基于CFD技術(shù)的吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化研究綜述?

劉小民 楊羅娜

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

基于CFD技術(shù)的吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化研究綜述?

劉小民 楊羅娜

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）在吸油煙機(jī)產(chǎn)品開發(fā)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文在總結(jié)吸油煙機(jī)行業(yè)中CFD技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了CFD技術(shù)的基本原理及其應(yīng)用流程，給出了近些年來該領(lǐng)域的研究人員基于CFD技術(shù)在吸油煙機(jī)葉輪、蝸舌、箱體及其他部件等結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能優(yōu)化方面的主要研究方法和成果。

吸油煙機(jī)；多翼離心風(fēng)機(jī)；計(jì)算流體力學(xué)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；性能改進(jìn)；氣動(dòng)噪聲

0 引言

多翼離心風(fēng)機(jī)具有整體尺寸小、流量系數(shù)高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于吸油煙機(jī)中。隨著社會(huì)生活水平的提高，人們對(duì)吸油煙機(jī)性能的要求也越來越高，巨大的市場(chǎng)需求為吸油煙機(jī)行業(yè)發(fā)展帶來契機(jī)的同時(shí)，也對(duì)吸油煙機(jī)的性能指標(biāo)提出了更高的要求[1-2]。盡管目前國(guó)內(nèi)吸油煙機(jī)產(chǎn)品具有較高的技術(shù)水平，但還不能從根本上解決排煙不盡、油氣分離難、噪聲大等問題[3]。多翼離心風(fēng)機(jī)作為吸油煙機(jī)中的主要部件受到廣泛關(guān)注，優(yōu)化其性能對(duì)改善吸油煙機(jī)性能有著至關(guān)重要的作用。

在我國(guó)吸油煙機(jī)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的形勢(shì)下，吸油煙機(jī)的研發(fā)部門面臨很大的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[4]。多數(shù)企業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)吸油煙的設(shè)計(jì)更多的是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，他們制造一系列試驗(yàn)樣品進(jìn)行研究，并沒有考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)吸油煙機(jī)內(nèi)部空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響。由于多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)較為復(fù)雜，因此在多翼離心風(fēng)機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，受到試驗(yàn)條件和測(cè)試設(shè)備等因素的限制，設(shè)計(jì)人員不能很好地分析多翼離心風(fēng)機(jī)中的氣體流動(dòng)狀態(tài)，一些關(guān)鍵部件的參數(shù)只能通過經(jīng)驗(yàn)確定[5]。

20世紀(jì)60年代開始，隨著計(jì)算機(jī)硬件以及計(jì)算方法的迅速發(fā)展，CFD技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用，在航空航天、船舶動(dòng)力、水力發(fā)電、空調(diào)、吸油煙機(jī)等工程領(lǐng)域有著優(yōu)良表現(xiàn)[6]。通過CFD技術(shù)對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)和聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以將計(jì)算結(jié)果通過具體數(shù)值和圖像顯示出來，有助于對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)改進(jìn)。相比于試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，CFD技術(shù)有效地提高了研發(fā)效率、縮短了研發(fā)周期，同時(shí)降低了吸油煙機(jī)產(chǎn)品研發(fā)成本，這使得CFD技術(shù)在吸油煙機(jī)行業(yè)越來越受到重視[7]。

CFD技術(shù)在吸油煙機(jī)行業(yè)中發(fā)揮的作用不僅取決于物理模型建立的正確與否，更在于對(duì)計(jì)算結(jié)果的理論分析以及如何應(yīng)用計(jì)算結(jié)果完成吸油煙機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)和實(shí)踐。隨著吸油煙機(jī)行業(yè)的發(fā)展需求，CFD技術(shù)必定在吸油煙機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)及性能提升方面發(fā)揮更加重要的作用[8]。

1 多翼離心風(fēng)機(jī)的CFD數(shù)值計(jì)算

1.1 性能優(yōu)化流程

目前吸油煙機(jī)的性能優(yōu)化流程主要采用兩種方式：一種是原型機(jī)診斷優(yōu)化，即通過計(jì)算吸油煙機(jī)原型機(jī)，分析其問題產(chǎn)生原因，再針對(duì)問題源提出優(yōu)化方案的一種方法；另一種是吸油煙機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，即給定流量和壓力等設(shè)計(jì)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)行吸油煙機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此過程中，采用正交試驗(yàn)、遺傳算法等多目標(biāo)優(yōu)化方法，結(jié)合CFD數(shù)值模擬技術(shù)，確定吸油煙機(jī)及其風(fēng)道系統(tǒng)的最佳參數(shù)，大大提高多翼離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)效率。不論是原型機(jī)診斷還是新型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化，CFD技術(shù)在其中都發(fā)揮著重要的作用。具體工作流程如圖1和圖2所示。

圖1 原型產(chǎn)品診斷優(yōu)化流程Fig.1 Optimization flow chart of existing product

圖2 新產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化流程Fig.2 Optimization flow chart of new product design

1.2 多翼離心風(fēng)機(jī)CFD數(shù)值計(jì)算方法

吸油煙機(jī)內(nèi)氣體的流動(dòng)可以由流體運(yùn)動(dòng)控制方程進(jìn)行描述，控制方程主要有質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。CFD通過對(duì)流動(dòng)控制方程的離散求解，揭示吸油煙機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)吸油煙機(jī)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。采用CFD對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能分析主要分為三個(gè)計(jì)算過程：定常計(jì)算、非定常計(jì)算和聲場(chǎng)計(jì)算。

1.2.1 定常計(jì)算

采用Fluent軟件對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。風(fēng)機(jī)進(jìn)口采用總壓進(jìn)口邊界條件，出口采用靜壓出口邊界條件，控制方程采用Reynolds時(shí)均Navier-Stokes方程，湍流計(jì)算采用Realizable k-epsilon雙方程模型和Scalable Wall Function近壁面控制方程，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，壓力離散格式采用PRESTO格式，動(dòng)量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二階迎風(fēng)格式，旋轉(zhuǎn)區(qū)采用多參考系模型，動(dòng)、靜區(qū)交界面為Interface邊界條件，收斂殘差為10-4。

1.2.2 非定常計(jì)算

當(dāng)定常計(jì)算達(dá)到收斂后，以定常計(jì)算結(jié)果作為初始場(chǎng)進(jìn)行非定常計(jì)算。旋轉(zhuǎn)區(qū)域改用滑移網(wǎng)格模型，時(shí)間項(xiàng)采用二階隱式格式，非定常計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)用下式確定：

其中，K為每一時(shí)間步內(nèi)設(shè)定的最大迭代步數(shù)；n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；Z為葉片數(shù)。

1.2.3 聲場(chǎng)計(jì)算

在非定常計(jì)算得到穩(wěn)定流場(chǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行噪聲的模擬計(jì)算，采用FW-H方程對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的聲場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[9]。FW-H方程為：

式中，ρ為空氣的密度；c0為遠(yuǎn)場(chǎng)聲速；p′為瞬時(shí)觀測(cè)點(diǎn)聲壓強(qiáng)；ui為流體速度在xi方向的速度分量；un和vn分別為沿積分面的流體速度的法向和切向分量；H(f)為Heaviside函數(shù)；δ(f)為Dirac函數(shù)；Tij為L(zhǎng)ighthill張量；Pij為應(yīng)力張量。Tij和Pij的表達(dá)式如下：

式中，δij表示克羅內(nèi)克符號(hào)。

方程（2）右側(cè)分別代表的是單極子源、偶極子源和四極子源。單極子源是由于流體中流入的質(zhì)量或熱量不均勻時(shí)形成的；偶極子源是當(dāng)流體中有障礙物存在時(shí)，流體與物體產(chǎn)生的不穩(wěn)定作用力形成的，屬于力聲源；四極子源是由粘滯應(yīng)力輻射的聲波形成的，只有在超聲速流動(dòng)時(shí)才會(huì)突顯。單極子源和偶極子源為面聲源，四極子源是體聲源。因此本文對(duì)于多翼離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算，四極子源忽略不計(jì)[10-11]。因此，方程（2）可以簡(jiǎn)化為：

式中，r表示由聲源點(diǎn)指向接收點(diǎn)的單位向量；n表示平面的單位法向量。FW-H方程中出現(xiàn)的其它變量的物理意義以及方程的具體求解過程詳見參考文獻(xiàn)[12]。

當(dāng)聲場(chǎng)計(jì)算完成后，通過傅里葉變換可得到噪聲頻譜圖和噪聲結(jié)果。在數(shù)值模擬計(jì)算中，由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)特征尺寸，因此蝸殼和葉輪之間的反射、衍射和散射在計(jì)算中均忽略不計(jì)。

2 吸油煙機(jī)性能優(yōu)化

作為吸油煙機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)的重要組成部分，多翼離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、噪聲和效率直接決定了吸油煙機(jī)的主要性能參數(shù)[13]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的研究主要集中在葉輪、蝸殼等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)上。除此之外，基于CFD技術(shù)對(duì)吸油煙機(jī)箱體結(jié)構(gòu)和其它部件的優(yōu)化，對(duì)提升吸油煙機(jī)性能也起到了十分重要的作用。

2.1 葉輪優(yōu)化

葉輪是多翼離心風(fēng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)氣體做的功，對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓和效率產(chǎn)生直接影響。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲，是多翼離心風(fēng)機(jī)的主要噪聲源之一。因此，提高葉輪性能可以改善氣流流動(dòng)狀況，達(dá)到增風(fēng)降噪的效果[14-15]。

2.1.1 多元耦合仿生葉片

劉小民等[16]分析了蒼鷹翅膀獨(dú)特的消聲結(jié)構(gòu)，將鷹翼前尾緣的齒形非光滑結(jié)構(gòu)提取出來，應(yīng)用到多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片中，設(shè)計(jì)了一種多元耦合仿生葉片如圖3所示，并提取尾緣周期、齒寬、齒高、前緣波長(zhǎng)、振幅這五個(gè)參數(shù)對(duì)仿生葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD模擬分析。如圖4所示，仿生結(jié)構(gòu)的引入，使得葉片的聲壓級(jí)較原型葉片有所降低。如圖5中葉片表面壓力云圖所示，采用多元耦合仿生葉片能有效減小葉片前緣受到的氣流沖擊作用。從圖中可以看出，葉片前緣高壓區(qū)消失，尾緣的負(fù)壓區(qū)減小。試驗(yàn)表明：具有小齒形尾緣和中波形前緣的仿生葉片在風(fēng)量和風(fēng)壓均有所增加的情況下，噪聲較原型葉片降低了1.3dB。

圖3 多元耦合仿生葉片F(xiàn)ig.3 Multi-factor coupling bionic blade

圖4 仿生葉片與原型葉片噪聲頻譜圖Fig.4 Noise spectrum of an original and bionic blade

圖5 葉片表面壓力分布云圖Fig.5 Pressure distributions on the blade surfaces

2.1.2 分段葉片

由于受吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪加工工藝和加工成本的限制，目前風(fēng)機(jī)葉輪葉片大多采用的是等弦長(zhǎng)等厚度直葉片，這種葉片進(jìn)口安裝角在進(jìn)口葉輪邊緣所有點(diǎn)上是相同的，而該處氣流速度分布的不均勻性，使得氣流對(duì)葉輪葉片產(chǎn)生較大的沖擊，增大了葉輪的氣動(dòng)噪聲；在葉片的出風(fēng)口處，由于流道阻塞，容易形成渦流，增大了風(fēng)機(jī)的渦流噪聲，降低了風(fēng)機(jī)的效率。秦志剛等[17]提出一種分段設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，在不改變?nèi)~輪制造工藝的前提下對(duì)葉片實(shí)施分段設(shè)計(jì)，提高多翼離心風(fēng)機(jī)性能，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。利用CFD技術(shù)對(duì)原型風(fēng)機(jī)和分段葉片風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到兩種風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)結(jié)果。如圖7風(fēng)機(jī)湍流強(qiáng)度云圖所示，葉片經(jīng)過分段設(shè)計(jì)之后，減小了進(jìn)口氣流的偏斜程度，使得氣流在轉(zhuǎn)彎過程中能夠提前由軸向轉(zhuǎn)向徑向，減少了沖擊損失、葉道的分離損失、葉輪頂端出口渦流及二次流損失，從而提高了風(fēng)機(jī)的效率[18-19]。試驗(yàn)證明采用分段設(shè)計(jì)葉輪的改進(jìn)方案，風(fēng)機(jī)風(fēng)量提高了0.61m3/min，風(fēng)壓從352Pa提升到385Pa，效率提高了2.04%。

圖6 分段葉片結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Sectional blade structure

圖7 多翼離心風(fēng)機(jī)中心截面速度分布Fig.7 Mainstream velocity distribution in the central section of multi-blades centrifugal fan

2.1.3 偏心葉輪

多翼離心風(fēng)機(jī)的離散噪聲與葉輪和蝸舌的相對(duì)位置有著較為密切的關(guān)系，因此，優(yōu)化葉輪與蝸舌的位置匹配能起到控制噪聲的作用。根據(jù)多翼離心風(fēng)機(jī)的CFD計(jì)算結(jié)果，葉道內(nèi)尤其是靠近蝸舌區(qū)域的葉道內(nèi)存在連續(xù)的流動(dòng)渦，阻塞了葉道并產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流噪聲。李爍等[20]在此基礎(chǔ)上提出偏心葉輪的優(yōu)化方案，以偏移量L和偏移角θ（其定義如圖8所示）為參數(shù)對(duì)其流量、效率等性能進(jìn)行了CFD研究。研究結(jié)果顯示，偏移量L為10mm，偏移角θ為170°時(shí)，風(fēng)機(jī)性能最優(yōu)。如圖9葉輪通道內(nèi)流線分布圖所示，偏心葉輪在70°≤γ≤290°時(shí)，葉道內(nèi)的渦明顯變少，在290°≤γ≤330°時(shí)，葉道內(nèi)的渦基本消失。葉輪進(jìn)口氣流角和葉片進(jìn)口角幾乎完全相等，葉片前緣的低壓區(qū)完全消失，流動(dòng)分離消失，旋渦造成的阻塞得到改善，葉輪進(jìn)口氣流更加順暢，從而提高了風(fēng)機(jī)的效率和流量。偏心葉輪的試驗(yàn)結(jié)果：流量增加了1.48m3/min，效率提升了2.52%，同時(shí)噪聲也下降了1.2dB。

圖8 偏移距和偏移角示意圖Fig.8 Schematic diagram of the eccentricity and eccentric angle of multi blade centrifugal fan

圖9 葉輪通道內(nèi)流線分布圖Fig.9 Streamline distribution in the multi-blades centrifugal impeller

2.2 蝸舌改進(jìn)

蝸舌是風(fēng)機(jī)的重要組成部件，蝸舌的作用是誘導(dǎo)氣流改變運(yùn)動(dòng)方向，使氣流盡可能多的排出風(fēng)機(jī)，減少風(fēng)機(jī)中回流的產(chǎn)生。蝸舌的形狀、間距和半徑的變化都與風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的變化和噪聲的產(chǎn)生密切相關(guān)。多翼離心風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣體通過葉片的作用會(huì)沖擊蝸舌結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)周期性的壓力脈動(dòng)和速度脈動(dòng)，使風(fēng)機(jī)在工作過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲。壓力脈動(dòng)和速度脈動(dòng)也會(huì)在葉片上形成不穩(wěn)定的作用力，使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生離散噪聲。研究指出：蝸舌是多翼離心風(fēng)機(jī)的主要噪聲源之一，因此蝸舌的設(shè)計(jì)和優(yōu)化直接關(guān)系到多翼離心風(fēng)機(jī)的性能和噪聲[21]。

2.2.1 仿生蝸舌

長(zhǎng)耳鸮在自然進(jìn)化過程中，獲得了靜音飛行的能力，為進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)提高吸油煙機(jī)氣動(dòng)性能提供了靈感。劉小民等[22]將長(zhǎng)耳鸮翅膀的前緣型線結(jié)構(gòu)應(yīng)用到吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)蝸殼蝸舌的設(shè)計(jì)中。通過對(duì)長(zhǎng)耳鸮翼型進(jìn)行CFD研究發(fā)現(xiàn)，其翼展方向40%截面翼型具有最佳氣動(dòng)性能，取其前緣的6.5%對(duì)風(fēng)機(jī)的蝸舌進(jìn)行仿生重構(gòu)設(shè)計(jì)，使鸮翼翼型下側(cè)型線盡可能的與原型蝸舌下側(cè)型線重合，重構(gòu)形成仿生蝸舌[23]，如圖10所示。對(duì)仿生蝸舌進(jìn)行CFD模擬，結(jié)果如圖11所示，仿生蝸舌附近流動(dòng)域內(nèi)壓力梯度分布比較均勻，劇烈變化區(qū)域明顯減小，逆壓梯度區(qū)基本消失，表明仿生蝸舌具有較好的分流效果，蝸舌區(qū)域的流動(dòng)得到優(yōu)化，從而提高了風(fēng)機(jī)效率，減小了風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲。試驗(yàn)表明，前緣蝸舌風(fēng)機(jī)的風(fēng)量較原型風(fēng)機(jī)增加了1.9m3/min，噪聲下降了1.6dB，效率提高了3.8%。

圖10 仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)Fig.10 Bionic volute tongue inspired by the leading edge of owl wing

圖11 蝸舌處壓力云圖Fig.11 Pressure distribution near the volute tongue

2.2.2 傾斜蝸舌

對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行CFD分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪帶動(dòng)的氣體沒有全部從蝸舌處流出，而有少部分空氣流入葉片間進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部，出現(xiàn)明顯的反向二次流現(xiàn)象，造成能量損失。基于此原理，付雙成等[24]將傾斜蝸舌運(yùn)用到多翼離心風(fēng)機(jī)中。傾斜蝸舌減小了反向二次流，更有利于提高風(fēng)機(jī)性能，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。壓力在風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)空間呈非對(duì)稱分布，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)在葉輪內(nèi)側(cè)形成負(fù)壓區(qū)，且負(fù)壓區(qū)域向葉輪中心擴(kuò)散，壓力逐漸升高。壓力最小值出現(xiàn)在葉輪端部的高速區(qū)域，且向周圍擴(kuò)散，傾斜蝸舌對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的壓力場(chǎng)影響較小[25]。在相同轉(zhuǎn)速下，多翼離心式風(fēng)機(jī)采用傾斜蝸舌結(jié)構(gòu)，流量降低了5.6%，但是葉輪的功率也相應(yīng)下降了9.13%，較大程度降低了風(fēng)機(jī)能耗，最大降低噪聲4.2dB。

圖12 傾斜蝸舌示意圖Fig.12 Inclined volute tongue structure

2.2.3 階梯蝸舌

傳統(tǒng)的多翼離心風(fēng)機(jī)，其蝸舌與葉輪外緣的間距要有一個(gè)最佳范圍。間距過小，氣流流過蝸舌與葉輪外緣的間隙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嘯叫聲；間距過大，氣流對(duì)蝸舌的沖擊情況會(huì)有所改善，但會(huì)有一部分氣流在蝸殼里隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)不停地循環(huán)，既消耗了功率，又減少了流量，同時(shí)還會(huì)與葉輪出口的氣流發(fā)生周期性地撞擊，從而產(chǎn)生低頻振蕩或共鳴，導(dǎo)致噪聲增大[26]。李棟等[27]在此基礎(chǔ)上提出了階梯蝸舌的優(yōu)化方案，結(jié)構(gòu)如圖13所示。將原來的單蝸舌結(jié)構(gòu)改成兩個(gè)蝸舌結(jié)構(gòu)，形成階梯狀，下蝸舌可用來保證風(fēng)機(jī)性能必要的間距，上蝸舌則可拉開更大的間距，以使氣流對(duì)蝸舌的沖擊情況得到改善。CFD模擬結(jié)果顯示，離心通風(fēng)機(jī)采用階梯蝸舌后，跟采用傳統(tǒng)蝸舌相比，蝸舌附近的氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有了較為明顯的改善，在較大程度上減少了氣流對(duì)蝸舌的沖擊，從而降低了噪聲。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，同傳統(tǒng)蝸舌相比，階梯蝸舌在保證性能變化不大的前提下，最大降噪效果可以達(dá)到3dB。

圖13 階梯蝸舌示意圖Fig.13 Step volute tongue structure

2.2.4 內(nèi)凹式蝸舌

圖14 兩種新型蝸舌結(jié)構(gòu)Fig.14 Two types of new volute tongue structures

喬亞光等[28-29]設(shè)計(jì)了異形內(nèi)凹式蝸舌，主要包括內(nèi)凹弧形和內(nèi)凹槽形兩種結(jié)構(gòu)，如圖14所示。采用CFD方法，研究了兩種特殊蝸舌結(jié)構(gòu)對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲的影響，揭示了蝸舌對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的增風(fēng)降噪機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明內(nèi)凹式蝸舌能降低出口區(qū)域氣體對(duì)蝸舌的沖擊，對(duì)氣流有更好的分流作用，因此能降低風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲，提高風(fēng)機(jī)的效率。在蝸舌的附近區(qū)域，產(chǎn)生的壓力梯度的強(qiáng)度和范圍更小，風(fēng)機(jī)出口處流線的曲率變小，減少流動(dòng)分離，有利于風(fēng)機(jī)出口處氣體的流動(dòng)。在風(fēng)機(jī)出口處旋渦的區(qū)域面積變小，可以增大出口的有效流通面積，有利于增加風(fēng)機(jī)流量[30]。風(fēng)機(jī)采用內(nèi)凹弧形蝸舌和內(nèi)凹槽蝸舌，噪聲在整個(gè)頻段都低于采用傳統(tǒng)蝸舌的風(fēng)機(jī)，如圖15所示。在4 000Hz之前的低頻區(qū)域降噪效果更加明顯，其中內(nèi)凹槽蝸舌的降噪效果最好。試驗(yàn)表明，帶有內(nèi)凹弧形蝸舌的風(fēng)機(jī)噪聲下降了1.4dB，風(fēng)量提高0.23m3/min；帶有內(nèi)凹槽形蝸舌的風(fēng)機(jī)噪聲下降了1.7dB，風(fēng)量提高0.17m3/min。

圖15 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)倍頻程頻譜圖Fig.15 Octave spectrum of A-weighted sound pressure level

2.3 箱體及其它部件優(yōu)化

箱體是吸油煙機(jī)的主要部件之一，在滿足設(shè)計(jì)美學(xué)要求的基礎(chǔ)上，還擔(dān)負(fù)著有效攏煙的作用。當(dāng)油煙進(jìn)入箱體之后，一部分油煙會(huì)上升到箱體頂部滯留，不利于煙氣的及時(shí)排出，在箱體上部產(chǎn)生渦流，這也是渦流噪聲的一部分來源[31]。合理的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能提高吸油煙機(jī)的整機(jī)氣動(dòng)性能，目前在風(fēng)道系統(tǒng)數(shù)值仿真中增加了對(duì)箱體結(jié)構(gòu)的研究。

2.3.1 蝸殼位置

由于箱體尺寸的限制，蝸殼在機(jī)箱中的相對(duì)位置對(duì)吸油煙機(jī)的性能有一定的影響。目前大部分雙吸式吸油煙機(jī)的多翼離心風(fēng)機(jī)在箱體中的位置并不是處于箱體中間位置，一般是將電機(jī)側(cè)的進(jìn)風(fēng)口與箱體之間的間隙減小，以增加非電機(jī)側(cè)的進(jìn)風(fēng)區(qū)域面積[32]，針對(duì)蝸殼在機(jī)箱中的放置進(jìn)行了數(shù)值研究。以電機(jī)側(cè)相對(duì)寬度為參數(shù)，分別研究了0.37，0.40，0.44和0.50四種不同寬度對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響。其中相對(duì)寬度定義為:WM/(WM+W)，WM為電機(jī)側(cè)寬度，W為非電機(jī)側(cè)寬度[33]，如圖16所示。通過對(duì)不同相對(duì)寬度參數(shù)時(shí)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得結(jié)果如圖17所示。從圖中可以看出，當(dāng)相對(duì)寬度在0.5到0.4之間變化時(shí)，吸油煙機(jī)的性能隨著相對(duì)寬度的減小穩(wěn)步提升，但如果進(jìn)一步減小相對(duì)寬度，吸油煙機(jī)的性能將會(huì)下降。當(dāng)相對(duì)寬度為0.4時(shí)，吸油煙機(jī)具有最佳的氣動(dòng)性能。

圖16 箱體中蝸殼位置結(jié)構(gòu)圖Fig.16 The relative position of the volute in the hood box

圖17 相對(duì)寬度對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響Fig.17 Effects of the relative width of the volute on the fan performance

2.3.2 分流裝置

對(duì)吸油煙機(jī)整機(jī)進(jìn)行CFD模擬，其內(nèi)部速度分布如圖18所示?？梢钥闯?，吸油煙機(jī)吸氣后，在蝸殼下部有一低速區(qū)，油煙在撞擊蝸殼后，部分能量損失，且會(huì)增加煙機(jī)內(nèi)的渦流噪聲[34]。針對(duì)這個(gè)問題，提出了一種分流降噪裝置，結(jié)構(gòu)如圖19所示，該裝置能將吸油煙機(jī)進(jìn)口處吸入的氣體進(jìn)行分流，有效減小氣體對(duì)蝸殼的撞擊與低速區(qū)面積，降低能量的損失。測(cè)試結(jié)果表明：吸油煙機(jī)的風(fēng)量增加了0.65m3/min，噪聲下降了0.83dB。

圖18 吸油煙機(jī)內(nèi)速度分布Fig.18 Velocity distribution in the range hood

圖19 用于降噪的分流裝置Fig.19 Shunt device used for noise reduction

2.3.3 集流器優(yōu)化

集流器作為進(jìn)口導(dǎo)流裝置對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的性能也有著重要的影響。集流器的設(shè)計(jì)參數(shù)如果選擇不合理，會(huì)惡化風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，使吸油煙機(jī)整體性能下降[35]。對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)口集流器的出口直徑d0與軸向間隙δ兩個(gè)參數(shù)（如圖20所示）進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，得出最佳集流器參數(shù)。計(jì)算結(jié)果如圖21所示，優(yōu)化集流器后的風(fēng)機(jī)在蝸殼靠近出口區(qū)域，速度的分離現(xiàn)象明顯減少，出口速度的分布更加均勻，蝸舌附近的流道內(nèi)流動(dòng)分離現(xiàn)象得到改善。優(yōu)化集流器后的風(fēng)機(jī)在葉輪出口的速度沿蝸殼開口方向逐漸增大，在蝸殼出口處達(dá)到最大，明顯大于原型風(fēng)機(jī)的速度，徑向速度的分布相比原型風(fēng)機(jī)更加均勻，說明集流器會(huì)影響氣體從軸向轉(zhuǎn)為徑向所需的時(shí)間。優(yōu)化集流器后的風(fēng)機(jī)的靜壓分布更為均勻，流動(dòng)更為順暢，使風(fēng)機(jī)效率與風(fēng)量都得到了提升[36]。結(jié)果表明：采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的集流器，吸油煙機(jī)用多翼離心風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量增加了6.0%，效率提升了2.6%。

圖20 集流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.20 The inlet guide ring

圖21 多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)速度矢量分布Fig.21 Velocity distribution in a multi-blades centrifugal fan

3 總結(jié)與展望

1）本文給出了基于CFD技術(shù)的吸油煙機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能優(yōu)化流程，結(jié)合多翼離心風(fēng)機(jī)葉片、葉輪、蝸舌、集流器等結(jié)構(gòu)和性能的改進(jìn)，闡述了CFD技術(shù)在吸油煙機(jī)增風(fēng)-升壓-降噪等性能優(yōu)化過程中的作用和應(yīng)用。

2）目前對(duì)吸油煙機(jī)的性能優(yōu)化多集中在多翼離心風(fēng)機(jī)部分，對(duì)吸油煙機(jī)箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究相對(duì)還比較少，然而試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明箱體結(jié)構(gòu)對(duì)吸油煙機(jī)的攏煙效果和風(fēng)量有著重要的影響。因此，吸油煙機(jī)箱體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)將是進(jìn)一步提升吸油煙機(jī)性能的發(fā)展方向。

3）在吸油煙機(jī)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試中，常以空氣代替煙氣來測(cè)量吸油煙機(jī)的性能，在CFD分析中的工作介質(zhì)也采用的是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下的空氣。然而油煙的物性與空氣的物性是不同的，要獲得良好的用戶體驗(yàn)，就需要考慮采用烹飪過程中產(chǎn)生的油煙作為工作介質(zhì)來進(jìn)行吸油煙機(jī)的性能分析。

[1]張丹.從生活方式的角度研究中國(guó)抽油煙機(jī)[D].江南大學(xué)，2002.

[2]劉小民，王星，湯虎，等.我國(guó)吸油煙機(jī)性能改進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展[J].輕工機(jī)械，2011，29(3):122-127.

[4]葉軍.新型吸油煙機(jī)的概念性設(shè)計(jì)理念(上)[J].家電科技，2009(11):56-58.

[5]佚名.新標(biāo)油煙機(jī)淘汰三成[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2010(21):23-23.

[6]林國(guó)漢，安靜，楊倩，等.探討CFD軟件在吸油煙機(jī)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)開發(fā)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].日用電器，2016(10):40-48.

[7]何立博，唐中洋，胡承杰，等.吸油煙機(jī)氣動(dòng)性能的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究[C].2016年中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì)論文集，2016.

[8]劉逸.吸油煙機(jī)噪聲建模與降噪研究[C].2016年中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì)論文集，2016.

[9]Ffowcs Williams J E，Hawkings D L.Sound generation by turbulence and surfaces in arbitrary motion[J].Philosophical Transactions ofthe RoyalSociety ofLondon， Series A，Mathematical and Physical Sciences，1969，264(1151):321-342.

[10]Moon Y J，Yong C，Nam H S.Computation of unsteady viscous flow and aeroacoustic noise of cross flow fans[J].Computers&Fluids，2003，32(32):995-1015.

[11]Liu Q，Qi D，Mao Y.Numerical calculation of centrifugal fan noise[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C:Journal of Mechanical Engineering Science，2006，220(8):1167-1177.

[12]韓忠華，宋文萍，喬志德.基于FW-H方程的旋翼氣動(dòng)聲學(xué)計(jì)算研究[J].航空學(xué)報(bào)，2003，24(5):400-404.

[13]馮黔軍，徐茂青.吸油煙機(jī)性能指標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].家電科技，2012(12):44-46.

[14]馬胤任.多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化與降噪研究[D].華中科技大學(xué)，2015.

[15]劉路.多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

[16]劉小民，趙嘉，李典.單圓弧等厚葉片前后緣多元耦合仿生設(shè)計(jì)及降噪機(jī)理研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49(3):1-10.

[17]秦志剛.多元耦合仿生葉片對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能的影響[D]．西安交通大學(xué)，2017．

[18]李淼，趙軍.小型多翼離心風(fēng)機(jī)葉片斜切分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2012(4):9-12.

[19]毛全有.多翼離心風(fēng)機(jī)葉片分段設(shè)計(jì)的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29(10):1401-1403.

[20]李爍，劉小民，秦志剛.偏心葉輪對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲影響的數(shù)值研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2017(1):18-24.

[21]劉路，姜獻(xiàn)峰.多翼離心風(fēng)機(jī)主要部件對(duì)風(fēng)機(jī)流動(dòng)特性影響的研究現(xiàn)狀[J].輕工機(jī)械，2009，27(5):4-7.

[22]劉小民，李爍.仿鸮翼前緣蝸舌對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲的影響[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49(1):14-20.

[23]李爍.多翼離心風(fēng)機(jī)流動(dòng)與噪聲分析及其改進(jìn)設(shè)計(jì)[D]．西安交通大學(xué)碩士論文，2015．

[24]付雙成，劉雪東，鄒鑫，等.傾斜蝸舌對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)及噪聲的影響[J].噪聲與振動(dòng)控制，2013，33(3):87-89.

[25]葉舟，王企鯤，鄭勝.離心通風(fēng)機(jī)蝸舌及進(jìn)口流動(dòng)的數(shù)值模擬分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008(5):15-19.

[26]吳讓利.礦用離心風(fēng)機(jī)階梯蝸舌降噪機(jī)理數(shù)值研究[J].煤礦機(jī)械，2017，38(1):21-23.

[27]李棟，顧建明.階梯蝸舌蝸殼降噪的分析和實(shí)現(xiàn)[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2005(3):3-5.

[28]喬亞光.異形蝸舌對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能影響的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究[D]．西安交通大學(xué)碩士論文，2017．

[29]劉小民，喬亞光，秦志剛，等.一種多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)[P].中國(guó)專利:CN201620076980.8，2016-6-29.

[30]劉小民，喬亞光，秦志剛，等.一種多翼離心風(fēng)機(jī)中的風(fēng)機(jī)葉片[P].中國(guó)專利:CN201620076052.1，2016-11-30.

[31]胡煜，張峻霞，王慰慰.CXW-180-JXD28型吸油煙機(jī)振動(dòng)和噪聲測(cè)試分析[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25(5):41-44.

[32]陳聰聰，耿文倩，李景銀，等.抽油煙機(jī)內(nèi)多翼離心風(fēng)機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)的數(shù)值優(yōu)化[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2016(4):45-51.

[33]魏銘，楊羅娜，李典，等.吸油煙機(jī)內(nèi)風(fēng)道系統(tǒng)性能優(yōu)化研究[C].2017年中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)和流體機(jī)械學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2017.

[34]湯娟，付祥釗，范軍輝.一種新型分流三通風(fēng)機(jī)的可調(diào)性和穩(wěn)定性研究[J].暖通空調(diào)，2013，43(8):103-107.

[35]Kind R J，Tobin M G.Flow in a centrifugal fan of the squirrel cage type[J].Journal of Turbomachinery.1990，112(1):84-90.

[36]Montazerin N，Damangir A，Mirzaie H.Inlet induced flow in squirrel-cage fans[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A:Journal of Power and Energy，2000，214(3):243-253.

A Review on the Performance Improvement and Structural Optimization of Multi-Blade Centrifugal Fan of Range
Hoods Based on CFD Method

Xiao-min LiuLuo-na Yang
（School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University）

Computational fluid dynamics(CFD)is playing an increasingly important role in the product development and performance optimization of range hoods.The basic principles and the usage of CFD methods are summarized for the development and application in the hood industry.In this paper,research activities and results for the structural improvement and performance optimization of the impeller,volute tongue,hood box and other components used in the range hood in recent years based on CFD are discussed.

range hood,multi-blades centrifugal fan,computational fluid dynamics,optimal design,performance improvement,aerodynamic noise

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51676152）;陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（No.2014K06-24）

2017-07-27 陜西 西安 710049

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0066-9

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0012