空調(diào)柜機(jī)多翼離心風(fēng)機(jī)集流器的優(yōu)化研究

許文明 鄭祖義,, 萬(wàn)忠民 金聽(tīng)祥 陳煥新

(1 華中科技大學(xué) 武漢430074；2 廣東志高空調(diào)有限公司 南海528244)

多翼離心風(fēng)機(jī)具有噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、較大的流量和壓力系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在柜機(jī)家用空調(diào)上。集流器、葉輪、蝸殼是多翼離心風(fēng)機(jī)的主要組成部分，集流器是引導(dǎo)氣體進(jìn)入風(fēng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)，其中任何一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的微小變化都會(huì)對(duì)整機(jī)的性能產(chǎn)生重大的影響。前人對(duì)集流器的研究主要為氣流在集流器中的流動(dòng)平穩(wěn)性和針對(duì)集流器背部渦流區(qū)域的研究[1-2]。Denger G R[3]研究由于用于柜機(jī)的多翼離心風(fēng)機(jī)跟普通的離心風(fēng)機(jī)相比一般都不帶有前盤(pán)，一般會(huì)影響到風(fēng)機(jī)葉輪中傳統(tǒng)概念中的前盤(pán)附近的氣流的流動(dòng), 這也是造成風(fēng)機(jī)損失和噪音產(chǎn)生的一個(gè)重要原因，在流量降低時(shí)更加顯著。林世楊等人[4]對(duì)集流器背部的漩渦區(qū)域做了研究，指出由于柜機(jī)多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪通常不帶前盤(pán), 往往影響到葉輪中傳統(tǒng)概念中的“前盤(pán)”附近氣流的流動(dòng)狀況, 是造成風(fēng)機(jī)損失以及噪聲的一個(gè)主要來(lái)源。王嘉冰等人[5]采用CFD方法對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)型式集流器的風(fēng)機(jī)進(jìn)行整機(jī)模擬計(jì)算, 通過(guò)研究集流器型式的變化對(duì)柜式空調(diào)用多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)以及風(fēng)機(jī)整體性能的影響，得出結(jié)論采用出口截面直徑大于葉輪內(nèi)徑的收斂型集流器效果最佳。這里采用出口截面直徑大于葉輪內(nèi)徑的收斂型結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)集流器軸向高度和型線分別優(yōu)化，借助商業(yè)軟件FLUENT對(duì)三種集流器進(jìn)行整機(jī)模擬，分析模擬結(jié)果，根據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，制作樣板，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 風(fēng)機(jī)及集流器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

柜機(jī)多翼離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如表1所示。

集流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，其中A集流器是原柜機(jī)中應(yīng)用的集流器；B集流器在軸向?qū)挾壬隙逃谠技髌?，出口直徑相比A增大；C集流器改變了截面型線，與A相比弧度降低，出口直徑增大。

表1 多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameter of multi-blade centrifugal fan

表2 集流器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameter of bell mouth

圖1 三種集流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Organigram of three bell mouth

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算方法

這里采用三維模型，比較真實(shí)地反映了模型內(nèi)部流場(chǎng)，為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量將模型分為三部分:葉輪內(nèi)部區(qū)域；葉輪區(qū)域；蝸殼及出風(fēng)口區(qū)域。計(jì)算采用三維雷諾平均守恒形Navier-stokes方程，湍流模型選取K-ε標(biāo)準(zhǔn)方程模型，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。湍流耗散項(xiàng)、湍流動(dòng)能、動(dòng)量方程都采用二階迎風(fēng)格式離散；計(jì)算方法采用SEGREGATD隱式方法；根據(jù)此柜機(jī)多翼離心風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況給定葉輪進(jìn)口總壓為0Pa和湍流強(qiáng)度及水力直徑邊界條件；蝸殼出口給定出口靜壓邊界條件；葉輪選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，給定旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件為500r/min；蝸殼選用靜止坐標(biāo)，給定標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件。

圖2 GAMBIT中建立的三維模型Fig.2 3D model created in GAMBIT

圖2為GAMBIT中建立的三維模型，集流器入口處Z=0mm，多翼離心風(fēng)機(jī)底盤(pán)Z=175mm。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

由于用于柜機(jī)的多翼離心風(fēng)機(jī)跟普通的離心風(fēng)機(jī)相比一般都不帶有前盤(pán)，集流器對(duì)于柜機(jī)蝸殼進(jìn)風(fēng)口處的氣流組織就起著至關(guān)重要的作用。不同結(jié)構(gòu)的集流器對(duì)氣體的引導(dǎo)作用不同，導(dǎo)致進(jìn)入蝸殼后的氣流的流動(dòng)形式也不一樣，氣流在蝸殼中的流動(dòng)是很復(fù)雜的，沿軸線方向速度不均勻并且存在回流現(xiàn)象。

從圖2中可以看到，氣體經(jīng)過(guò)集流器的導(dǎo)流作用進(jìn)入蝸殼，沿軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不斷的有一部分空氣沿徑向進(jìn)入葉輪，經(jīng)過(guò)葉輪的做功速度加快，沿流道進(jìn)入擴(kuò)壓口。

圖2中可見(jiàn)經(jīng)過(guò)原始的集流器的引導(dǎo)作用，氣流在經(jīng)過(guò)葉輪后速度分量中有很大一部分是垂直于蝸殼的方向，氣流對(duì)蝸殼會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力，并且經(jīng)過(guò)蝸殼壁的反彈作用，氣流速度方向改變很大，與剛剛經(jīng)過(guò)葉輪的氣流產(chǎn)生沖撞，使得氣流的正常流動(dòng)被破壞而產(chǎn)生紊流。并且經(jīng)過(guò)蝸殼壁的反彈作用氣流產(chǎn)生了明顯的回流現(xiàn)象，在蝸殼的軸向方向上產(chǎn)生漩渦。這些沖撞和漩渦都會(huì)消耗功率，并且產(chǎn)生噪音。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的集流器B、C對(duì)氣流的引導(dǎo)如圖所示，氣流垂直于蝸殼方向的分速度明顯減小，由此產(chǎn)生的回流和漩渦現(xiàn)象明顯小于A蝸殼。氣流在蝸殼中的流動(dòng)更順暢，流動(dòng)組織更合理。

以上是沿軸線方向分析流場(chǎng)，下面沿徑向方向?qū)α鲌?chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。蝸舌是整個(gè)多翼離心風(fēng)機(jī)蝸殼的重要的部件，是影響風(fēng)機(jī)性能和產(chǎn)生噪音的重要的區(qū)域。從圖3中可以明顯的看出在蝸舌處風(fēng)機(jī)A存在著明顯的渦流，而改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)渦流仍舊存在但明顯的減小了，要弱于原風(fēng)機(jī)。從三種集流器的結(jié)構(gòu)差異上分析(見(jiàn)表2)，集流器出口處直徑的增大是其渦流減小的主要原因。集流器的出口直徑對(duì)風(fēng)量和噪聲會(huì)產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)出口直徑是葉輪內(nèi)外徑之和的一半左右時(shí)最為理想。

圖3 y=0截面上的速度流線圖Fig.3 Speed trace picture of cross section at y=0

圖4 Z=85截面(中截面)處的速度流線圖Fig.4 Speed trace picture of cross section at Z=85(center section)

圖5 z=0處的動(dòng)壓云圖Fig.5 Dynamic pressure picture of cross section at Z=0

如圖4所示，B、C 兩種方案在Z=0處(集流器出口截面)的動(dòng)壓要高于原始風(fēng)機(jī)A 。

從圖5、圖6中可以看出，B、C的總壓和靜壓要高于A，說(shuō)明B、C方案氣流在經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)的做功以后獲得了比A更多的能量，對(duì)于能量的利用率更高。最大靜壓和全壓都出現(xiàn)在進(jìn)入擴(kuò)壓口前地葉輪邊緣附近，從葉片的進(jìn)口到出口三種風(fēng)機(jī)的靜壓和全壓持續(xù)升高，主要由于葉片對(duì)氣流的不斷的做功。在擴(kuò)壓口靠近出口處由于存在流動(dòng)損失全壓逐漸下降，但是B、C在出口處的全壓要明顯的高于A，B、C兩種方案的全壓大小差不多，但分布規(guī)律相差很大，C的高壓區(qū)范圍比較廣，且延伸至擴(kuò)壓口內(nèi)部，B在擴(kuò)壓口的中部存在明顯的負(fù)壓區(qū)。

圖6 Z=100處截面總壓云圖Fig.6 Total pressure picture of cross section at Z=100

圖7 Z=100處截面靜壓云圖Fig.7 Static pressure picture of cross section at Z=100

風(fēng)量模擬結(jié)果，A風(fēng)機(jī)也就是原始的風(fēng)量是VA=1132m3/h,經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的方案B、方案C的風(fēng)量分別為VB=1209m3/h，VC=1180m3/h，相比原風(fēng)機(jī)分別增加了6.8%和4.2%。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，方案B和方案C對(duì)整機(jī)的風(fēng)量都有提高，因此對(duì)兩種優(yōu)化方案制作樣板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)B、C兩種集流器制作樣板，材料跟A型集流器一樣都是使用塑料材質(zhì)。

圖8 三種集流器樣板照片F(xiàn)ig.8 The photograph of three bell mouth templates

風(fēng)量測(cè)試在廣東志高空調(diào)有限公司風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，是對(duì)于空調(diào)器在研發(fā)初期階段專(zhuān)門(mén)測(cè)試循環(huán)風(fēng)量的實(shí)驗(yàn)室。

噪音測(cè)量在廣東志高空調(diào)有限公司半消聲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，它是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指定的空調(diào)器噪聲測(cè)試室，實(shí)驗(yàn)室是由中國(guó)家電電器研究院設(shè)計(jì)制作。控制室采用丹麥B&K公司3560C采集分析系統(tǒng)及7700型聲學(xué)和振動(dòng)分析軟件，包括強(qiáng)大的FFT、CPB(1/3倍頻程分析)和總級(jí)值分析儀。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment results

從表3可以看出，方案B和方案C的風(fēng)量都有所增加，其中方案B和方案C風(fēng)量分別增加4.7%和3%，這也恰好驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)研究中方案B和方案C相比于方案A的風(fēng)量增加量略小于數(shù)值模擬結(jié)果中的風(fēng)量增加量，但在允許的范圍之內(nèi)，并且風(fēng)量變化的趨勢(shì)是一致的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，這恰恰驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

從噪音的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可看出三種方案的噪音水平基本一致。雖然方案B和方案C的風(fēng)量增加了噪音卻沒(méi)有增加，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)集流器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)相比于方案A尤其是在蝸舌區(qū)的漩渦明顯的減弱了，而這恰好是噪音產(chǎn)生的主要原因。

4 結(jié)論

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，采用數(shù)值模擬的方法，借助大型商業(yè)化有限元分析軟件FLUENT對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行流場(chǎng)分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品流場(chǎng)存在的問(wèn)題，在產(chǎn)品試制之前進(jìn)行有效的改進(jìn)，達(dá)到提高循環(huán)風(fēng)量和降低噪音的目的，大大加快新產(chǎn)品的研發(fā)周期，保證產(chǎn)品的工作可靠性。研究結(jié)果顯示:不同結(jié)構(gòu)形式的集流器對(duì)柜機(jī)整機(jī)的循環(huán)風(fēng)量產(chǎn)生很大的影響。集流器的出口距離葉輪的距離對(duì)風(fēng)量的影響同樣很大，不是越大越好也不是越小越好，存在一個(gè)最佳值。這是因?yàn)闅饬髁鹘?jīng)集流器進(jìn)入多翼離心風(fēng)機(jī)后分成兩部分:一部分沿徑向流動(dòng)，一部分沿軸向流動(dòng)。只有當(dāng)兩部分氣流的流量達(dá)到一個(gè)合理的比例時(shí)風(fēng)量才能達(dá)到最大值。集流器的出口直徑對(duì)風(fēng)量和噪聲會(huì)產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)出口直徑是葉輪內(nèi)外徑之和的一半時(shí)最為理想。經(jīng)過(guò)對(duì)集流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，此款柜機(jī)在保持原有噪音水平的前提下，循環(huán)風(fēng)量可增加4.7%。

本文受2010廣東省技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(20101022020)資助。(The project was supported by 2010 Technological Innovation Project of Guangdong Province(No.20101022020).)

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