多翼离心风机风道内流场的数值模拟

Abstract

■摘要:采用CFD软

件对空调器多翼离心

风机风道内部流场进

行了三维数值模拟,

根据模拟结果提出改

进方案,并对其进行

测试试验,得出适当

增大蜗壳出风口长度

和减小风轮与蜗壳的

底部间隙,可降低噪

声2.3dB的结论。

■关键词:空调器;多

翼离心风机;CFD数

值模拟;蜗壳

多翼离心风机

风道内流场的数值模拟*

李苏洋/广东工业大学机电学院机械设计系

游斌吴彦东/广东美的商用空调设备有限公司

*基金项目:广东省产学研项目(2009B090300044)和广东工业大学校博士启动基金项目(405105015)

收稿日期:2010-10-12广州市510006

中图分类号:TH432文献标识码:B

文章编号:1006-8155(2011)03-0020-03

Numerical Simulation for the Inner Flow

Field of Multi-blade Centrifugal Fan

Abstracts:3D numerical simulation is

carried out on the innerflow field of air duct

of multi-blade centrifugal fan for

air-conditioner using CFD software in this

paper.Based on the numerical simulated

results,the improvement project is abtained

and the measuring test is carried out.The

conclusion of reducing 2.3dB noise is

pointed out by appropriately enlarging the

outlet's length of volute and decreasing the

clearance between the wind wheel and the

bottom of volute.

Key words:air-conditioner;multi-blade

centrifugal fan;CFD numerical simulation;

volute

0引言

随着流体力学和计算机技术的飞速

发展,通过数值模拟对空调器的风机风

道内部流场进行分析已越来越受到重

视。与传统的设计方法相比,数值模拟可

以直接获取风机风道内部任意点的流场

信息,为优化结构设计和降低噪声提供

参考的依据,从而缩短新产品的研发周

期,节约研发成本。

通过对某新型多翼离心风机风道采

用CFD数值模拟,计算结果定性给出了

研究断面的内部流动特征,并提出改善

措施。通过实验验证,在数值模拟基础上

来指导风机风道的优化设计是切实可行

的[1-2]。

1风机风道的几何结构

空调用多翼离心风机风道的几何结

构和设计参数分别见图1和表1。离心

风机叶轮的外径D

2

=151mm,内径

D1=123mm,叶片数Z=53,采用多圆弧非

等厚叶片,并沿圆周均匀分布,叶轮轴向

宽度B=160mm。

(a

)风道几何结构

(b)叶片形状

图1风道的几何结构

试验研究

20

表1蜗壳型线的设计参数

由于蜗壳型线涉及的几何参数较多,文中不一一对各个参数进行分析,主要考虑出风口长度L 和风机与蜗壳底部的间隙t 对风机特性曲线和噪声的影响。

2

数值模拟

2.1

结构的简化及网格划分

蜗壳的导风圈与风轮的轴向间隙为5mm ,

可将模型进行简化,忽略轴向间隙部分,将蜗壳与风轮视为轴向等长。

采用Gambit 软件对几何模型进行网格划分,将整个区域分为6个部分,即进口区域、中心区域、叶轮区域、前端区域、后端区域和蜗壳区

域。所有区域均采用贴体网格,

其中对叶轮区域进行网格加密,以提高数值模拟的精确度。模型总的网格单元数为2230495,叶轮区域为970896。模型网格图见图2。

2.2

计算方法

利用Fluent 计算流体动力学软件,采用容积控制法离散控制方程,用Simple 算法来求解速度与压力的耦合,差分格式为二阶迎风差分格式[3-4]。控制方程使用Reynolds 时均的相对定常不可压N-S 方程和标准k-ε湍流模式。此外,计算域进口采用压力进口,计算域出口采用压力出口,叶轮转速为1200r/min

图2网格模型图

(a )静压(b )动压(c )全压

图3压力分布云图

(a )静压(b )动压(c )全压

图4速度矢量图

参数

数值出风口长度L /mm

7风轮与蜗壳的底部间隙T /mm 8.7蜗舌圆弧半径r /mm

10蜗舌与风轮的最小间隙δmin /mm 7蜗壳的高度h /mm

193

2.3模拟结果

在三维计算结果的基础上取z =100mm 截

面,其静压场、速度矢量见图3和图4。图3的计算结果表明:静压在各个叶间流道的分布不尽相同,特别是在蜗壳出口处的叶轮区域及蜗舌部位静压梯度较大,越靠近蜗舌顶部静压越高,

靠近蜗壳出口处的叶轮区域的静压最低,而此处的动压和全压则远远高于其它部位。由于叶片做功,气流在叶片出口处全压最高。由图4的速度场可知,风轮与蜗壳底部以及蜗舌附近的叶片气流比较紊乱,出现了漩涡,这些漩涡是产生噪声的主要噪声源。此外,风压分布不均匀,能量

21

高,在50%叶高位置也观察到了激波的存在,因

此特性线较为“陡峭”。

(3)本文研究的组合压气机表明:对于中小型航空发动机,如果前面级采用轴流式,后面级采用离心式,可以在较小的级数和迎风面积下满足流量和压比的要求,是较为有效的压气机设计形式之一。

(4)对于本文所研究的组合压气机,静子叶排中总压损失最大的是径向扩压器,因此径向扩压器如何匹配叶轮和控制激波附面层分离以减小损失是其设计难点所在。

参考文献

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图5各种方案的特性曲线(转速为1200r/min )

损失较大。因此在设计过程中为了减小漩涡的区域和能量的损失,必须对风轮与蜗壳的间隙以及蜗舌出口处进行改善。

3试验分析

根据以上的分析结果,对蜗壳的几何参数即蜗舌出风口长度L 及风轮与蜗壳的底部间隙t 进行调整得到3种方案(1)L =7mm ,t =8.7mm ;(2)L =27mm ,t =8.7mm ;(3)L =27mm ,t =12.2mm 。将这些方案做成物理样机,在转速为1200r/min 时进行了一系列试验,如特性曲线试验和噪声测试。特性曲线见图5。从图中可以看出,方案2的特性曲线比较理想,流量Q 随着静压的增加减小得比较缓慢。风机在正常工作状态下的工况点流量为600m 3/h ,此时测得风机静压为60Pa ,而方案1与方案3在流量为600m 3/h 时的风机静压分别为

53.6Pa 和57.1Pa 。同时,方案2的噪声值也最小,比方案1与方案3分别低2.3dB 和0.6dB 。因此,在空间范围允许的情况下,出风口长度L 较大时使流速更加平稳,对空气起导流作用。而风轮与蜗壳的底部间隙不宜过大,也就是说在蜗壳高度一定的情况下,必须保证风轮与蜗壳的顶部有足够的张开度才能使空气流动性能较好。但也不能过小,避免因安装、运输等情况导致的变形而使风轮在运转过程中与蜗壳发生碰撞。

4结论

本文通过对空调器多翼离心风机风道的三维数值模拟,分析了内部压力和速度场分布云图。结果表明:蜗舌出口处长度L 及风轮与蜗壳底部间隙t 是影响空调器风量噪声的主要参数之一,因此设计过程中对这两个部位要予以重视。根据模拟结果提出了几种改进方案并进行测试验证以得到最优方案。试验证明,当蜗壳高度不变,适当增大出风口长度和减小风轮与蜗壳的底部间隙可以得到较理想的空气流动性能,并使风机的旋转噪声降低了2.3dB 。

参考文献

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(上接第14页)

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试验研究

22

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