，以叶轮上叶片弧长为特征长度的雷诺数为e=(0．8～1．6)×10⁴次方。根据用途不同，实际横流风机的雷诺数为10⁴～10⁵，我们的模拟试验情况与实际很接近。

试验是按如下方法进行的，在水槽内水面静止的状态下启动电机，并逐渐加速，观察流场的形成过程。待转速和流场稳定后，用测量各处水面相对高度的办法，确定各处的静压在水面上洒飘浮物，观察l流体的流动状态，并进行摄影。

2试验结果及其分析

2．1无边界(无外壳)情况

这种情况可近似地看作叶轮在无边界限制的二维无源流场中旋转。叶栅带动其间的流体转动，由于流体的牯性及叶栅内外缘对流体的作用，使得叶轮内外的流体做旋转运动，其流线为以叶轮轴线为中心的圆(图3a)，没有流体流入或流出叶栅。在叶轮内，随着半径r的减小，流体运动速度减小，角速度大致为常数，流场近似为一旋涡。在叶轮内缘处静压最高(图3b)，在涡心处静压最低。在叶轮外，随着半径r的增大，流体运动速度下降，流场大致为一势涡。在叶轮外缘处静压最低，随着r的增大，静压增大。该流场为一组合兰金涡(Rankin’s combined vortex)。

因叶轮没有不对称的外边界，仅靠叶轮的旋转，流体不能产生通过叶栅、并沿某一方向的稳定流动，这一点与其它形式的风机不同。

2．2对称边界(对称外壳)情况

试验研究了图4所示的两种几何对称边界对流场的影响。图4a为两个平行直线边界，图4b为两个直线与圆弧的组合边界。两种边界的形状及其与叶轮的相对位置尽可能保持对称。

试验中发现，这两种情况的流场都不稳定。有时类似于图3a，而更多的时间则是在叶轮内缘处产生一个涡心位置c不稳定的小旋涡，满心c以3~5r／min的速度沿叶轮内缘转动，转向与叶轮相同。这可能是边界的形状和间隙δ等不完全对称造成的。

2．3非对称边界(非对称壳体)情况

试验研究了图5、图6和图7所示的非对称边界情况。多次试验发现，当边界不对称时。流体将两次流过叶栅，形成沿某一方向的稳定流动。流场内存在一旋转方向与叶轮转向相同的旋涡，涡心位置在叶轮内缘附近。旋涡的位置确定了流体流动的方向，而旋涡的位置与边界的情况有关。

2．3．1单个直线边界(壳体)

图5为单直线边界的流场。A为直线边界。叶轮反时针旋转，叶轮旋转时形成以c点为涡心的偏心旋涡，C点处的静压最低，在与C点对称于叶轮轴心的另一侧形成高压区M。图5c为沿剖面B—B水面高度(静压)的变化。偏心涡的形成可做如下分析。由于直线边界的存在，当叶轮反时针带动流体旋转时，在P处有较大的流动阻力(通道减小及直线边界的法向阻力等)，而在通过间隙δ后的下游R处，沿叶轮切向的流动阻力明显减小，P和R间存在着流动阻力差，即在c处流体流入困难，而流出容易，结果在c处形成低压区。c点左侧的流体被叶栅带动向下流动，而c点右侧，因静压低，流体由叶轮外部通过叶栅向上流入轮内。因而，在c点处形成与叶轮转向相同的旋涡。

流体的流动情况如下。流体通过叶轮的外圆圆弧wu经叶栅流入叶轮内部，而在圆弧ux经叶栅流出叶轮。在圆弧uv段，没有流体流入或流出叶轮。uv弧段对应于叶轮内部的高压区，在这一段内叶轮内外的静压基本是平衡的。在P处，由叶轮流出的流体与直线边界A产生冲击，结果部分流体向上流出，而另部分流体经间隙δ流入R区，而后又从c的右侧流入叶轮，即产生回流。在c的右侧，靠近c点处的静压较低，流体向上的吸入速度较高，随着向右移动，静压升高，吸入速度降低。在c点右侧，流动方向都是向上的，所以叶轮反时针旋转时，流体形成由下向上的稳定流动。通过间隙δ由上向下的流动是不可避免的回流。

旋涡中心c点的位置与叶轮转速及间隙δ有关。随着δ的减小，涡心c向左上侧移动，回流减小，旋涡强度增加。当叶轮转速增加时，旋涡强度增大，旋涡中心向左上方移动。

2．3．2两个间隙不等的平行直线边界(壳体)

如图6，两边界与叶轮的间隙不等，δ₁<δ₂。若仅存在AA边界，则旋涡中心应位于C₁₃若仅存在BB边界，则旋涡中心应位于C₂。由于δ₁<δ₂。若仅存AA边界对流体流动的影响大于BB，结果在C₁点形成旋涡，流体按图示方向流动。

2．3．3两对称非平行边界(壳体)

图7所示为两个对称于e—e轴，且与e—e轴成一定角度a的直线边界的流场情况。两边界之间的距离上大下小。当叶轮带动流体旋转时，由于边界的影响，P2处的流动阻力大于P1处的，而R₂处的流动阻力小于R₁处的，旋涡中心位于C₂处，绝大部分流体由上向下流动。如果在叶轮旋转中，将两边界移至图7中虚线所示位置(此时边界闻的距离为上小下大，且相对于e—e轴仍对称)，则经过一段时间，流体流动惯性消失后，流体改变流动方向，旋涡中心变至C₁处。

3横流风机反风机理

对于横流风机来说，若设计不当，则可能产生反风现象，即进，出风口相互对换。为此，在水槽内进行了模拟试验研究。

如图8所示，横流风机的边界(外壳)，一般是由一与叶轮间隙逐渐增大的曲线GF(后壁)、一圆弧形或其它形状的涡舌BD及上边界DE构成的。蜗舌的长度及其与出风口上边界DE的夹角γ对风机的性能有较大的影响。试验发现，当涡舌BD有一定长度时，涡心在C₁点处，风机能够正常工作，流体流动方向如图8所示。随着涡舌与叶轮间隙δ的减小，涡心C₁向外下方移动，回流减小。将角度γ适当减小，流体易于沿上边界流出，也将使回流减小。

若将涡舌长度减小，涡心向内移动，回流增大。当涡舌的长度减小到一定值后。旋涡中心移至叶轮右下方处(图9)，结果产生反风(倒流)现象。此时若将后壁GF向下移动(尤其是G点)，增加后壁与叶轮的间隙，则涡心又会移至叶轮的右上方，变为 正 常流动。但如果涡舌长度为零图10，即使它与叶轮的间隙变小，后壁GF与叶轮的间隙变大，涡心的位置仍位于叶轮右下方，改变不了反风（倒流）现象。只有将后壁完全取消时图11，涡心才会回到叶轮右上方。而仅有后壁时，则涡心C位于如图12所示的位置，即反风时涡心所在位置的附近。

4结论

(1)不对称的外部边界(包括与叶轮间隙的不对称)是横流风机能使流体沿某一方向产生稳定流动的基本条件。

(2)当叶轮带动流体旋转时，若流场内仅有一直线边界，则在此边界附近，沿叶轮旋转方向最小间隙处的下游、叶轮内缘处形成一旋涡。旋涡的旋转方向与叶轮转向相同，旋涡的强度主要取决于叶轮的转速和边界情况。叶轮内外的流场主要由此旋涡控制。

(3)如有多个边界，流场取决于各边界的综合影响。旋涡出现在流动阻力差最大的边界附近，且仅有一个旋涡。

(4)对于横流风机，为使其褪正常工作而不反风，剜与其它边界相比，涡舌处应有较大的流动阻力差。此差值愈大，回流量愈小，风机的各项性能指标愈高。