楊松，王新亮

(新鄉(xiāng)學院機電工程學院，河南新鄉(xiāng) 453003)

汽車空調(diào)系統(tǒng)中離心風機三維數(shù)值仿真與實驗研究

楊松，王新亮

(新鄉(xiāng)學院機電工程學院，河南新鄉(xiāng) 453003)

建立某車型空調(diào)通風系統(tǒng)包括葉輪及蝸殼結(jié)構(gòu)在內(nèi)的多翼離心通風機三維幾何模型，完成了多種工況下風機內(nèi)部三維流場的定常和非定常仿真計算，并進行相應(yīng)的實驗測試，對仿真計算的準確性進行驗證。詳細分析了多翼離心風機內(nèi)部隨時間變化的速度場、壓力場和典型監(jiān)測點處壓力脈動的變化規(guī)律，對汽車空調(diào)風機的進一步優(yōu)化提供指導方向。

汽車空調(diào)；多翼離心通風機；非定常；數(shù)值模擬；實驗研究

0 引言

在相同流量及壓頭情況下，離心式多翼通風機具有占用空間小、氣動噪聲低等優(yōu)點[1]，在汽車空調(diào)通風系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。多翼離心風機壓頭、氣動噪聲、效率等綜合性能的高低直接影響車內(nèi)舒適性及整車的口碑。多翼離心風機雖然具有抗壓能力強、流量較大等優(yōu)點，但是存在效率較低等不足，國內(nèi)外技術(shù)及科研人員針對它進行了大量的實驗及仿真研究工作。

1 仿真模型

圖1所示為某汽車空調(diào)通風系統(tǒng)中多翼離心風機的三維幾何模型，葉片型式為單圓弧直葉片，數(shù)量為44，進、出口葉輪安裝角分別為β1=89°、β2=165°。

圖2所示為仿真計算多翼離心風機的網(wǎng)格模型。由于通風機葉片及蝸殼的曲面形狀相對比較復雜，對整體風機流道全部生成高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是比較困難的[2]，因此，將三維模型分為3個區(qū)域，并采用四面體網(wǎng)格進行空間離散[3]。

數(shù)值模擬采用有限容積法，采用RNGk-ε湍流模型[3]，葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域的交界面使用Interface邊界[4-5]。

圖1 三維幾何模型

圖2 網(wǎng)格模型

2 仿真與實驗對比

仿真與實驗的對比結(jié)果如表1所示，數(shù)值模擬對比實驗的平均誤差在5%以內(nèi)，說明仿真結(jié)果可以滿足實際工程應(yīng)用。仿真工況包括背壓10 Pa、35 Pa、60 Pa、90 Pa及120 Pa，并相應(yīng)進行了實驗測試。該多翼離心風機通過仿真計算獲得的p-Q性能曲線如圖3所示。

表1 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比

圖3 p-Q曲線

3 流場特性分析

3.1 速度場

離心風機內(nèi)流場流線圖及中心截面的速度矢量圖分別如圖4—5所示，截面氣流流動性能較好，氣流在葉輪形成負壓作用下呈放射性進入葉輪[6-7]，并經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)做功之后沿蝸殼流入大氣。另外，氣流在離心風機蝸舌處存在明顯回流，但是強度并不是很大。從速度場分布可以定性直觀地看出離心風機氣流軸向流入、徑向流出的特征。

圖4 流線圖

圖5 中截面速度矢量圖

3.2 壓力場

圖6所示為不同時刻中截面壓力場分布。

圖6 不同時刻中截面壓力場分布

可以看出：不同時刻壓力場分布趨勢是一致的，由于時間間隔非常短，差異不是十分明顯。氣流在葉輪做功作用下高速脫離葉片進入出口流道，在靠近蝸殼出口區(qū)域存在明顯的低壓區(qū)；另外，不同時刻在緊貼蝸殼區(qū)域都存在明顯的高壓區(qū)，說明氣流對蝸殼型線的貼附性較好[8]；而蝸舌位置的高壓區(qū)則是由于在此處形成回流造成的。

3.3 壓力脈動

從以上分析可以看出，蝸舌區(qū)域附近的流場對風機內(nèi)流場及整機性能都具有重要影響。為了研究該區(qū)域的流動特點，需要對其氣流的壓力脈動規(guī)律進行監(jiān)測，A、B兩個測點位置如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點位置

圖8和圖9分別為A、B兩點壓力值隨時間的變化情況。

圖8 點A壓力脈動監(jiān)測

圖9 點B壓力脈動監(jiān)測

可以看出：點A處壓力值在10 Pa附近上下波動，幅度在±5 Pa左右，隨著風機啟動進入平穩(wěn)運行狀態(tài)后，壓力波動情況也趨于穩(wěn)定；類似地，點B處壓力值在85 Pa上下波動，幅度在±7 Pa左右。監(jiān)測點壓力脈動整體呈波峰、波谷交替出現(xiàn)的趨勢，而點B由于位于蝸舌的回風口，波動頻率明顯高于點A處。

4 小結(jié)

對某車型汽車空調(diào)通風系統(tǒng)中多翼離心通風機的內(nèi)流場進行流體動力學性能計算，重點分析了整機流場中速度場、壓力場以及蝸舌附近壓力脈動的分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)蝸殼流道內(nèi)的蝸舌位置存在高壓區(qū)，在靠近蝸殼出口位置處存在低壓區(qū)。

(2)蝸舌間隙內(nèi)的壓力值較高，壓力脈動整體呈波峰、波谷交替出現(xiàn)的趨勢，在85 Pa上下波動，幅度在±7 Pa左右。

(3)流場穩(wěn)定后，速度場、壓力場在不同時刻的分布趨勢一致。

[1]王嘉冰,區(qū)穎達.多翼離心風機的內(nèi)流特性及其噪聲研究[J].流體機械,2004,32(4):29-33. WANG J B,QU Y D.Research on Noise and Internal Flow Characteristic of Multi-blade Centrifugal Fan[J].Fluid Machinery,2004,32(4):29-33.

[2]劉路.多翼離心風機葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學,2009.

[3]MIYAMOTO H,NAKASHIMA Y,OHBA H.Effects of Splitter Blades on the Flows and Characteristics in Centrifugal Impeller[J].JSME International Series,1992,35(2):238-246.

[4]王維斌.對旋式通風機全流場內(nèi)壓力脈動及氣動噪聲特性的數(shù)值研究[D].青島:山東科技大學,2009.

[5]陳修懷,李嵩,黃東濤,等.利用三維數(shù)值模擬改進離心通風機設(shè)計[J].風機技術(shù),2003(2):6-8. CHEN X H,LI S,HUANG D T,et al.Improvement of Centrifugal Fan Design Using 3-D Numerical Simulation[J].Compressor Blower & Fan Technology,2003(2):6-8.

[6]KOTH H，OEDER K.A Study on Centrifugal Impeller and Diffuser Flow[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,1981,103:688-697.

[7]張莉,王啟杰,陳漢平.離心葉輪機械內(nèi)部非定常流動的數(shù)值計算 第一部分 帶無葉擴壓器的離心通風機[J].風機技術(shù),2004(4):5-9. ZHANG L,WANG Q J,CHEN H P.A Numerical Analysis of the Unsteady Flow within the Centrifugal Turbomachinery Part A:A Centrifugal Fan with Vaneless Diffuser[J].Compressor Blower & Fan Technology,2004(4):5-9.

[8]JEON W H.A Numerical Study on the Effects of Design Parameters on the Performance and Noise of a Centrifugal Fan[J].Journal of Sound and Vibration,2003,265(1):221-230.

NumericalSimulationandExperimentResearchofWholeFlowFieldinaMulti-bladeCentrifugalFanofHVACinAutomobile

YANG Song, WANG Xinliang

(Mechanical and Engineering College, Xinxiang University, Xinxiang Henan 453003,China)

The full flow field model of a widely used multi-blade centrifugal of HVAC in automobile including the wheel and volute was built, the steady and unsteady numerical simulation of the inner flow in the fan at different working conditions were presented. The numerical simulation results were validated by contrasting to the experiment results. The results display the characteristics of the velocity field, pressure field and pressure fluctuate in the centrifugal fan. The results can provide basis for optimizing the fan design and the internal flow, and have important value of engineering applications in the increase of the overall performance in operation.

Vehicle air conditioner; Multi-blade centrifugal fan; Unsteady flow; Numerical simulation; Experiment research

TH432.1

B

1674-1986(2017)09-045-03

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.010

2017-05-19

楊松(1986—)，男，碩士研究生，研究方向為電動汽車。E-mail：ysgwl037@126.com。