許文明 鄭祖義,, 萬忠民 金聽祥 陳煥新

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

多翼離心風機具有噪聲低、結構緊湊、較大的流量和壓力系數等優(yōu)點，被廣泛地應用在柜機家用空調上。集流器、葉輪、蝸殼是多翼離心風機的主要組成部分，集流器是引導氣體進入風機的重要結構，其中任何一個結構參數的微小變化都會對整機的性能產生重大的影響。前人對集流器的研究主要為氣流在集流器中的流動平穩(wěn)性和針對集流器背部渦流區(qū)域的研究[1-2]。Denger G R[3]研究由于用于柜機的多翼離心風機跟普通的離心風機相比一般都不帶有前盤，一般會影響到風機葉輪中傳統(tǒng)概念中的前盤附近的氣流的流動, 這也是造成風機損失和噪音產生的一個重要原因，在流量降低時更加顯著。林世楊等人[4]對集流器背部的漩渦區(qū)域做了研究，指出由于柜機多翼離心風機葉輪通常不帶前盤, 往往影響到葉輪中傳統(tǒng)概念中的“前盤”附近氣流的流動狀況, 是造成風機損失以及噪聲的一個主要來源。王嘉冰等人[5]采用CFD方法對3種不同結構型式集流器的風機進行整機模擬計算, 通過研究集流器型式的變化對柜式空調用多翼離心風機內部流場以及風機整體性能的影響，得出結論采用出口截面直徑大于葉輪內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徑的收斂型結構形式，并對集流器軸向高度和型線分別優(yōu)化，借助商業(yè)軟件FLUENT對三種集流器進行整機模擬，分析模擬結果，根據對數值模擬結果的分析設計優(yōu)化方案，制作樣板，進行實驗驗證。

1 風機及集流器的基本結構參數

柜機多翼離心風機的結構如表1所示。

集流器的結構參數如表2所示，其中A集流器是原柜機中應用的集流器；B集流器在軸向寬度上短于原始集流器，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 多翼離心風機結構參數Tab.1 Structural parameter of multi-blade centrifugal fan

表2 集流器結構參數Tab.2 Structural parameter of bell mouth

圖1 三種集流器結構示意圖Fig.1 Organigram of three bell mouth

2 數值模擬

2.1 數值模擬計算方法

這里采用三維模型，比較真實地反映了模型內部流場，為了提高網格的質量將模型分為三部分:葉輪內部區(qū)域；葉輪區(qū)域；蝸殼及出風口區(qū)域。計算采用三維雷諾平均守恒形Navier-stokes方程，湍流模型選取K-ε標準方程模型，壁面附近采用標準壁面函數。湍流耗散項、湍流動能、動量方程都采用二階迎風格式離散；計算方法采用SEGREGATD隱式方法；根據此柜機多翼離心風機的實際運行情況給定葉輪進口總壓為0Pa和湍流強度及水力直徑邊界條件；蝸殼出口給定出口靜壓邊界條件；葉輪選用旋轉坐標，給定旋轉壁面邊界條件為500r/min；蝸殼選用靜止坐標，給定標準壁面邊界條件。

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，多翼離心風機底盤Z=175mm。

2.2 數值模擬計算結果及分析

由于用于柜機的多翼離心風機跟普通的離心風機相比一般都不帶有前盤，集流器對于柜機蝸殼進風口處的氣流組織就起著至關重要的作用。不同結構的集流器對氣體的引導作用不同，導致進入蝸殼后的氣流的流動形式也不一樣，氣流在蝸殼中的流動是很復雜的，沿軸線方向速度不均勻并且存在回流現象。

從圖2中可以看到，氣體經過集流器的導流作用進入蝸殼，沿軸向運動的同時不斷的有一部分空氣沿徑向進入葉輪，經過葉輪的做功速度加快，沿流道進入擴壓口。

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

以上是沿軸線方向分析流場，下面沿徑向方向對流場進行進一步的分析。蝸舌是整個多翼離心風機蝸殼的重要的部件，是影響風機性能和產生噪音的重要的區(qū)域。從圖3中可以明顯的看出在蝸舌處風機A存在著明顯的渦流，而改進后的風機渦流仍舊存在但明顯的減小了，要弱于原風機。從三種集流器的結構差異上分析(見表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風量和噪聲會產生很大的影響，當出口直徑是葉輪內外徑之和的一半左右時最為理想。

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)的動壓要高于原始風機A 。

從圖5、圖6中可以看出，B、C的總壓和靜壓要高于A，說明B、C方案氣流在經過風機的做功以后獲得了比A更多的能量，對于能量的利用率更高。最大靜壓和全壓都出現在進入擴壓口前地葉輪邊緣附近，從葉片的進口到出口三種風機的靜壓和全壓持續(xù)升高，主要由于葉片對氣流的不斷的做功。在擴壓口靠近出口處由于存在流動損失全壓逐漸下降，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，且延伸至擴壓口內部，B在擴壓口的中部存在明顯的負壓區(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

風量模擬結果，A風機也就是原始的風量是VA=1132m3/h,經過優(yōu)化后的方案B、方案C的風量分別為VB=1209m3/h，VC=1180m3/h，相比原風機分別增加了6.8%和4.2%。

3 實驗驗證

經過數值模擬結果顯示，方案B和方案C對整機的風量都有提高，因此對兩種優(yōu)化方案制作樣板進行實驗驗證。對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。

圖8 三種集流器樣板照片Fig.8 The photograph of three bell mouth templates

風量測試在廣東志高空調有限公司風量實驗室進行，是對于空調器在研發(fā)初期階段專門測試循環(huán)風量的實驗室。

噪音測量在廣東志高空調有限公司半消聲實驗室進行，它是國家標準指定的空調器噪聲測試室，實驗室是由中國家電電器研究院設計制作。控制室采用丹麥B&K公司3560C采集分析系統(tǒng)及7700型聲學和振動分析軟件，包括強大的FFT、CPB(1/3倍頻程分析)和總級值分析儀。

表3 實驗結果Tab.3 Experiment results

從表3可以看出，方案B和方案C的風量都有所增加，其中方案B和方案C風量分別增加4.7%和3%，這也恰好驗證了數值模擬的結果。實驗研究中方案B和方案C相比于方案A的風量增加量略小于數值模擬結果中的風量增加量，但在允許的范圍之內，并且風量變化的趨勢是一致的。實驗結果與數值模擬結果基本一致，這恰恰驗證了數值模擬的可靠性。

從噪音的實驗測試結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的風量增加了噪音卻沒有增加，這是因為通過對集流器結構的優(yōu)化，風機內部的流場相比于方案A尤其是在蝸舌區(qū)的漩渦明顯的減弱了，而這恰好是噪音產生的主要原因。

4 結論

在產品的設計階段，采用數值模擬的方法，借助大型商業(yè)化有限元分析軟件FLUENT對產品進行流場分析，可以及時發(fā)現產品流場存在的問題，在產品試制之前進行有效的改進，達到提高循環(huán)風量和降低噪音的目的，大大加快新產品的研發(fā)周期，保證產品的工作可靠性。研究結果顯示:不同結構形式的集流器對柜機整機的循環(huán)風量產生很大的影響。集流器的出口距離葉輪的距離對風量的影響同樣很大，不是越大越好也不是越小越好，存在一個最佳值。這是因為氣流流經集流器進入多翼離心風機后分成兩部分:一部分沿徑向流動，一部分沿軸向流動。只有當兩部分氣流的流量達到一個合理的比例時風量才能達到最大值。集流器的出口直徑對風量和噪聲會產生很大的影響，當出口直徑是葉輪內外徑之和的一半時最為理想。經過對集流器的優(yōu)化設計，此款柜機在保持原有噪音水平的前提下，循環(huán)風量可增加4.7%。

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

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