軸流葉輪空調(diào)器軸流風(fēng)扇耦合設(shè)計(jì)與性能分析

軸流葉輪空調(diào)器軸流風(fēng)扇耦合設(shè)計(jì)與性能分析

僅在葉片邊緣附近帶有擋板的送流風(fēng)扇廣泛應(yīng)用于分體房間空調(diào)器的下部。在這些系統(tǒng)中，除了結(jié)構(gòu)緊湊、通風(fēng)量大外，噪聲低是一個(gè)重要的指標(biāo)。與使用低壓風(fēng)扇相比，低壓風(fēng)扇在結(jié)構(gòu)配置、設(shè)計(jì)方法和內(nèi)流現(xiàn)象上具有許多不同的特點(diǎn)。低噪聲的設(shè)計(jì)以及內(nèi)流機(jī)制的理解并不容易。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此類風(fēng)扇的噪聲研究主要采用實(shí)驗(yàn)設(shè)備或特定方法，但很少有研究在空調(diào)風(fēng)扇的動(dòng)態(tài)葉片設(shè)計(jì)后提高其性能。本文在軸流葉輪常規(guī)準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,采用前緣彎掠技術(shù),應(yīng)用CFD/CAD方法對(duì)空調(diào)器軸流風(fēng)扇進(jìn)行耦合設(shè)計(jì),以改善風(fēng)扇在設(shè)計(jì)點(diǎn)的內(nèi)流狀況,為降低其噪聲提供依據(jù).文中采用三維納維-斯托克斯方程和Spalart-Allmaras湍流模型對(duì)整個(gè)室外機(jī)進(jìn)行內(nèi)流計(jì)算和分析,對(duì)風(fēng)扇的性能進(jìn)行預(yù)估,以減少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工作量.1cfd對(duì)風(fēng)壓的預(yù)測(cè)和分析針對(duì)空調(diào)器風(fēng)扇性能上風(fēng)壓低使用上既要求風(fēng)量大又要噪聲低的矛盾,本研究選擇某空調(diào)用性能優(yōu)良的軸流風(fēng)扇樣機(jī)作為彎掠設(shè)計(jì)的比較研究模型.樣機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.葉輪外徑409mm,輪轂直徑120mm,輪轂比0.29,葉片數(shù)4,流量2220m3/h,靜壓20Pa,轉(zhuǎn)速880r/min.新風(fēng)扇的設(shè)計(jì)以保證流量為前提,著重改善風(fēng)扇的內(nèi)流分布以降低噪聲.新風(fēng)扇的設(shè)計(jì)是在以往流體動(dòng)力研究及其現(xiàn)有準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,采用前緣彎掠技術(shù),應(yīng)用CFD/CAD耦合方式進(jìn)行的.對(duì)典型樣機(jī)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行CAD估算,使用商用軟件FLUENT進(jìn)行全三維CFD計(jì)算考察其外特性和內(nèi)流特性,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析;采用常規(guī)方法作初步的準(zhǔn)三維葉輪設(shè)計(jì),進(jìn)行CFD計(jì)算考察其外特性和內(nèi)流特性;比較分析樣機(jī)風(fēng)扇與新風(fēng)扇的CAD/CFD的結(jié)果,調(diào)整初次設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù),以實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較好的氣動(dòng)布局方案;運(yùn)用CFD對(duì)調(diào)整之后的風(fēng)扇性能進(jìn)行預(yù)測(cè),并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整相關(guān)參數(shù),對(duì)風(fēng)扇作進(jìn)一步的優(yōu)化.葉片彎掠角度和葉型重心聯(lián)線是影響風(fēng)扇性能的重要參數(shù).本文設(shè)計(jì)的軸流新風(fēng)扇采用較大的前彎和前掠角度,前彎角度大于前掠角度.重心聯(lián)線以二次曲線形式變化,其上任意一點(diǎn)上徑向線與葉根截面重心徑向線之間的夾角θ隨半徑r的變化規(guī)律為θ=a0ln(r/rh)+a1(r?rh)+a2(r?rh)2?(1)θ=a0ln(r/rh)+a1(r-rh)+a2(r-rh)2?(1)式中:rh為輪轂半徑;a0,a1和a2為常數(shù).新風(fēng)扇在葉片下半部采取較小傾角(即該點(diǎn)徑向線與切線之間的夾角),在葉片上半部采取較大傾角.此外,設(shè)計(jì)中需要考慮的還有葉片弦長(zhǎng)、葉片安裝角、葉型彎度角、翼型中弧線等參數(shù).對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選取值及相互之間的合理匹配,以改善風(fēng)扇氣動(dòng)-聲學(xué)性能.綜合考慮上述因素,本文設(shè)計(jì)的新風(fēng)扇基本結(jié)構(gòu)如圖2所示.風(fēng)扇外徑408mm,輪轂直徑100mm,輪轂比0.245,葉片數(shù)4,葉頂/葉根弦長(zhǎng)276/80mm,前彎角度44°,前掠角度20°.在同一個(gè)室外機(jī)中,分別對(duì)樣機(jī)風(fēng)扇和新風(fēng)扇進(jìn)行了數(shù)值模擬.計(jì)算時(shí)對(duì)實(shí)機(jī)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,不考慮換熱器、出口格柵、電機(jī)及其支架的影響,但考慮側(cè)進(jìn)風(fēng).采用有限體積法離散控制方程,對(duì)整個(gè)室外機(jī)的三維定常流場(chǎng)進(jìn)行分離式隱式求解.計(jì)算選用Spalart-Allmaras湍流模型,對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式,壓力-速度耦合采用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE算法求解.由于風(fēng)扇系統(tǒng)的復(fù)雜性,整個(gè)計(jì)算域均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)110×104.葉輪所在的區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)區(qū)域,享有較多的網(wǎng)格數(shù)目.進(jìn)出口均采用壓力邊界條件,進(jìn)口為大氣條件,出口給定不同的背壓.當(dāng)各計(jì)算殘差值小于1×10-3時(shí),認(rèn)為計(jì)算收斂.2結(jié)果和分析2.1樣機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)測(cè)試在同一個(gè)室外機(jī)中,分別配樣機(jī)風(fēng)扇和新風(fēng)扇進(jìn)行性能測(cè)試和CFD計(jì)算,均不帶換熱器.測(cè)試轉(zhuǎn)速880r/min,測(cè)試背壓0～60Pa.CFD計(jì)算轉(zhuǎn)速880r/min,計(jì)算背壓0～30Pa.測(cè)試結(jié)果和CFD計(jì)算結(jié)果如圖3所示.樣機(jī)風(fēng)扇的計(jì)算結(jié)果與性能測(cè)試結(jié)果基本一致,新風(fēng)扇的計(jì)算結(jié)果比性能測(cè)試結(jié)果稍偏大.在設(shè)計(jì)負(fù)荷下,樣機(jī)風(fēng)扇的計(jì)算流量為2218m3/h,實(shí)測(cè)流量為2232m3/h;新風(fēng)扇的計(jì)算流量為2370m3/h,實(shí)測(cè)流量為2290m3/h.新風(fēng)扇的實(shí)測(cè)流量高于樣機(jī)風(fēng)扇,與CFD預(yù)測(cè)結(jié)果相符.數(shù)值計(jì)算的結(jié)果和性能測(cè)試的結(jié)果在總體上比較相符,說(shuō)明了數(shù)值計(jì)算的有效性,同時(shí)初步說(shuō)明了設(shè)計(jì)方法的可靠性.圖4表示兩個(gè)風(fēng)扇在實(shí)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下(帶換熱器)測(cè)試得到的風(fēng)機(jī)噪聲.新風(fēng)輪的噪聲在整個(gè)測(cè)試流量范圍內(nèi)低于樣機(jī)風(fēng)輪0.5～1.3dB(A級(jí)聲壓級(jí)).實(shí)驗(yàn)測(cè)試風(fēng)扇的氣動(dòng)-聲學(xué)性能表明:設(shè)計(jì)的新風(fēng)扇在氣動(dòng)性能基本保持不變的情況下降低了噪聲,其性能優(yōu)于樣機(jī)風(fēng)扇.2.2新扇和其他尺寸的對(duì)比圖5表示葉片吸力面極限流線分布和吸力面附近流道間流線分布.對(duì)樣機(jī)風(fēng)扇,氣流由前緣向尾緣流動(dòng)的過(guò)程中,受頂端葉尖渦和輪轂附近二次渦的影響,流線沿翼展方向分布不均勻,向中部偏移.在吸力面附近,葉中通流量最大.樣機(jī)風(fēng)扇在葉根處流動(dòng)紊亂,盡管其吸力面極限流線未顯示出存在角區(qū)分離特征,但尾緣附近的流道中存在由大橫向壓力梯度引起的橫向二次渦流,幾乎阻塞半個(gè)葉道,占約1/4葉高,阻礙了吸力面葉根處的低能流體進(jìn)入中部主流區(qū).相比之下,新風(fēng)扇吸力面的大部分流線平行于端壁(輪轂附近除外),在葉高中部和葉頂附近通流量都比較大,新風(fēng)扇充分利用了葉中至葉頂部分的流動(dòng)狀況.新風(fēng)扇在吸力面與輪轂之間的角區(qū)存在分離渦,主要位于吸力面附近,橫向影響區(qū)域小于樣機(jī)風(fēng)扇.新風(fēng)扇在端壁附近的流線抬升,低能流體向動(dòng)量較高的翼展中部的徑向遷移能力較強(qiáng).圖6表示葉片壓力面極限流線分布和壓力面附近流道間流線分布.在葉頂尾緣附近,氣流直接流向風(fēng)扇出口;而在葉頂?shù)那鞍氩糠?由于沒(méi)有導(dǎo)流罩的遮擋,氣流徑向朝外流動(dòng);越靠近葉片前緣位置,葉道中越多氣流徑向朝外流動(dòng).葉根附近二次渦在葉道中占據(jù)很大區(qū)域.樣機(jī)風(fēng)扇的這部分渦流發(fā)展到尾緣約占55%葉高,新風(fēng)扇約占40%葉高.新風(fēng)扇由于采用了較大的前彎和前掠角度,因此減小了渦流范圍,增大了主流區(qū)域.圖7表示徑向截面上的速度分布.在兩個(gè)風(fēng)扇的葉頂吸力面附近,都可以看到明顯的葉尖渦結(jié)構(gòu).軸流風(fēng)扇只在葉輪頂端后緣附近帶有導(dǎo)流罩,在葉輪的前半部分,葉頂區(qū)域氣流由外向內(nèi)流動(dòng),和主流作用產(chǎn)生剪切邊界層卷曲,形成葉尖渦.葉尖渦以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反.由圖中可以看出,樣機(jī)風(fēng)扇的葉尖渦影響區(qū)域大于新風(fēng)扇.葉尖渦的存在阻塞了頂端流場(chǎng),使主流位置下移.此外,樣機(jī)風(fēng)扇的前緣型線在翼展中部存在轉(zhuǎn)折位置,在該處附近可以清楚地看到前緣分離渦,而在前緣其余位置不明顯.新風(fēng)扇的前緣各處均未發(fā)現(xiàn)明顯的前緣分離現(xiàn)象.圖8表示風(fēng)扇出口截面的軸向速度沿徑向的分布,橫坐標(biāo)為無(wú)因次比值,其中的Rc為外罩的出口截面半徑.由圖中可以看到,在無(wú)因次量r/Rc=0.8左右時(shí)軸向速度最大,新風(fēng)扇在該區(qū)域附近的速度值稍小于樣機(jī)風(fēng)扇,意味著主流速度的降低.r/Rc小于0.62時(shí),新風(fēng)扇的速度值高于樣機(jī)風(fēng)扇,意味著在葉中及葉根區(qū)域附近的通流量增大.在輪轂附近,兩個(gè)風(fēng)扇都存在回流,樣機(jī)風(fēng)扇的回流區(qū)域及回流速度均大于新風(fēng)扇.圖中所示的速度分布表明了新風(fēng)扇的主流范圍大于樣機(jī)風(fēng)扇,主流速度小于樣機(jī)風(fēng)扇,有利于噪聲的降低.新風(fēng)扇的性能實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果符合較好,表明了設(shè)計(jì)方法的可行性:a.新軸流風(fēng)