基于前缘锯齿形叶片的多翼离心风机数值分析与实验研究

基于前缘锯齿形叶片的多翼离心风机数值分析与实验研究

February,2019

Vol.40,No.1

文章编号:0253-4339(2019)01-0035-07doi:10.3969/j.issn.0253-4339.2019.01.035

基于前缘锯齿形叶片的多翼离心风机数值分析与实验研究

(1郑州轻工业学院能源与动力工程学院　郑州　450002;2中国科学院理化技术研究所　北京　100190;

3广东志高空调有限公司　佛山　528244)

摘　要　为减少叶片附近的涡流,降低多翼离心风机流场的流动损失和气动噪声,设计了一种具有锯齿形前缘的空调器用离心风机叶片。与常见改型叶片不同,并未从整个叶片宽度方向进行改进,仅从叶轮前盘沿叶片前缘的1/3叶轮宽度处开设锯齿结构。基于几何相似原理和FLUENT软件,对计算得出的不同锯齿结构进行数值模拟,结果显示:锯齿结构主要对聚集在靠近前盘的涡流进行破坏,蜗舌、叶片后缘和叶间涡流较原型叶片也明显减少,且降低了基频噪声。结果表明:在不同转速下,前缘锯齿形叶片多翼离心风机的整机风量较原型机基本不变,噪声值降低0.9~1.2dB(A),输入功率降低2.75~3.55W。说明具有锯齿形前缘结构的叶片,不仅能优化风机的风道性能,还能起到节能降噪的作用。关键词　锯齿叶片;数值分析;多翼离心风机;节能;降噪中图分类号:TB61+1;TH432

文献标识码:A

金听祥1　王镜儒1　邵双全2　严满泉3　郭宝坤3　吴亮亮3

NumericalAnalysisandExperimentalResearchofMulti-bladeCentrifugal

FanbasedonLeading-edgeSerratedBlade

(1.SchoolofEnergy&PowerEngineering,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou,450002,China;2.Co.,Ltd.,Foshan,528244,China)

JinTingxiang1　WangJingru1　ShaoShuangquan2　YanManquan3　GuoBaokun3　WuLiangliang3

TechnicalInstituteofPhysicsandChemistryCAS,Beijing,100190,China;3.GuangdongChigoAir-conditioning

Abstract　Aserratedleading-edgebladeforamulti-bladefanofanairconditionerisdesigned.Themainobjectiveistoreducethevortexneartheblade,thusreducingtheflowlossandaerodynamicnoiseoftheflowfieldofthemulti-bladefan.Whereasitisdifferentfromthecommonreformedblade,noimprovementinthewidthofthewholebladebutafrontdiskalongtheleadingedgebyone-thirdoftheimpel-lerwidthwasmade.Thevariousserratedstructuresweresimulatedbasedonthegeometric-similarityprincipleusingtheFLUENTsoftware.blade,allvorticesinthevolutetongue,trailingedge,andinternalleaveswereobviouslydecreasedwiththeuseoftheserratedblade.Thesimulatedresultsshowthattheserratedstructuresdestroyedtheaccumulatedvortexclosetothefrontdisk.IncontrasttotheprototypeMeanwhile,thefundamentalfrequencynoisewasdecreased.Theexperimentaldataindicatedthattheairvolumeoftheleading-edgeserra-energysavingsandnoisereduction.

tedbladeofthecentrifugalfanvariedalittleunderdifferentspeeds.Thenoiseandinputpowerweredecreasedby0.9-1.2dB(A)and

2.75-3.55W,respectively.Thus,theserratedleading-edgebladecannotonlybenefittheair-ductperformancebutalsoplayaroleinKeywords　serratedblade;numericalanalysis;multi-bladecentrifugalfan;energysaving;noisereduction

　　多翼离心风机作为风道系统的重要组成部分,因具有结构紧凑、流量系数高等优点而被广泛应用于各式空调器中[1]。改善多翼离心风机的流场性能一直是国内外学者研究的重点,提出了多种针对风机叶片的优化方案。

随着仿生学在工程技术领域的蓬勃发展[2],通

创新中,取得了较为理想的效果。刘小民等[3]为改善单圆弧等厚度叶片前缘和后缘的流动特点,将苍鹰尾缘的齿状结构应用到多翼离心风机叶片中,与普通叶片相比可以显著降低噪声。ChenShuming等[4]基于长耳猫头鹰的翼型结构,在对叶片进行仿生设计的基础上,从叶片数目、内外径比等方面进行优化,使质量流量增加了0.108kg/s,噪声值降低9.03dB(A)。

　　收稿日期:2017-12-26;修回日期:2018-03-13

过研究生物的外形特征,将其运用到现有技术的优化

基金项目:国家自然科学基金(51676199)资助项目。(Theprojectwas51676199).)

supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.

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表1原型叶轮结构参数

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L.E.Jones等[5-6]实验研究了齿形结构叶片对风机性能的影响,得出其能降低气动噪声的结论和影响降噪效果的因素。除仿生学研究外,S.C.Lin等[7]为提高小型前弯离心风机的气动性能,用NACA4412翼型替代原型叶片,并调整叶片入口角度,达到了提高风机效率和降低噪声的目的。毛全有

[8]

Tab.1Structuralparametersoftheprototypeimpeller　　参数叶片数Z叶轮宽度L/mm叶轮外径D/mm叶轮内径d/mm进口安装角β1/(°)出口安装角β2/(°)

数值1273422811526143

通过研究风机内

流场发现,叶轮的有效出风通道主要在中后盘,提出叶片分段设计的概念。李淼等[9]采用叶片进气端斜切的方式,通过数值模拟和实验研究,发现叶片斜切结构能改善气流在进口转弯处流动的不均匀性,提高风机性能。

综合以上研究,为改善柜式空调器存在的能耗高、流动损失大和气动噪声突出的问题,本文从多翼离心风机内部的流动特点出发,从叶轮前盘沿叶片前缘的,利用锯齿结构对涡流的破坏作用

[10]

叶轮宽度处进行锯齿设计,对不同锯齿结构进行数1/3

值计算,并分析其降噪机理。最后,通过对比实验研究锯齿叶片与原型叶片对风机的风量、噪声及功率等的影响。

1模型简化与数值计算

由于实验研究是以柜式空调器室内机为载体来测试风机流场的性能,为确保数值模拟的准确性,本文对某型空调器的整机模型进行简化,如图1所示。为使进、出风口处的流动达到稳定,在左右进风格栅处设置弧形进风口,出风口向外延伸适当距离[11]时,全部采用非结构网格。由于整体结构复杂,网格总数约为,在ICEM中划分网格560万,网格质量大于0.2。

图1整机简化模型

Fig.1Simplifiedmodelforthewholemachine

空调器用多翼离心风机的叶轮由多圆弧非等厚度叶片—36、轮毂—

、后盘等组成,其结构参数如表1所示。将叶轮结构进行简化,只保留叶片和后盘,简化后的叶轮及网格如图2所示。在叶片的前缘和后缘处进行加密处理,网格数约为140万,约占网格总数的1/4。

图2叶轮网格图Fig.2Impellergrid

1.1计算方法

稳态计算时,采用RNGk-ε两方程湍流模型,压力修正选择Standard方式,离散方程均采用二阶迎风格式,压力与速度耦合选用SIMPLE算法[12]延伸区域的进、出风口均采用压力进、出口边界条件。整机,

蒸发器采用多孔介质模型,风机旋转区域采用多重参(LES),考系(MRF)[13]。非稳态计算时,采用大涡模拟1.07×10压力与速度耦合采用-4,计算收敛后开启声学模型PISO算法,时间步长为、蜗壳、蜗舌为声源,选择FW-H。

方1.程进行噪声计算2原型机模拟结果与分析

,并以叶轮按照相应的测试标准[14]模式下测得的风量和噪声数据与模拟结果进行对比,将原型机在通风高风

,如表2所示。原型机的模拟结果与实验数据的误差均在允许范围内,说明模型的简化和计算方法的选择较为合理。

对原型机的模拟数据进行后处理发现,对于多翼离心风机,整个叶轮叶片的前后缘均存在不同大小的涡流。而在靠近蜗壳出口侧的叶片,由于出口速度和进口气流角均为最大[15],沿叶轮宽度方向的整个叶

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间流道均存在较大涡流,图3所示为处于叶轮中部x=60mm处的涡量分布云图,可见涡流的存在严重影响了气流的输出。

表3不同方案的锯齿结构参数

Tab.3Serratedstructureparametersofdifferentschemes方案齿宽dc/mm

齿高hc/mm

周期ec/mm

表2原型机实验与模拟数据

Tab.2Theexperimentalandsimulateddataofthe

prototypemachine

　　项目

3/h)921.实验514.模拟

4相对误差风量/(m0.8%噪声/dB(A)

45.6

48.34

6%

图3x=60mm处的涡量分布

Fig.3Thevorticitydistributionatx=60mm

2锯齿叶片设计与数值计算

2.1叶片设计机理与方案

为确定叶片的设计方案,按照文献[3]对生物翼型结构的仿生学分析,基于几何相似原理,以多圆弧非等厚度叶片为对象进行研究。图4和图5所示分127别为锯齿叶片和锯齿结构参数示意图。叶片宽度为

mm2mm,3.3,mm,齿高叶间流道长度为周期hc约为e2.2~4.032mm,mm,齿宽叶片面积为dc约为41.06~择5种参数,如表c约为2.2~4.4mm,在上述范围内选

3所示。

图4锯齿叶片Fig.4Theserratedblade

图5锯齿结构参数

Fig.5Theparametersoftheserratedstructure

123.2.02.32.54.42.62.53.05

2.22.22

2.503.63.21.5

3.22

2.2锯齿叶片数值模拟结果与分析

将5种锯齿叶片分别在FLUENT软件中进行计算,模拟结果如表4所示。对比方案1、2、3,在相同齿高的情况下,齿宽越小,风量越大,噪声越低,转矩1、2。和轴功率也相应提高对比方案,方案3的各项性能优于方案

小,风量越大,噪声越低3、4、5,在相同齿宽的情况下,但方案4较方案3的转矩和,齿高越轴功率均略有降低,整体而言转矩和轴功率均逐渐增大,方案5的性能优于方案3、4,说明随着结构参数的减小,风量逐渐增大,噪声逐渐降低。因此,齿宽和

齿高不宜过大,否则会大幅减少叶片的有效面积,增大噪声,故方案5的整体气动性能较好。

表4锯齿叶片模拟结果

Tab.4Thesimulatedresultsoftheserratedblade方案风量/噪声/

转矩/

1(m3dB(A)(N轴功率/W2910./h)47.1.·m)3918.847.861.7193.4921.01.7695.125

928.6.34932.84

45..9146.041.8399.841.818798.65101.8356

图6所示为原型叶片与方案5的锯齿叶片在锯

齿段相同截面处(x=124.4、105.2、86.1mm)的涡量

云图。由图6(b)可知,靠近前盘的锯齿对叶片前后缘及叶间涡流的改善最为明显。在锯齿段的中后部,如图(e)6(d)、图6(f)所示,前缘涡流较图6(c)、图6迹象的改善较小,但从叶片后缘进行观察,部分叶片前缘处的涡流还有扩大的,涡流均呈减小趋势,且图6(f)中蜗舌处的涡流较原型叶片有较大改善。可知当叶片前缘由圆弧状变为锯齿结构后,对涡流的破

坏主要针对聚集在靠近前盘的涡流,同时也改善了锯齿段的叶片后缘和流道间的流动特性。由于前盘附

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图6原型叶片与锯齿叶片在不同截面处的涡量分布

Fig.6Thevorticitydistributionoftheprototypeandtheserratedbladeatdifferentsections

近以轴向流动为主,径向流速和进口气流角均偏小[15],流道极易出现分离,在锯齿的作用下能明显打碎涡团,将原来的大涡团分割为较小涡团,故出现如图6(b)所示的流动情况。

图7所示为x=86.1mm处原型叶片与锯齿叶片的速度矢量。可以较清晰地看出,图7(b)较图7(a)在沿蜗舌出口型线方向的流动更加均匀,且流量也增大,说明锯齿结构不仅能减少叶片后缘涡流,还能削—38—

弱蜗舌处由于气流的冲击引起的压力脉动和边界层分离,降低涡流噪声和流动损失,同时也使回流至蜗壳内侧的流量增加。

f=

nZi60

多翼离心风机旋转噪声的频率计算公式为[16]:

(1)

式中:n为转数,r/min;z为叶片数;i为谐波序号(i=1,2,3,……),i=1时,f为基频,其值为373Hz。

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为对比原型叶片与方案5的锯齿叶片在基频处的声压级,取低频0~1000Hz范围内的数据进行处理,其声压级分布如图8所示。锯齿叶片在基频处的声压级较原型叶片降低约2dB,说明锯齿叶片能降低多翼离心风机旋转时的基频噪声,提高风机的气动性能。

分析后,最终确定方案5为最优方案并制作叶轮模型,如图9所示。

图7x=86.1mm处原型叶片与锯齿叶片的速度矢量Fig.7Thevelocityvectoroftheprototypeand

theserratedbladeatx=86.1mm

图8原型叶片与锯齿叶片频谱图Fig.8Thespectrumdiagramoftheprototype

andtheserratedblade

3实验研究

通过对包括原型叶片在内的6种叶片进行数值

图9锯齿叶轮模型

Fig.9Theserratedimpellermodel

3.1实验方法

将原型叶轮和锯齿叶轮分别安装在某型柜式空调器室内机中,在与室外机不连接且处于通风状态的情况下,按GB/T7725—2004的相关标准[14]进行风量和噪声测试。

在风量实验室中,依据铭牌参数上的循环风量,选择直径为70mm和100mm的喷嘴,并分别按高、中、低三挡的风速模式进行测试,当风量实时曲线达到稳定时记录数据。

噪声测试在半消声实验室进行,如图10所示,采用3560C采集分析系统及7700型声学和振动分析软

件,测试范围为14.6~146dB(A)。为与进行模拟时的整机简化模型一致,拆除出风口横向导流叶片,除叶轮不同外,其余零部件均不变。测试时,将传声器放置在距室内机出风口中心水平距离为1m,垂直距离为min后且工况稳定时0.8m处。同样,,开始测试并记录噪声值在不同风速模式下,运行。

30图10半消声实验室

Fig.10Thesemi-anechoicchamber

3.2实验结果

表5所示为两种叶轮的实验数据。由表5可知,

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不同风速模式对应的风机转速不同,且锯齿叶轮的质量较原型叶轮减少214g。测试结果表明,锯齿叶轮的整机风量虽略有减小,但影响较小,可视为基本不变,噪声值较原型机降低0.9~1.2dB(A),输入功率降低2.75~3.55W。因此,方案5对应的前缘锯齿形叶片在实际应用中,对改善多翼离心风机的流场性能起到了积极作用。

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ductionmechanismofbioniccouplingbladebasedonthe

trailingedgeofgoshawkwing[J].JournalofXi′anJiaotong表5原型叶轮与锯齿叶轮实验数据对比

Tab.5Contrastprototypeofexperimentalandserrateddataimpellerbetweenthe

方案

转速/

风量/噪声/

功率/(r/498min)(m3W

原型叶轮

(1084g)

406921./58h)dB(A)356755.45.40.6109.513657.7137.2.79锯齿叶轮420919.0944.4106.83.4002368754.66656.7079

39.724

(870g)

36.72.80.20274结论

采用数值模拟方法,分析了前缘锯齿形叶片对多翼离心风机风道性能的影响,总结了其降噪机理,并进行了实验验证,片的前1)、对空调器用多翼离心风机的研究表明得出如下结论:

后缘和叶间流道,以及蜗舌处均存在不同大:在叶小的涡流。因此,其降噪的关键在于如何优化叶片附近的流动情况,减少涡团数量,抑制蜗舌处的边界层分离,叶轮前盘前缘的涡流2)减小气流的冲击和压力脉动与原型叶片相比,降低叶片后缘及叶间流道的涡,锯齿叶片能有效破坏靠近。

流大小,改善蜗舌处的流动情况,提高了风机的气动性能。

调器室内机进行风量和噪声测试3)在通风状态下,设置不同风速模式,安装有锯齿叶片风,对柜式空

机的整机风量较原型机基本不变1.降噪的目的2dB(A),,噪声值降低0.9~。

输入功率降低2.75~3.55W,达到节能综上所述,将前缘锯齿形叶片的多翼离心风机应用于柜式空调器中,还需进行深入研究,测试其在实际使用工况下的降噪效果和能耗状况。

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coustictrifugalcharacteristicsAnalysisandoptimizationofforward-curved-multi-bladeontheaerodynamica-neering,fan2010,invehicle32(6):aircen-540conditioner[J].-546.)AutomotiveEngi-通信作者简介

金听祥,男,博士,副教授,郑州轻工业学院能源与动力工程学院,(0371)63624381,E-mail:txjin@126.com。研究方向:制冷空调设备新技术研究。

Aboutthecorrespondingauthor

JingyTingxiang,male,Ph.D.,associateprofessor,SchoolofEner-new+86&techniques371-63624381,PowerEngineering,developmentE-mail:Zhengzhoufortxjinair-conditioning@University126.com.ofsystem.

ResearchLightIndustry,fields:

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