一種家用軸流風(fēng)葉變形控制方法

謝麗婷 馬驍骙 付天琳 何振斌 陳飛帆

廣東美的生活電器制造有限公司 廣東佛山 528300

0 引言

軸流風(fēng)扇是一種常見的家用電器，其工作原理是利用電機帶動風(fēng)葉轉(zhuǎn)動，加速空氣流動，達(dá)到給人體降溫，增加舒適性的效果。風(fēng)葉主要材料為ABS、PP等塑料，在運轉(zhuǎn)時受離心力和氣動力的影響，會產(chǎn)生垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向的擺動變形，使風(fēng)葉做功區(qū)域發(fā)生變化，導(dǎo)致風(fēng)量、風(fēng)速、噪聲值等氣動性能偏離設(shè)計值，造成異常振動、噪聲等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶體驗[1]。因此，如何在保持出風(fēng)效果的前提下，提高風(fēng)葉的剛度，減少風(fēng)葉變形量，對提升設(shè)計水平、確保實際產(chǎn)品性能、改善聲品質(zhì)有著重要影響。

目前國內(nèi)仍有部分風(fēng)扇廠商采用較為傳統(tǒng)的研發(fā)方式，主要依賴于產(chǎn)品開發(fā)人員的經(jīng)驗和多次試驗驗證，并沒有采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)手段，費時費力，不利于產(chǎn)品的快速迭代，嚴(yán)重制約企業(yè)的發(fā)展。計算流體力學(xué)在風(fēng)扇分析領(lǐng)域的應(yīng)用，可大幅縮減產(chǎn)品的設(shè)計周期[2,3]。湯黎明[4]應(yīng)用FLUENT等軟件對冷卻風(fēng)扇展開數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)去除導(dǎo)風(fēng)罩環(huán)形部分降噪效果顯著。趙廣銀[5]論證了邊界層網(wǎng)格與多面體網(wǎng)格對流場數(shù)值模擬的精確性發(fā)揮的重要作用。陳慧敏[6]等借助湍流模型對風(fēng)扇進(jìn)行了流場計算，得出了安裝旋轉(zhuǎn)環(huán)有益于風(fēng)扇效率與靜壓提升的理論。張莉[7]等結(jié)合數(shù)值仿真與參數(shù)優(yōu)化，為小型軸流式吹風(fēng)機減少設(shè)計成本。潘京大[8]等利用CFD仿真軟件對空調(diào)換熱器風(fēng)速分布進(jìn)行了仿真和分析，并對該換熱器流路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

大量研究表明，通過計算機數(shù)值仿真可以預(yù)測流動性能，對復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)流場進(jìn)行微觀研究，已逐漸成為研究軸流機構(gòu)性能的重要手段。但是其對家用軸流風(fēng)葉剛度研究的幫助則非常有限，一是由于成本與制作外觀等條件的限制，難以通過添加增強纖維、增加金屬嵌件[9]等方法增加風(fēng)葉的剛度；二則難以同時兼顧剛度、強度及流體性能，因此有許多問題亟待解決。

本研究以某型號風(fēng)扇為研究對象，建立家用軸流風(fēng)葉運行過程的流固耦合模型，引入基于雙目立體視覺的高速攝像機測量風(fēng)葉變形量，結(jié)合試驗和仿真共同分析風(fēng)葉的變形情況，在保持風(fēng)葉重要曲面構(gòu)造、保證風(fēng)葉氣動性能的前提下，通過改進(jìn)風(fēng)葉局部結(jié)構(gòu)提高整體剛度，降低變形量，從而改善聲品質(zhì)。

1 風(fēng)葉變形量測試

1.1 測試原理與平臺

本文采用基于雙目立體視覺的高速三維成像法，實現(xiàn)對風(fēng)葉在900 r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)過程中擺動幅度的測量。高速成像系統(tǒng)由光學(xué)成像、光電成像、信號傳輸、控制、圖像存儲與處理等幾部分組成，可以在很短的時間內(nèi)完成對高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時，所記錄目標(biāo)的變化過程就可清晰呈現(xiàn)[10]。隨后，用高速運動圖像分析軟件分析高速數(shù)字?jǐn)z像機所拍攝的圖像序列，對其中的特征點和標(biāo)記點進(jìn)行自動跟蹤，計算其位移、速度、加速度。該技術(shù)能捕捉到肉眼無法看清楚的圖像和運動過程，因此在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[10-13]。

本文測試拍攝所用設(shè)備為Phantom 710L高速攝像機（VIsion Research公司，新澤西州韋恩市，美國），如圖1所示，規(guī)格為1280×800@7530 fps。空間位置的標(biāo)定、采集、跟蹤及測量采用TEMA運動分析軟件。

圖1 高速攝像機Phantom 710L

1.2 測試條件

本文采用某型號的風(fēng)葉為研究對象。在測試樣本和標(biāo)定塊上標(biāo)記測量點，使測量設(shè)備能對標(biāo)定點的空間坐標(biāo)進(jìn)行跟蹤測量。如圖2中#1、#2、#3為輪轂的標(biāo)簽，#4為靠近葉尖的位置。

圖2 風(fēng)葉標(biāo)簽點粘貼示意圖

調(diào)整攝像頭及系統(tǒng)參數(shù)（拍攝頻率不少于3000 Hz），在風(fēng)扇及周圍環(huán)境靜止時進(jìn)行拍攝以便獲取靜止時各點的坐標(biāo)值，后期用于把葉尖標(biāo)記點到輪轂平面的距離轉(zhuǎn)換成擺動幅度。啟動風(fēng)扇，待其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，繼續(xù)進(jìn)行運行狀態(tài)的拍攝[14]。

1.3 測試結(jié)果

完成靜止及旋轉(zhuǎn)的圖像拍攝后，使用TEMA高速運動圖像分析軟件，建立系統(tǒng)空間坐標(biāo)系下各時刻各標(biāo)定點的系統(tǒng)平面坐標(biāo)值和xyz坐標(biāo)值。在Hypermesh軟件中把圖2標(biāo)記點#1、#2、#3、#4所有時刻的位置進(jìn)行復(fù)原，形成由一系列點組成的軌跡圖，如圖3 a)所示。中間一圈點為輪轂上三個標(biāo)記點#1、#2、#3所有時間所處位置的集合，外圈是葉尖上的標(biāo)記點#4所有時間所處位置的集合。在Hypermesh軟件中，每個時刻分別以#1、#2、#3三點建立一個平面，#4到該平面的距離則為每個時刻葉尖上標(biāo)記點距離輪轂平面的距離，如圖3 b)所示。各點在運動時刻與靜止時刻距離輪轂平面的距離之差為擺動幅度。圖4為標(biāo)記點#4旋轉(zhuǎn)過程中的擺動幅度圖，可見#4的擺動幅度隨時間呈周期性變化，最大擺動幅度為1.39 mm，最小擺動幅度為0.20 mm，平均擺動幅度為0.88 mm。

圖3 Hypermesh軌跡圖

圖4 標(biāo)記點#4處的擺動幅度

2 風(fēng)葉變形量仿真

2.1 風(fēng)葉變形仿真建模

本文在Ansys Workbench平臺上，通過流固耦合的仿真方法，分析風(fēng)葉在氣動載荷和離心力共同作用下的變形情況，先用Fluent計算風(fēng)葉在900 r/min轉(zhuǎn)速下所受的氣動載荷，再把氣動載荷作為靜態(tài)壓力傳遞至靜力分析模塊中，施加至風(fēng)葉對應(yīng)區(qū)域。流體計算采用流體域、旋轉(zhuǎn)域的三維模型。旋轉(zhuǎn)域為直徑406 mm，高70 mm的圓柱體，中間抽空風(fēng)葉實體。流體域為長9 m，直徑800 mm的圓柱體，中間抽空旋轉(zhuǎn)域?qū)嶓w。旋轉(zhuǎn)域前方距離流體域壓力出口7 m，距離壓力入口2 m。旋轉(zhuǎn)域風(fēng)葉對應(yīng)的內(nèi)表面設(shè)置成移動壁面，以旋轉(zhuǎn)模式運動。計算采用Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，求解采用壓力基求解器，壓力速度耦合選用SIMPLE算法，動量方程選擇二階迎風(fēng)離散插值。靜力分析約束風(fēng)葉與電機軸銷連接處的自由度，施加轉(zhuǎn)速900 r/min。所用風(fēng)葉材料為專用樹脂，為彈塑性材料，密度為1.17 g/cm3，楊氏模量為3000 MPa。

2.2 仿真結(jié)果分析

從Fluent分析結(jié)果可知，風(fēng)葉在該轉(zhuǎn)速下正面與背面的壓力分布分別如圖5、圖6所示。壓力面中心位于風(fēng)葉上半部分靠近葉尖處。從流固耦合仿真結(jié)果可知，風(fēng)葉發(fā)生最大變形處為葉尖，變形后的風(fēng)葉如圖7所示，垂直于輪轂平面方向最大變形為1.04 mm，標(biāo)記點#4的變形量為0.97 mm。

圖5 風(fēng)葉正面壓力分布圖

圖6 風(fēng)葉反面壓力分布圖

圖7 風(fēng)葉擺動幅度分布云圖

與圖4的擺動幅度測試值相比，該仿真值位于平均擺動幅度與最大幅度之間，更接近平均擺幅，原因是流體部分計算采用穩(wěn)態(tài)計算，沒有考慮流體流動的瞬態(tài)效應(yīng)，固體部分采用靜力學(xué)計算，沒有考慮動態(tài)效應(yīng)，兩場耦合的方式也沒有考慮固體變形后對流體產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，因此仿真結(jié)果更接近于靜態(tài)加載。但由于該行業(yè)開發(fā)周期及仿真計算成本問題，且風(fēng)葉在該工況下的變形不屬于明顯大變形，仿真結(jié)果仍有一定的參考意義。

3 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)改進(jìn)和試驗驗證

3.1 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)改進(jìn)

風(fēng)葉的氣動性能取決于復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)和幾何構(gòu)型，因此，本身的氣動設(shè)計極為重要。單獨顯示一個風(fēng)葉的壓力云圖，如圖8所示，可見分界線以外的區(qū)域承受約98%的氣動載荷，為風(fēng)葉的主要做功區(qū)域，對氣動性能影響極其重要。因此，若以不得改變風(fēng)葉氣動性能為前提，分界線以外區(qū)域的曲面構(gòu)型及相對于輪轂的空間位置不作改動。

圖8 原結(jié)構(gòu)壓力云圖及分界線定位

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了解決大變形問題，通常采用提高結(jié)構(gòu)剛度的手段達(dá)到減小變形目的?？梢詮臏p小彎矩，縮短跨距長度，改集中力為分布力，改變支座條件，提高截面慣性矩，提高材料彈性模量，合理布置各構(gòu)件等手段提高結(jié)構(gòu)整體剛度。本案例中，采用提高非主要做功區(qū)域的彎度以提高截面慣性矩，從而提高風(fēng)葉的剛度。

如圖9所示，虛線為改進(jìn)前風(fēng)葉曲面部分與輪轂連接處的截面形狀，位于分界線以內(nèi)的區(qū)域，可見該處彎度較小，幾乎呈直線走向。增加非主要做功區(qū)域，即分界線以內(nèi)區(qū)域的彎度，改進(jìn)前后的風(fēng)葉對比及風(fēng)葉與輪轂連接處的截面形狀如圖9中實線所示。改進(jìn)后，從風(fēng)葉對比可見，在分界線以外的區(qū)域，兩者的曲面重合，在與輪轂連接處，新結(jié)構(gòu)與舊結(jié)構(gòu)的彎度不同，沿葉尖的方向逐漸趨于一致，平緩過渡至分界線。

圖9 改進(jìn)前后風(fēng)葉曲面部分與輪轂連接處的截面

3.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有限元分析和試驗驗證

對改進(jìn)后的風(fēng)葉模型進(jìn)行流固耦合分析，從流體仿真結(jié)果得知，在相同轉(zhuǎn)速下，正面與背面的壓力分布分別如圖10、圖11所示，與圖5、圖6對比，壓力面和吸力面區(qū)域等壓線分布幾乎一致，靠近葉根處略有不同，說明該局部區(qū)域的改變對空氣作用于葉面的影響不大。靜力分析結(jié)果顯示，風(fēng)葉發(fā)生最大變形處仍為葉尖，垂直于輪轂平面方向最大變形為0.81 mm，如圖12所示。

圖10 改進(jìn)后風(fēng)葉正面壓力分布圖

圖11 改進(jìn)后風(fēng)葉反面壓力分布圖

圖12 改進(jìn)后風(fēng)葉擺動幅度分布云圖

為進(jìn)一步準(zhǔn)確評估改進(jìn)方案，對新結(jié)構(gòu)用同樣的材料進(jìn)行制作，并對兩者氣動性能及變形進(jìn)行對比。新舊結(jié)構(gòu)同樣位置標(biāo)記點#4旋轉(zhuǎn)過程中的擺動幅度對比圖如圖13所示，兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)葉氣動性能及變形測試結(jié)果如表1所示，改進(jìn)后風(fēng)葉標(biāo)記點#4的最大變形量由1.388 mm下降至1.074 mm，下降幅度為22.62%，說明新風(fēng)葉的剛度有所提高。風(fēng)量為36.17 m3/min，風(fēng)速為225.6 cm/s，噪聲值為52.17 dB，與舊風(fēng)葉相比，風(fēng)量風(fēng)速雖然有所下降，但下降幅度小于4%，在可以接受范圍內(nèi)；聲品質(zhì)有所改善，噪聲值下降0.95 dB，說明改進(jìn)方案對風(fēng)葉氣動性能影響較小，變形控制取得了較為理想的效果。

圖13 改進(jìn)前后#4標(biāo)記點擺動幅度對比圖

表1 改進(jìn)前后風(fēng)葉氣動性能及變形對比

4 結(jié)論

家用軸流風(fēng)葉在運轉(zhuǎn)過程中容易出現(xiàn)擺動幅度大的問題。本文結(jié)合流固耦合仿真方法、高速三維成像法以及風(fēng)葉氣動性能測試，分析了風(fēng)葉的變形問題，在不影響氣動性能的前提下，提高結(jié)構(gòu)剛度，實現(xiàn)對變形量的控制。本文所涉及的風(fēng)葉變形分析及控制方法，對同類產(chǎn)品的設(shè)計與剛度驗證具有參考意義。通過用某型號風(fēng)葉開展試驗，得到以下結(jié)論：

（1）軸流風(fēng)葉在高轉(zhuǎn)速下容易產(chǎn)生較大變形；

（2）改變風(fēng)葉主要做功區(qū)域以外的造型對風(fēng)葉氣動性能影響較??；

（3）提高風(fēng)葉葉根處截面的彎度，有利于提高風(fēng)葉整體剛度，減小變形量，從而降低噪聲值，改善聲品質(zhì)。