多級吸塵器風機流場仿真分析

白聯(lián)強，宋仲康

（陸軍裝甲兵學院車輛工程系，北京 100000）

1 引言

離心風機廣泛應用于通風、除塵、抽氣等場景，在國民經(jīng)濟和國防事業(yè)中有重要作用[1]。以往學者們主要的研究對象為普通離心風機，其結構主要包括蝸殼和葉輪。該類風機具有體積大、轉(zhuǎn)速較低、真空度低、流量大等特點。研究人員通過實驗或者仿真的方法對此類風機進行研究來達到提高風機效率、平順流場、降低噪音等目的，目前成果頗多[2-4]。但是對于吸塵器風機，特別是多級吸塵器風機的研究卻比較少。該種風機廣泛的用于家用吸塵器及工業(yè)吸塵器等場景，具有結構緊湊、質(zhì)量較輕、轉(zhuǎn)速高、真空度較高、氣體流量適中等特點。所以其不僅具有普通離心風機的特點，在一定程度上還具有真空泵的特點。但是目前吸塵器風機仍然存在一些問題，如整體效率較低，約為30%；噪音較大，轉(zhuǎn)速在幾萬轉(zhuǎn)的風機噪音可達80dB 左右。通過仿真計算展示多級吸塵器風機內(nèi)部流動特點，為多級吸塵器風機的優(yōu)化設計提供理論基礎，同時為提高吸塵器工作性能提供可能性。

2 計算域模型的建立及前處理

2.1 計算域模型的建立

某型多級吸塵器風機，如圖1（a）所示。根據(jù)其實際結構和尺寸，進行流場區(qū)域的物理建模。為了便于仿真，對其三維模型進行了一定的簡化，該風機計算域模型，如圖1（b）所示。同時為了使進入和流出風機的氣流充分發(fā)展及計算收斂，離心風機進氣口及出氣口的計算域在建模時均應進行一定程度的延伸。風機外殼的橫截面為圓形，氣體出口為均布環(huán)形出口，可以使內(nèi)部流場分布更加均勻，上下兩個動葉輪相同，均采用閉式后向葉片，使風機效率能夠達到一個較高的值。

圖1 多級吸塵器風機Fig.1 Multistage Abacuum Vleaner Fan

2.2 計算域模型的前處理

計算域模型建立之后進行網(wǎng)格劃分，由于多級吸塵器風機結構復雜，采用有限體積法對各部分進行非結構網(wǎng)格劃分。畫網(wǎng)格時將計算域分為進氣口部分、上外殼部分、第一級葉輪部分、導氣輪部分、第二級葉輪部分及下外殼部分，各部分之間交界面類型設置為interface。為了提高流體仿真的準確性，對葉輪、氣體出口等關鍵部件的流場進行網(wǎng)格加密處理。

生成網(wǎng)格文件后，將其導入到Fluent 中進行數(shù)值計算[5]。采用MRF 多參考系模型模擬離心風機各部分的實際情況，上下兩級葉輪區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標系，吸塵器風機的動力來源是單相串勵電機，所以轉(zhuǎn)速較高，葉輪區(qū)域的旋轉(zhuǎn)角速度設置為：25000r/min，其它區(qū)域采用靜止坐標系。計算采用壓力基隱式求解，工作環(huán)境不考慮重力影響，湍流模型采用標準k-ε 模型，壓力-速度耦合選用SIMPLE 方法，壁面附近流動處理選用標準壁面函數(shù)法，壓力修正方程采用Standard 方式，動量方程、湍動能方程、耗散率方程的空間離散格式均選用二階迎風格式[6]。根據(jù)殘差圖的收斂情況判斷計算結果的有效性，如果收斂則仿真結果有效，反之無效。

3 流場仿真結果分析

3.1 壓力場分析

設置進氣口邊界條件為mass-flow-inlet，氣體出口邊界條件為pressure outlet。初始化流場后進行500 次的迭代計算，殘差圖中所監(jiān)測數(shù)據(jù)收斂，其仿真結果有效。對兩級吸塵器風機流場壓力云圖進行分析[7]。其子午面的靜壓分布，如圖2 所示。從圖中可以看出，由于風機結構的對稱性，靜壓云圖也表現(xiàn)出較好的對稱性；并且沿著空氣流動的方向，從進口到出口風機內(nèi)靜壓逐漸增大，這是由于旋轉(zhuǎn)葉輪對空氣做功以及風機流道的擴壓作用，在風機進口處能夠達到的最大真空度為0.0419MPa。同時在經(jīng)葉輪進入風罩（上下兩級情況類似）時，沒有葉輪對其做功并且空間增大，所以此時動能會略有降低，壓能值會升高，氣體能量基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。在導氣輪的部分真空度基本不變。

圖2 子午面靜壓云圖Fig.2 Meridian Plane Static Pressure Cloud Chart

上下兩級動葉輪的靜壓云圖，如圖3 所示。從圖中可以看出，兩級葉輪的靜壓分布均呈現(xiàn)良好的對稱性，有助于減小葉輪本身的振動，提高其穩(wěn)定性。同時由于葉輪旋轉(zhuǎn)做功，使得靜壓隨葉輪半徑的增加不斷升高，且第一級葉輪的變化速率相較于第二級更快。在葉輪中心處存在一個靜壓值的最低區(qū)域，其它位置由于流阻等原因，真空度要低于此處。

圖3 葉輪回轉(zhuǎn)面靜壓云圖Fig.3 Static Pressure Cloud Diagram of Rotary Surface of Impeller

3.2 速度場分析

設置進氣口邊界條件為pressure inlet，氣體出口邊界條件為pressure outlet。得到如圖4 所示的風機子午面及葉輪的速度云圖分布[8]，根據(jù)圖中顯示，在進口段空氣速度基本保持不變，在進入一級葉輪入口區(qū)域速度反而下降，經(jīng)由葉輪旋轉(zhuǎn)加速作用，速度沿著半徑方向逐漸增加，進入外殼后，由于動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，速度再次下降，第二級葉輪同理。在兩級葉輪流道區(qū)域，其速度數(shù)值大小、梯度變化等方面極為相似且分布均勻。同時由于葉輪進口直徑大于其上方氣體入口直徑，在圖4（a）紅框區(qū)域存在速度異?，F(xiàn)象，這是由于空氣在進入葉輪進口時充分發(fā)展，在該處存在回流現(xiàn)象并因此產(chǎn)生漩渦所導致，該區(qū)域速度矢量圖，如圖5 所示。

圖4 速度云圖Fig.4 Velocity Cloud Picture

圖5 紅框區(qū)域速度矢量圖Fig.5 Red Frame Area Velocity Vector Diagram

4 極限真空度影響因素分析

4.1 風機級數(shù)

離心風機中，級數(shù)指的是旋轉(zhuǎn)葉輪的數(shù)量。通過仿真得到單級吸塵器風機的子午面靜壓云圖，如圖6 所示。其氣體進口處最大真空度約為0.0205MPa，相比于兩級形式，真空度下降了50%左右。由于單級葉輪相比于兩級葉輪對空氣的做功較低，所以導致其真空度值也低于原模型，同時整體升壓也相對于兩級葉輪情況時小。風機葉輪級數(shù)對真空度的影響主要取決于葉輪對空氣做功的大小，隨著風機級數(shù)的增加，對空氣的做功增大，其真空度逐漸增加。

圖6 子午面靜壓云圖Fig.6 Meridian Plane Static Pressure Cloud Chart

4.2 氣體出口方式

目前吸塵器電風機主要的出口方式有兩種：單出口式、均布環(huán)狀出口式。單出口吸塵器風機進口處最大真空度約0.0196MPa，通過對比發(fā)現(xiàn)兩種氣體出口方式的離心風機所得到的真空度基本相同，均布環(huán)狀氣體出口方式真空度稍大一點。如圖7 所示為兩種情況下葉輪處的速度矢量圖，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，后者的流場相對于前者更加平順，單出口風機的流場中存在較多的漩渦，影響風機中空氣的流動，增加了能量的損失，所以采用均布環(huán)狀出口方式的吸塵器風機的最大真空度要略高于單出口式的風機。

圖7 葉輪回轉(zhuǎn)面速度矢量圖Fig.7 Velocity Vector Diagram of Leaf Return Surface

4.3 吸塵器電風機轉(zhuǎn)速

圖8 葉輪轉(zhuǎn)速-真空度關系圖Fig.8 Relationship Between Impeller Speed and Vacuum Degree

風機實際上是一種能將電能轉(zhuǎn)化為空氣的動能和壓能的機械裝置。輸入能量的大小其直觀的表現(xiàn)就是風機轉(zhuǎn)速的快慢，為了研究葉輪轉(zhuǎn)速對吸塵器電風機入口真空度的影響，在之前所做仿真的基礎上，通過改變?nèi)~輪的旋轉(zhuǎn)速度[9]，對單級和多級兩種風機（環(huán)形出口）進行仿真，計算轉(zhuǎn)速和真空度之間的關系。兩種吸塵器電風機不同葉輪轉(zhuǎn)速時其入口最大真空度的值，如圖8 所示。從圖中可以分析出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，風機所能產(chǎn)生的最大真空度逐漸上升，并且其增長速率逐漸增加；相同轉(zhuǎn)速下，多級風機的最大真空度高于單級風機，同時多級風機的增長速率比單級的增速快。但是由于真空度存在限制，所以最終真空度的值將趨于平穩(wěn)。

5 結論

通過CFD 方法對多級吸塵器電風機內(nèi)部流場進行了仿真分析，得到了如下結論。（1）計算出了其內(nèi)部壓力分布情況，整體呈現(xiàn)對稱狀態(tài)，真空度在進口處達到最大值且相對于普通風機要高很多；（2）研究了內(nèi)部空氣的速度分布情況，找到了回流導致的氣體流動的異常區(qū)域。（3）風機級數(shù)越高，最大真空度的值越大，兩級吸塵器電風機的真空度最大值比一級情況高出了50%；通過對比兩種氣體出口方式，發(fā)現(xiàn)兩種情況真空度基本相同，但是單出口方式內(nèi)部流場更加復雜，存在較多漩渦；真空度隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加逐漸增大，多級風機的增長速率比單級的增速更快。