基于前緣鋸齒形葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究

(1 鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院 鄭州 450002； 2 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190; 3 廣東志高空調(diào)有限公司 佛山 528244)

多翼離心風(fēng)機(jī)作為風(fēng)道系統(tǒng)的重要組成部分，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、流量系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各式空調(diào)器中[1]。改善多翼離心風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)性能一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，提出了多種針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)化方案。

隨著仿生學(xué)在工程技術(shù)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展[2]，通過(guò)研究生物的外形特征，將其運(yùn)用到現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)化創(chuàng)新中，取得了較為理想的效果。劉小民等[3]為改善單圓弧等厚度葉片前緣和后緣的流動(dòng)特點(diǎn)，將蒼鷹尾緣的齒狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到多翼離心風(fēng)機(jī)葉片中，與普通葉片相比可以顯著降低噪聲。Chen Shuming等[4]基于長(zhǎng)耳貓頭鷹的翼型結(jié)構(gòu)，在對(duì)葉片進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從葉片數(shù)目、內(nèi)外徑比等方面進(jìn)行優(yōu)化，使質(zhì)量流量增加了0.108 kg/s，噪聲值降低9.03 dB(A)。L. E. Jones等[5-6]實(shí)驗(yàn)研究了齒形結(jié)構(gòu)葉片對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，得出其能降低氣動(dòng)噪聲的結(jié)論和影響降噪效果的因素。除仿生學(xué)研究外，S. C. Lin等[7]為提高小型前彎離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，用NACA4412翼型替代原型葉片，并調(diào)整葉片入口角度，達(dá)到了提高風(fēng)機(jī)效率和降低噪聲的目的。毛全有[8]通過(guò)研究風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，葉輪的有效出風(fēng)通道主要在中后盤，提出葉片分段設(shè)計(jì)的概念。李淼等[9]采用葉片進(jìn)氣端斜切的方式，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)葉片斜切結(jié)構(gòu)能改善氣流在進(jìn)口轉(zhuǎn)彎處流動(dòng)的不均勻性，提高風(fēng)機(jī)性能。

綜合以上研究，為改善柜式空調(diào)器存在的能耗高、流動(dòng)損失大和氣動(dòng)噪聲突出的問(wèn)題，本文從多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特點(diǎn)出發(fā)，利用鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)渦流的破壞作用[10]，從葉輪前盤沿葉片前緣的1/3葉輪寬度處進(jìn)行鋸齒設(shè)計(jì)，對(duì)不同鋸齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并分析其降噪機(jī)理。最后，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究鋸齒葉片與原型葉片對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、噪聲及功率等的影響。

1 模型簡(jiǎn)化與數(shù)值計(jì)算

由于實(shí)驗(yàn)研究是以柜式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)為載體來(lái)測(cè)試風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的性能，為確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，本文對(duì)某型空調(diào)器的整機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1所示。為使進(jìn)、出風(fēng)口處的流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，在左右進(jìn)風(fēng)格柵處設(shè)置弧形進(jìn)風(fēng)口，出風(fēng)口向外延伸適當(dāng)距離[11]。由于整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在ICEM中劃分網(wǎng)格時(shí)，全部采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為560萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.2。

圖1 整機(jī)簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model for the whole machine

空調(diào)器用多翼離心風(fēng)機(jī)的葉輪由多圓弧非等厚度葉片、輪轂、后盤等組成，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 原型葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of the prototype impeller

將葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留葉片和后盤，簡(jiǎn)化后的葉輪及網(wǎng)格如圖2所示。在葉片的前緣和后緣處進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格數(shù)約為140萬(wàn)，約占網(wǎng)格總數(shù)的1/4。

圖2 葉輪網(wǎng)格圖Fig.2 Impeller grid

1.1 計(jì)算方法

穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，采用RNGk-ε兩方程湍流模型，壓力修正選擇Standard方式，離散方程均采用二階迎風(fēng)格式，壓力與速度耦合選用SIMPLE算法[12]。整機(jī)延伸區(qū)域的進(jìn)、出風(fēng)口均采用壓力進(jìn)、出口邊界條件，蒸發(fā)器采用多孔介質(zhì)模型，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用多重參考系(MRF)[13]。非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，采用大渦模擬(LES)，壓力與速度耦合采用PISO算法，時(shí)間步長(zhǎng)為1.07×10-4，計(jì)算收斂后開啟聲學(xué)模型，選擇FW-H方程進(jìn)行噪聲計(jì)算，并以葉輪、蝸殼、蝸舌為聲源。

1.2 原型機(jī)模擬結(jié)果與分析

按照相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[14]，將原型機(jī)在通風(fēng)高風(fēng)模式下測(cè)得的風(fēng)量和噪聲數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。原型機(jī)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差均在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明模型的簡(jiǎn)化和計(jì)算方法的選擇較為合理。

對(duì)原型機(jī)的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理發(fā)現(xiàn)，對(duì)于多翼離心風(fēng)機(jī)，整個(gè)葉輪葉片的前后緣均存在不同大小的渦流。而在靠近蝸殼出口側(cè)的葉片，由于出口速度和進(jìn)口氣流角均為最大[15]，沿葉輪寬度方向的整個(gè)葉間流道均存在較大渦流，圖3所示為處于葉輪中部x=60 mm處的渦量分布云圖，可見渦流的存在嚴(yán)重影響了氣流的輸出。

表2 原型機(jī)實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)Tab.2 The experimental and simulated data of the prototype machine

圖3 x=60 mm處的渦量分布Fig.3 The vorticity distribution at x=60 mm

2 鋸齒葉片設(shè)計(jì)與數(shù)值計(jì)算

2.1 葉片設(shè)計(jì)機(jī)理與方案

為確定葉片的設(shè)計(jì)方案，按照文獻(xiàn)[3]對(duì)生物翼型結(jié)構(gòu)的仿生學(xué)分析，基于幾何相似原理，以多圓弧非等厚度葉片為對(duì)象進(jìn)行研究。圖4和圖5所示分別為鋸齒葉片和鋸齒結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。葉片寬度為127 mm，葉間流道長(zhǎng)度為32 mm，葉片面積為4 064 mm2，齒高h(yuǎn)c約為2.2～4.0 mm，齒寬dc約為1.6～3.3 mm，周期ec約為2.2～4.4 mm，在上述范圍內(nèi)選擇5種參數(shù)，如表3所示。

圖4 鋸齒葉片F(xiàn)ig.4 The serrated blade

圖5 鋸齒結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.5 The parameters of the serrated structure

方案齒寬dc/mm齒高h(yuǎn)c/mm周期ec/mm13.02.54.022.62.53.632.22.53.242.22.03.252.21.53.2

2.2 鋸齒葉片數(shù)值模擬結(jié)果與分析

將5種鋸齒葉片分別在FLUENT軟件中進(jìn)行計(jì)算，模擬結(jié)果如表4所示。對(duì)比方案1、2、3，在相同齒高的情況下，齒寬越小，風(fēng)量越大，噪聲越低，轉(zhuǎn)矩和軸功率也相應(yīng)提高，方案3的各項(xiàng)性能優(yōu)于方案1、2。對(duì)比方案3、4、5，在相同齒寬的情況下，齒高越小，風(fēng)量越大，噪聲越低，但方案4較方案3的轉(zhuǎn)矩和軸功率均略有降低，整體而言轉(zhuǎn)矩和軸功率均逐漸增大，方案5的性能優(yōu)于方案3、4，說(shuō)明隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的減小，風(fēng)量逐漸增大，噪聲逐漸降低。因此，齒寬和齒高不宜過(guò)大，否則會(huì)大幅減少葉片的有效面積，增大噪聲，故方案5的整體氣動(dòng)性能較好。

表4 鋸齒葉片模擬結(jié)果Tab.4 The simulated results of the serrated blade

圖6 原型葉片與鋸齒葉片在不同截面處的渦量分布Fig.6 The vorticity distribution of the prototype and the serrated blade at different sections

圖6所示為原型葉片與方案5的鋸齒葉片在鋸齒段相同截面處(x=124.4、105.2、86.1 mm)的渦量云圖。由圖6(b)可知，靠近前盤的鋸齒對(duì)葉片前后緣及葉間渦流的改善最為明顯。在鋸齒段的中后部，如圖6(d)、圖6(f)所示，前緣渦流較圖6(c)、圖6(e)的改善較小，部分葉片前緣處的渦流還有擴(kuò)大的跡象，但從葉片后緣進(jìn)行觀察，渦流均呈減小趨勢(shì)，且圖6(f)中蝸舌處的渦流較原型葉片有較大改善?？芍?dāng)葉片前緣由圓弧狀變?yōu)殇忼X結(jié)構(gòu)后，對(duì)渦流的破壞主要針對(duì)聚集在靠近前盤的渦流，同時(shí)也改善了鋸齒段的葉片后緣和流道間的流動(dòng)特性。由于前盤附近以軸向流動(dòng)為主，徑向流速和進(jìn)口氣流角均偏小[15]，流道極易出現(xiàn)分離，在鋸齒的作用下能明顯打碎渦團(tuán)，將原來(lái)的大渦團(tuán)分割為較小渦團(tuán)，故出現(xiàn)如圖6(b)所示的流動(dòng)情況。

圖7所示為x=86.1 mm處原型葉片與鋸齒葉片的速度矢量。可以較清晰地看出，圖7(b)較圖7(a)在沿蝸舌出口型線方向的流動(dòng)更加均勻，且流量也增大，說(shuō)明鋸齒結(jié)構(gòu)不僅能減少葉片后緣渦流，還能削弱蝸舌處由于氣流的沖擊引起的壓力脈動(dòng)和邊界層分離，降低渦流噪聲和流動(dòng)損失，同時(shí)也使回流至蝸殼內(nèi)側(cè)的流量增加。

多翼離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率計(jì)算公式為[16]：

(1)

式中：n為轉(zhuǎn)數(shù)，r/min;z為葉片數(shù)；i為諧波序號(hào)(i=1,2,3,……)，i=1時(shí)，f為基頻，其值為373 Hz。為對(duì)比原型葉片與方案5的鋸齒葉片在基頻處的聲壓級(jí)，取低頻0～1 000 Hz范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其聲壓級(jí)分布如圖8所示。鋸齒葉片在基頻處的聲壓級(jí)較原型葉片降低約2 dB，說(shuō)明鋸齒葉片能降低多翼離心風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的基頻噪聲，提高風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。

圖8 原型葉片與鋸齒葉片頻譜圖Fig.8 The spectrum diagram of the prototype and the serrated blade

3 實(shí)驗(yàn)研究

通過(guò)對(duì)包括原型葉片在內(nèi)的6種葉片進(jìn)行數(shù)值分析后，最終確定方案5為最優(yōu)方案并制作葉輪模型，如圖9所示。

圖9 鋸齒葉輪模型Fig.9 The serrated impeller model

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

將原型葉輪和鋸齒葉輪分別安裝在某型柜式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)中，在與室外機(jī)不連接且處于通風(fēng)狀態(tài)的情況下，按GB/T 7725—2004的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14]進(jìn)行風(fēng)量和噪聲測(cè)試。

在風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室中，依據(jù)銘牌參數(shù)上的循環(huán)風(fēng)量，選擇直徑為70 mm和100 mm的噴嘴，并分別按高、中、低三擋的風(fēng)速模式進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)風(fēng)量實(shí)時(shí)曲線達(dá)到穩(wěn)定時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

噪聲測(cè)試在半消聲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如圖10所示，采用3560C采集分析系統(tǒng)及7700型聲學(xué)和振動(dòng)分析軟件，測(cè)試范圍為14.6～146 dB(A)。為與進(jìn)行模擬時(shí)的整機(jī)簡(jiǎn)化模型一致，拆除出風(fēng)口橫向?qū)Я魅~片，除葉輪不同外，其余零部件均不變。測(cè)試時(shí),將傳聲器放置在距室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口中心水平距離為1 m，垂直距離為0.8 m處。同樣，在不同風(fēng)速模式下，運(yùn)行30 min后且工況穩(wěn)定時(shí)，開始測(cè)試并記錄噪聲值。

圖10 半消聲實(shí)驗(yàn)室Fig.10 The semi-anechoic chamber

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5所示為兩種葉輪的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表5可知，不同風(fēng)速模式對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，且鋸齒葉輪的質(zhì)量較原型葉輪減少214 g。測(cè)試結(jié)果表明，鋸齒葉輪的整機(jī)風(fēng)量雖略有減小，但影響較小，可視為基本不變，噪聲值較原型機(jī)降低0.9～1.2 dB(A)，輸入功率降低2.75～3.55 W。因此，方案5對(duì)應(yīng)的前緣鋸齒形葉片在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)改善多翼離心風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)性能起到了積極作用。

表5 原型葉輪與鋸齒葉輪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.5 Contrast of experimental data between the prototype and serrated impeller

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，分析了前緣鋸齒形葉片對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)風(fēng)道性能的影響，總結(jié)了其降噪機(jī)理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1)對(duì)空調(diào)器用多翼離心風(fēng)機(jī)的研究表明：在葉片的前、后緣和葉間流道，以及蝸舌處均存在不同大小的渦流。因此，其降噪的關(guān)鍵在于如何優(yōu)化葉片附近的流動(dòng)情況，減少渦團(tuán)數(shù)量，抑制蝸舌處的邊界層分離，減小氣流的沖擊和壓力脈動(dòng)。

2)與原型葉片相比，鋸齒葉片能有效破壞靠近葉輪前盤前緣的渦流，降低葉片后緣及葉間流道的渦流大小，改善蝸舌處的流動(dòng)情況，提高了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。

3)在通風(fēng)狀態(tài)下，設(shè)置不同風(fēng)速模式，對(duì)柜式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量和噪聲測(cè)試，安裝有鋸齒葉片風(fēng)機(jī)的整機(jī)風(fēng)量較原型機(jī)基本不變，噪聲值降低0.9～1.2 dB(A)，輸入功率降低2.75～3.55 W，達(dá)到節(jié)能降噪的目的。

綜上所述，將前緣鋸齒形葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用于柜式空調(diào)器中，還需進(jìn)行深入研究，測(cè)試其在實(shí)際使用工況下的降噪效果和能耗狀況。