不同進(jìn)口角度面板對(duì)貫流風(fēng)幕機(jī)內(nèi)流與噪聲特性的影響

余 星，王 軍，諸永定，丁炎炎，尹國(guó)慶，楊筱沛

（1.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074；.浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江寧波 315336）

0 引言

貫流風(fēng)機(jī)作為一種通用機(jī)械廣泛應(yīng)用于家電行業(yè)，在倡導(dǎo)節(jié)能減排、提升人們生活質(zhì)量的新形勢(shì)下，開(kāi)發(fā)低噪聲的產(chǎn)品成為大勢(shì)所趨。針對(duì)傳統(tǒng)的貫流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，有許多相關(guān)研究。在進(jìn)口流動(dòng)影響研究方面，F(xiàn)UKUTOMI等［1］發(fā)現(xiàn)在貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)口加裝導(dǎo)流道能提高性能。消除氣流進(jìn)口的回流渦，影響內(nèi)部渦流，達(dá)到提高出口風(fēng)量，降低噪聲的目的。RICKETTS［2-3］發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)進(jìn)口的貫流風(fēng)機(jī)和一種V型進(jìn)口的農(nóng)用貫流風(fēng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)進(jìn)口的貫流風(fēng)機(jī)提高了出口風(fēng)量和壓力，V型進(jìn)口的農(nóng)用貫流風(fēng)機(jī)降低了噪聲同時(shí)提高了出口風(fēng)速。楊彤等［4］研究了貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)出口角度的比值，研究發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)較合理的比值范圍，使得貫流風(fēng)機(jī)的噪聲降低。胡俊偉等［5］研究發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)機(jī)進(jìn)口角度減小，進(jìn)口流速增加，吸氣能力提升，但同時(shí)隨著進(jìn)口角減小，進(jìn)風(fēng)面積也隨之減小，從而出口風(fēng)速降低。伍禮兵等［6］研究發(fā)現(xiàn)空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)中，采用不同的換熱器和進(jìn)口面板，會(huì)影響貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)的偏心渦位置和出口風(fēng)速。在貫流風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬方面，鄒建煌［7］的研究發(fā)現(xiàn)，在貫流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬中，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)出口角度長(zhǎng)短大小的選取，當(dāng)選取值在較好的范圍時(shí)，模擬結(jié)果會(huì)比較準(zhǔn)確。邵霖等［8］研究了貫流風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬過(guò)程中，采用不同的湍流模型對(duì)貫流風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬內(nèi)流場(chǎng)的影響其不同。張師帥等［9］則利用CFD技術(shù)對(duì)空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。

目前，貫流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)依舊沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的理論方法，雖然空調(diào)貫流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)方法，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但對(duì)傳統(tǒng)貫流風(fēng)機(jī)而言，空調(diào)用貫流風(fēng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并不完全適用，而采用不同的進(jìn)口面板來(lái)控制貫流角度，為貫流風(fēng)機(jī)的噪聲優(yōu)化提供了一種參考。

1 研究對(duì)象

風(fēng)幕機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，葉輪外徑D為120 mm，內(nèi)徑d為82 mm；葉片數(shù)n為37，葉片為兩段式圓弧葉片，葉輪節(jié)數(shù)為10節(jié)，采用交錯(cuò)配置，葉輪轉(zhuǎn)速為1 300 r/min；風(fēng)機(jī)出風(fēng)口高度b為61 mm，出口導(dǎo)流板在高度1/2處，風(fēng)機(jī)整個(gè)軸向長(zhǎng)度為900 mm；進(jìn)口面板開(kāi)孔為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)為40 mm、寬為5 mm，沿Y方向上長(zhǎng)方形孔交錯(cuò)排布，交錯(cuò)排布距離為長(zhǎng)方形長(zhǎng)的一半即20 mm，相鄰兩行之孔間距離為2.5 mm，沿Z方向上，每個(gè)長(zhǎng)方形孔之間距離為3 mm。

圖1 風(fēng)幕機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of air curtain machine

對(duì)4種不同進(jìn)口面板（見(jiàn)表1）進(jìn)行數(shù)值模擬與噪聲試驗(yàn)，開(kāi)孔位置示意如圖2所示。依據(jù)圖中所示的坐標(biāo)系，以X軸為起點(diǎn)，X軸與進(jìn)口面板開(kāi)孔最上側(cè)之間的夾角控制開(kāi)孔的位置，進(jìn)口面板開(kāi)孔的最上側(cè)與最下側(cè)之間的夾角控制開(kāi)孔的數(shù)量，通過(guò)以上角度來(lái)確定進(jìn)口面板的開(kāi)孔范圍。

表1 面板參數(shù)Tab.1 Panel parameters

圖2 開(kāi)孔位置示意Fig.2 Schematic diagram of opening position

2 數(shù)值計(jì)算

利用FLUENT 15.0軟件對(duì)貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。貫流風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部氣流為三維黏性湍流流動(dòng)。在研究中采用三維時(shí)均雷諾N-S方程，湍流模型為RNG k-ε模型，采用二階迎風(fēng)格式離散化，壓力和速度耦合采用SIMPLEC算法。貫流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，因此考慮氣體為不可壓縮，葉輪區(qū)域采用frame motion，葉輪轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，邊界條件為壓力進(jìn)出口。計(jì)算殘差值小于10-4，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。

網(wǎng)格分為6個(gè)區(qū)域，利用TurboGrid劃分葉輪區(qū)域網(wǎng)格，icem劃分其他區(qū)域的網(wǎng)格，其中葉輪和中心轉(zhuǎn)軸區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式，其他區(qū)域?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，選擇總網(wǎng)格數(shù)約為1 100萬(wàn)的網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算，各區(qū)域網(wǎng)格數(shù)見(jiàn)表2。網(wǎng)格模型如圖3所示。

表2 網(wǎng)格參數(shù)Tab.2 Mesh parameters

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 數(shù)值方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算模型的有效性，進(jìn)行了原機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)布置及測(cè)量?jī)x表遵循GB/T 7725—2004和GB/T 1236—2000，進(jìn)口處為自由進(jìn)口，出口處使用牽引風(fēng)機(jī)提供背壓。使用采用傳感器測(cè)量流量、壓力；使用電測(cè)法測(cè)量功率，重復(fù)性測(cè)量精度在±2%以內(nèi)。測(cè)試中，通過(guò)不斷改變牽引風(fēng)機(jī)的功率來(lái)提供不同的出口背壓，從而改變風(fēng)機(jī)流量，得到各個(gè)工況點(diǎn)流量結(jié)果。性能試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

圖4 性能試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Performance test rig

將數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示，給出了葉輪轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)，風(fēng)機(jī)流量隨風(fēng)機(jī)出口背壓變化的曲線。由于模擬采用簡(jiǎn)化模型，因此試驗(yàn)與模擬存在一定誤差。模擬時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)軸向長(zhǎng)度進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即取其中兩節(jié)葉輪的通流區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域?？傮w上流量壓力性能曲線的趨勢(shì)相似，最大相對(duì)誤差約為6%，說(shuō)明該模型的數(shù)值模擬有效。

圖5 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證Fig.5 Verification of numerical simulation

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

取工作工況點(diǎn)（葉輪轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，進(jìn)口表壓為0 Pa，出口靜壓為0 Pa）作為設(shè)計(jì)工況，對(duì)改變進(jìn)口面板開(kāi)孔位置后的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在軸向上Z=35 mm處截取橫截面，內(nèi)流結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6（a）示出原型機(jī)內(nèi)流結(jié)構(gòu)，在進(jìn)口位置存在上下兩個(gè)大型的回流渦結(jié)構(gòu)，這是由整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的。與對(duì)照組相比，模型A和模型B，由于進(jìn)口上側(cè)開(kāi)孔上移，回流渦1向蝸殼內(nèi)側(cè)偏移，橫方向上偏移-8 mm、縱軸方向上偏移10 mm，渦流范圍減小。模型C，回流渦1向蝸殼內(nèi)側(cè)偏移尺度大，沿橫軸方向上偏移-28 mm，沿縱軸方向上偏移17 mm，而渦流范圍有明顯的減小。

圖6 Z=35 mm截面流線Fig.6 Streamline diagram of Z=35 mm section

模型A和模型C，由于進(jìn)口下側(cè)開(kāi)孔上移，進(jìn)口回流渦2流向葉輪方向偏移，沿縱軸方向上偏移13 mm，渦流范圍增大。

相對(duì)于原型機(jī)、模型A和模型B內(nèi)部偏心渦3位置無(wú)明顯變化。模型C中，偏心渦3的位置在縱軸方向上偏移+3 mm，在橫軸方向上偏移-3 mm，即偏心渦渦心朝遠(yuǎn)離蝸舌的方向移動(dòng)，致使貫流區(qū)域減小、流量降低。

全壓與流量結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)比，在設(shè)計(jì)工況下（出口壓力為大氣壓），3種方案較原型機(jī)全壓變化分別為-2.6%，3.0%，-3.9%，流量變化-1.0%，1.5%，-2.8%，與風(fēng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)口渦流范圍以及偏心渦位置變化一致。

表3 全壓與流量結(jié)果Tab.3 Results of total pressure and flow rate

渦心處渦量值見(jiàn)表4。在回流渦1處，模型A渦量降低，而模型B和模型C在此處渦量升高?；亓鳒u2處，模型A，B，C渦量降低，模型C處渦量降低明顯。

表4 渦量結(jié)果Tab.4 Results of vorticity s-1

4 噪聲試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)以上4種進(jìn)口結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，采用了如圖7所示的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜特性測(cè)量方式，麥克風(fēng)對(duì)稱分布在風(fēng)機(jī)4個(gè)方向上，距離風(fēng)機(jī)1 m的位置上，依據(jù)測(cè)得噪聲頻譜圖，計(jì)算平均A聲級(jí)噪聲值。

圖7 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)量示意Fig.7 Schematic diagram of far field noise measurement

對(duì)上述4種面板貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了噪聲試驗(yàn)測(cè)試，頻譜如圖8～11所示。貫流風(fēng)機(jī)基頻約為801 Hz。測(cè)量噪聲呈現(xiàn)指向性特性，Mic#2，Mic#3，Mic#4測(cè)得遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜圖顯示，噪聲在基頻處最高。風(fēng)機(jī)兩側(cè)Mic#2，Mic#3噪聲值相近，而在風(fēng)機(jī)背側(cè)Mic#4的噪聲值相對(duì)兩側(cè)噪聲值有較小的提高。在風(fēng)機(jī)出口方向上的Mic#1，顯示出不同的頻譜特性，相對(duì)于其他3個(gè)方向，噪聲值在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口正方向上波峰段高出4～5 dB（A），并且出現(xiàn)了2個(gè)波峰段，30～200 Hz之間的小波峰和600～5 000 Hz之間的大波峰。

圖8 原型機(jī)噪聲頻譜Fig.8 Noise spectrum of prototype

圖9 模型A噪聲頻譜Fig.9 Noise spectrum of model A

Mic#1所測(cè)得4組試驗(yàn)噪聲頻譜圖中，模型A和模型C在小波峰處噪聲有明顯降低，即在關(guān)閉進(jìn)口面板下側(cè)孔時(shí)，低頻段30～200 Hz之間的噪聲降低。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，模型A和模型C，回流渦2范圍有一定程度增大，但是渦流強(qiáng)度減小，渦流區(qū)域流速降低，導(dǎo)致此處渦流噪聲減?。?0］，同時(shí)，由于渦流范圍增大，導(dǎo)致流量降低，也會(huì)導(dǎo)致整體氣動(dòng)噪聲減小。

在 Mic#1、Mic#2、Mic#3、Mic#4 所測(cè)頻譜圖中，模型A，B，C相對(duì)于原型機(jī)，在基頻處噪聲值均有降低。

4種面板風(fēng)機(jī)整體噪聲測(cè)量值見(jiàn)表5。

表5 噪聲結(jié)果Tab.5 Results of noise dB（A）

5 結(jié)論

（1）改進(jìn)貫流風(fēng)幕機(jī)進(jìn)口面板，能夠使進(jìn)口處回流渦范圍改變，并且隨著進(jìn)口開(kāi)孔上移，上側(cè)回流渦的范圍縮小，下側(cè)回流渦范圍增大，下側(cè)回流渦渦流強(qiáng)度減小。

（2）在一定的轉(zhuǎn)速工況下，模型B所使用的進(jìn)口面板開(kāi)孔位置及角度，可以減小進(jìn)口回流渦范圍，提升風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能，使全壓上升3.0%，流量增加1.5%。

（3）在一定轉(zhuǎn)速工況下，調(diào)整貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)口面板開(kāi)孔角度，能夠減小進(jìn)口渦流的渦流強(qiáng)度，減小進(jìn)口處渦流噪聲，較大幅度降低風(fēng)機(jī)噪聲，同時(shí)渦流范圍增大也導(dǎo)致流量降低，噪聲降低。綜合以上，模型C，噪聲降低3.3 dB（A），降噪效果明顯。