蝸舌深度對離心風(fēng)機(jī)氣動性能和噪聲影響研究

李建建

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

新風(fēng)空調(diào)在傳統(tǒng)空調(diào)基礎(chǔ)上增加了新風(fēng)模塊，可以有效地將室外空氣經(jīng)過濾后引導(dǎo)至室內(nèi)，從而提升室內(nèi)新鮮空氣含量，避免室內(nèi)沉悶。目前新風(fēng)模塊主流采用離心風(fēng)機(jī)，但受限于殼體尺寸和新風(fēng)進(jìn)風(fēng)方式，離心風(fēng)機(jī)普遍效率低、噪聲高。

針對離心風(fēng)機(jī)氣動性能和噪聲的改善，眾多學(xué)者在葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。在蝸殼總體型線設(shè)計方面，李佳峻等［1］提出了一種控制周向截面積分布的蝸殼設(shè)計方法。向同瓊等［2］對目前幾種主流的蝸殼型線設(shè)計方法的特點及適用范圍進(jìn)行了總結(jié)。李艷等［3］基于變螺旋角蝸殼設(shè)計方法，對蝸殼起始、終端螺旋角進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后A 聲級降低4.04 dB。為適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品小型化需求，眾多學(xué)者也對蝸殼小型化進(jìn)行了相關(guān)研究［4-6］。文乾等［7］考慮氣體的黏性，對一維型線設(shè)計得到的蝸殼外形進(jìn)行修正，使氣流更加符合真實流動情況。在蝸殼局部參數(shù)優(yōu)化方面，張磊等［8］對蝸殼出口擴(kuò)張角θ、蝸舌半徑r、蝸舌間隙t進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。劉小民等［9］研究了仿鸮翼前緣蝸舌對多翼離心風(fēng)機(jī)氣動性能和噪聲的影響。也有眾多學(xué)者研究了蝸殼寬度和傾斜蝸舌對風(fēng)機(jī)氣動性能和聲學(xué)特性的影響［10-12］。閆瑩等［13-14］基于有限元對離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲進(jìn)行了研究。雷健等［15］對多翼離心風(fēng)機(jī)出口漩渦成因進(jìn)行了分析，提出了抑制方法并進(jìn)行了驗證。以往研究主要著重于整體蝸殼型線的設(shè)計，在蝸殼局部參數(shù)優(yōu)化方面，也主要著重于研究蝸舌型線、出風(fēng)口型線、蝸舌間隙等，對于蝸舌深度的研究，相對較少。本文以蝸舌深度為研究對象，通過仿真與試驗方法研究其對新風(fēng)空調(diào)離心風(fēng)機(jī)氣動性能和噪聲的影響。

1 研究對象

新風(fēng)空調(diào)的新風(fēng)單元結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，其中進(jìn)風(fēng)口連接穿墻的新風(fēng)管。蝸殼及葉輪如圖2 所示，其中葉輪直徑140 mm，葉高40 mm，蝸舌為圓弧型線。

圖1 新風(fēng)單元結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of fresh air unit

圖2 蝸殼及葉輪Fig.2 Volute and blade

通過葉輪中心做蝸殼出口截面的法線，以該法線為基準(zhǔn)線，連接葉輪圓心和蝸舌型線圓心，該線條與基準(zhǔn)線的夾角即為蝸舌圓心位置角A，以該角度來表征蝸舌深度，蝸殼出口寬度為B。

2 仿真模型及準(zhǔn)確性驗證

建立三維仿真模型，將進(jìn)、出口計算域適當(dāng)延長，基于ANSYS Mesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對葉輪旋轉(zhuǎn)域及蝸殼進(jìn)行加密處理，葉輪旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格為3 386 520，蝸殼網(wǎng)格數(shù)量為2 256 580，整體計算域網(wǎng)數(shù)量為8 652 370，網(wǎng)格扭曲度＜0.75。

基于ANSYS Fluent 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解計算，采用RNGk-ε湍流模型，進(jìn)口邊界條件采用0 全壓入口，出口邊界給定質(zhì)量流量，動量、湍流耗散項、湍流動能均采用二階迎風(fēng)格式。

全壓-流量曲線和效率-流量曲線仿真與試驗值如圖3 所示?？煽闯鋈珘?流量曲線仿真與試驗值趨勢一致，最大相對誤差為5.60%；效率-流量曲線仿真與試驗值趨勢一致，最大誤差為2.48%，仿真模型準(zhǔn)確度較高。

圖3 風(fēng)機(jī)氣動性能仿真與試驗值Fig.3 Comparison of experimental and simulated results for aerodynamic performance

3 仿真計算結(jié)果分析

設(shè)計不同深度的蝸舌結(jié)構(gòu)，相關(guān)參數(shù)見表1，其中A10 為原始蝸殼方案，分別對各方案進(jìn)行仿真求解計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

表1 不同深度蝸舌結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters for volute tongue with different depth

3.1 外特性曲線分析

基于額定流量45 m3/h 工況點，對不同蝸舌深度蝸殼進(jìn)行仿真，風(fēng)機(jī)的全壓和全壓效率隨蝸舌深度變化趨勢如圖4 所示?？梢钥闯?，隨著蝸舌深度增加，風(fēng)機(jī)全壓值和全壓效率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，全壓值變化幅度較小，差值在10 Pa 以內(nèi)；全壓效率變化較大，最大差值可達(dá)23%。蝸舌圓心位置角最佳值為30°，對應(yīng)的蝸殼出口寬度為60.9 mm，此時仿真全壓值為167.2 Pa，較原始蝸殼提高5 Pa，全壓效率為51.24%，較原始蝸殼提高17.28%。

圖4 不同蝸舌深度下風(fēng)機(jī)仿真全壓和全壓效率Fig.4 Simulated total pressure and total pressure efficiency for the fan with different volute tongues

進(jìn)一步選取A10（原始蝸殼），A30，A40 共3個方案蝸殼，對不同流量下風(fēng)機(jī)外特性曲線進(jìn)行對比分析。圖5 示出不同方案下風(fēng)機(jī)的全壓-流量特性曲線?？梢钥闯?，在25～60 m3/h 流量范圍內(nèi)，隨著蝸舌深度的增加，風(fēng)機(jī)仿真全壓值有小幅度提升，A30，A40 較A10（原始蝸殼）提升約3～7 Pa。在25～45 m3/h 流量范圍內(nèi)，A30 全壓值略高于A40；在45～60 m3/h 流量范圍內(nèi)，A30 全壓值略低于A40。

圖5 全壓-流量性能曲線Fig.5 Total pressure-flow curve

圖6示出不同方案下風(fēng)機(jī)的全壓效率-流量特性曲線，可以看出，在25～60 m3/h 流量范圍內(nèi)，隨著蝸舌深度增加，風(fēng)機(jī)仿真全壓效率有所提升。其中，A10（原始蝸殼），A30，A40 這3 個方案風(fēng)機(jī)的最佳全壓效率點對應(yīng)的流量依次為55，45，35 m3/h。在25～35 m3/h 流量范圍內(nèi)，A40 方案風(fēng)機(jī)全壓效率高于A30 方案；在40～60 m3/h 流量范圍內(nèi)，A30 方案風(fēng)機(jī)全壓效率高于A40 方案。在額定流量45 m3/h 工況點，A30 方案風(fēng)機(jī)全壓效率為51.24%，較A10（原始蝸殼）方案提高17.28%，較A40 方案提高5.02%。

圖6 全壓效率-流量性能曲線Fig.6 Total pressure efficiency-flow curve

3.2 流場分析

基于額定流量45 m3/h 工況點，對上述3 種蝸殼方案進(jìn)行流場分析。圖7 示出1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面速度云圖，可以看出，A10（原始蝸殼）方案在蝸殼擴(kuò)壓段靠近蝸舌附近區(qū)域存在較大面積的低風(fēng)速區(qū)，約占整個出口域面積的1/3。A30，A40 方案增加蝸舌深度后，低風(fēng)速區(qū)域基本消除，即消除了無效流動區(qū)域，整個擴(kuò)壓段風(fēng)速分布更加均勻。

圖7 1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面速度云圖Fig.7 Velocity contour for blade and volute at 1/2 blade height section

進(jìn)一步分析1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面速度矢量，如圖8 所示?？梢钥闯?，A10（原始蝸殼）方案蝸殼擴(kuò)壓段低風(fēng)速區(qū)域的大部分氣流并未從蝸殼出口流出，而是重新進(jìn)入到蝸殼內(nèi)部，進(jìn)行下一次循環(huán)，部分氣流甚至從葉片之間的流道逆向流出，約占3 個流道，且回流速度較高。A30，A40方案通過增加蝸舌深度，切除了無效流動區(qū)域，氣流在擴(kuò)壓段處流動明顯改善，大部分氣流能夠順利通過擴(kuò)壓段，從蝸殼出口流出，對應(yīng)的回流葉道數(shù)量由3 個減少至2 個，且葉道間氣流回流速度明顯減弱，從而減少了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時無用功，風(fēng)機(jī)效率提高。離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲主要包含離散噪聲和寬頻噪聲，根據(jù)以往的試驗數(shù)據(jù)得知，新風(fēng)機(jī)的寬頻噪聲對噪聲總值貢獻(xiàn)量較大，而寬頻噪聲則主要由風(fēng)道中的渦流流動產(chǎn)生。對比3 個方案擴(kuò)壓段處氣流流動可知，A10 方案擴(kuò)壓段遠(yuǎn)離蝸舌處氣流能夠良好出流，而靠近蝸舌的低風(fēng)速區(qū)域氣流則與主干氣流產(chǎn)生了分離，流動分離易產(chǎn)生壓差阻力，從而破壞流動穩(wěn)定性，致使渦流生成，產(chǎn)生渦流噪聲。A30，A40 方案增加蝸舌深度后，切除了流動不穩(wěn)定區(qū)域，從而能夠有效降低擴(kuò)壓段處的渦流噪聲，達(dá)到降低風(fēng)機(jī)噪聲總值的目的。

圖8 1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面速度矢量圖Fig.8 Velocity vectors for blade and volute at 1/2 blade height section

圖9示出1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面湍動能云圖，湍動能與湍流速度漲落方差及流體質(zhì)量成正比，能夠反映介質(zhì)流動過程中速度波動程度，即流動穩(wěn)定性?？梢钥闯觯摻孛嫣嶢10（原始蝸殼）方案葉輪及蝸殼湍動能明顯高于A30，A40 方案，在葉輪和蝸舌附近區(qū)域表現(xiàn)尤為突出，其流動穩(wěn)定性弱于A30，A40 方案，不穩(wěn)定的流動易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生渦流，從而增大渦流噪聲，同時導(dǎo)致風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流流動損失較高，無效功增加，從而導(dǎo)致寬頻噪聲升高、風(fēng)機(jī)效率降低。進(jìn)一步對比A30，A40 方案可知，A40 方案整體湍動能高于A30 方案，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)噪聲會高于A30 方案、風(fēng)機(jī)效率低于A30 方案。在葉輪內(nèi)部區(qū)域、擴(kuò)壓段區(qū)域表現(xiàn)較為突出，主要是由于蝸舌深度進(jìn)一步增加后，蝸殼出口寬度減小，從而導(dǎo)致出風(fēng)阻力增加，同等流量條件下A40 方案風(fēng)機(jī)做功較A30 增加，相應(yīng)的湍動能隨之上升。在蝸舌與葉輪之間的通道區(qū)域，A30 方案湍動能則高于A40 方案，主要是由于A40 方案蝸舌深度較A30 方案進(jìn)一步增加，從而減少了葉輪裸露的葉片數(shù)目，此處的氣流流動進(jìn)一步趨于穩(wěn)定。綜上對比3 種蝸殼方案，在額定流量45 m3/h 工況下，A30 方案風(fēng)機(jī)性能最優(yōu)。

圖9 1/2 葉高處葉輪及蝸殼截面湍動能云圖Fig.9 Turbulent kinetic energy contour for blade and volute at 1/2 blade height section

4 試驗驗證

分別對A10（原始蝸殼），A30，A40 方案制作手板樣件，在空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點實驗室進(jìn)行整機(jī)風(fēng)機(jī)性能及噪聲測試，相關(guān)測試方法參考國家標(biāo)準(zhǔn)，測試結(jié)果見表2。

表2 試驗結(jié)果Tab.2 Experimental results

從測試結(jié)果可以看出，在額定流量45 m3/h 工況下，A30 方案風(fēng)機(jī)性能及噪聲水平最優(yōu)，A40 方案次之，兩者均優(yōu)于A10（原始蝸殼）方案。其中A30 方案較A10 方案功率降低7.8 W，且噪聲降低1.7 dB，即通過適當(dāng)增加蝸舌深度，能夠減少風(fēng)機(jī)無效做功，同時改善風(fēng)機(jī)噪聲，與仿真結(jié)果一致。A40 方案功率和噪聲較A30 方案有所增加，即過度增加蝸舌深度后，相應(yīng)的蝸殼出口寬度過小，導(dǎo)致出風(fēng)口面積減小，出風(fēng)阻力有所增加，為達(dá)到相同的流量，需要增加風(fēng)機(jī)做功，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)功率噪聲也有所提升，與仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)論

（1）蝸舌深度對蝸殼擴(kuò)壓段以及附近葉道間區(qū)域氣流流動有較大影響。當(dāng)蝸舌深度不足時，會導(dǎo)致蝸殼擴(kuò)壓段在靠近蝸舌側(cè)附近區(qū)域產(chǎn)生低風(fēng)速區(qū)域，此處區(qū)域大部分氣流與主干氣流產(chǎn)生分離，即并未從蝸殼出口流出，而是再次進(jìn)入到蝸殼內(nèi)部進(jìn)行下一次循環(huán)或者進(jìn)入到附近葉道間區(qū)域逆向流出，導(dǎo)致葉輪無效功增加，風(fēng)機(jī)效率降低；此外，不穩(wěn)定的流動導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)渦流的產(chǎn)生和湍動能增加，致使風(fēng)機(jī)噪聲增加。

（2）過度加深蝸舌結(jié)構(gòu)，雖能夠改善蝸舌與葉輪之間區(qū)域的氣流流動，但同時會導(dǎo)致蝸殼出口寬度過小，出風(fēng)口面積過小，出風(fēng)阻力增加。為達(dá)到相同流量，風(fēng)機(jī)需要做功更多，以克服阻力，風(fēng)機(jī)效率降低，同時葉輪內(nèi)部和蝸殼擴(kuò)壓段區(qū)域湍動能也隨之增加，風(fēng)機(jī)噪聲增加。

（3）適當(dāng)增加蝸舌深度能夠改善蝸殼擴(kuò)壓段處流動，提高風(fēng)機(jī)氣動性能，同時降低風(fēng)機(jī)噪聲。試驗測試結(jié)果表明，優(yōu)化后的蝸殼（A30 方案）在額定流量下功率降低7.8 W，噪聲降低1.7 dB。