多孔介質模型在多翼離心風機結構優(yōu)化的應用?

王 曼 周水清 張生昌

（浙江工業(yè)大學）

多孔介質模型在多翼離心風機結構優(yōu)化的應用?

王 曼 周水清 張生昌

（浙江工業(yè)大學）

為了研究多翼離心風機進口處加裝整流網(wǎng)對其性能的影響情況，以某家用抽油煙機為研究對象，針對其在運行過程中存在噪聲大等問題，利用FLUENT中多孔介質模型進行數(shù)值模擬，并制作新的樣機模型進行試驗驗證。研究結果表明，加裝整流網(wǎng)雖然會在一定程度上增加流阻，產(chǎn)生壓力損失，影響風機p-Q性能，但采用整流網(wǎng)可以改善進口附近回流現(xiàn)象，減小渦旋區(qū)域，有效增大流通面積。分析噪聲性能試驗結果可知，相比于原型機，新樣機降噪效果明顯，各工況點下平均降噪約0.9B。

多翼離心風機；多孔介質模型；整流網(wǎng)；降噪

0 引言

多翼離心風機作為一種依靠機械能提高氣體壓力，從而達到輸送氣體目的的從動流體機械，其內(nèi)部是一個非常復雜的三維非對稱流動[1]。Raj，Kind的研究表明，葉輪的進口處存在著一個流動分離區(qū)，約占1/3葉輪軸向寬度，該分離區(qū)始于集流器出口，橫跨葉輪進入蝸殼，是影響風機性能、造成其低效率的主要原因之一[2-3]。由于集流器對多翼離心風機進口處的氣流起到引導作用，使其均勻進入葉輪，故國內(nèi)外學者對進口處流動分離現(xiàn)象的改善主要集中在對集流器的結構進行優(yōu)化、安裝位置進行改進，以及改變?nèi)~輪前盤結構等方面[4-11]，而對進口處加裝整流網(wǎng)的研究尚不多見。

本文將針對某家用抽油煙機在運行過程中存在噪聲大的問題展開研究，分別通過數(shù)值模擬和試驗驗證分析進口處加裝整流網(wǎng)對風機性能的影響情況。為了更好地揭示加裝整流網(wǎng)后風機內(nèi)部流體的流動情況，本文將FLUENT中多孔介質模型運用于數(shù)值計算之中，并選用Porous Jump多孔躍升模型進行三維非定常流場計算，為風機結構優(yōu)化設計提供參考。

1 計算模型及方法

1.1 模型的建立及網(wǎng)格的劃分

原始模型的主要尺寸參數(shù)為：葉輪內(nèi)徑D1=205mm,葉輪外徑D2=242mm，葉片數(shù)z=60，葉片進口安裝角β1=80°，出口安裝角β2A=163°，葉輪寬度b=115mm ，葉片厚度l=0.4mm，葉片圓弧半徑r=14.2mm，蝸殼寬度b1=148mm，蝸殼高度h=349mm。為真實反映多翼離心風機內(nèi)部流場，在利用PROE進行模型的建立時將進出口段分別進行適當延長，以保證進出口氣體的流動充分發(fā)展，具體模型如圖1所示。

圖1 原型機結構圖及其數(shù)值計算模型Fig.1 Schematic diagram of the prototype and its numerical calculation model

由于網(wǎng)格的質量和數(shù)量對CFD的計算精度影響較大，故本文采用ANSYS/ICEM軟件對模型進行混合網(wǎng)格的劃分。其中葉輪區(qū)域采用質量高、生成速度快的結構網(wǎng)格，而蝸殼和進出口區(qū)域則采用適應性較強的非結構化四面體網(wǎng)格。為提高網(wǎng)格質量，使數(shù)值模擬結果更加精確，在進行網(wǎng)格劃分時，分別對邊界層、interface面、蝸舌以及部分面積較小的窄面進行加密處理，整個計算域的網(wǎng)格數(shù)為210.3萬，具體網(wǎng)格形式如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型圖Fig.2 Grid model diagram

1.2 邊界條件和計算方法

原型風機主要邊界條件為：壓力進口和壓力出口，定義葉輪區(qū)域為MRF動參考系模型，且繞z軸旋轉，其它區(qū)域定義為靜區(qū)域。定義葉片所有吸力面和壓力面為Moving-wall，旋轉方式設置為旋轉跟隨運動。本文的速度壓力耦合方式選用通用性較強的SIMPLE算法，以保證速度調(diào)節(jié)趨勢的正確性，動量方程、湍動能方程、耗散率方程的空間離散格式均采用二階迎風格式，湍流模型選擇RNG k-ε模型，且選用標準壁面函數(shù)，以CFD計算的定常結果作為初始條件，采用非定常方法進行模擬。

1.3 原型風機性能試驗原理及設備

本試驗嚴格遵循國家標準GB/T 17713-2011《吸油煙機》的外排式吸油煙機空氣性能試驗方法[12]，對風機的11種工況分別進行測定。該空氣性能測試臺基于孔板測量法，在設定電機輸出功率之后于計算機中輸入大氣壓強，選擇正做或反做模式，通過變換不同開口直徑的孔板，測量每一個工況點的動態(tài)測試數(shù)據(jù)。其試驗裝置原理圖如圖3所示。

圖3 氣動性能試驗裝置Fig.3 Performance test device

對比原型機測量值與對應工況點模擬值，繪制如圖4所示的p-Q性能曲線。

圖4 原型機p-Q性能曲線Fig.4 Original fanp-Qperformance curve

分析曲線可知，隨著孔板孔徑的增加，流量逐漸增大，靜壓呈現(xiàn)下降趨勢，且在靠近大流量工況點時壓力下降速度逐漸增大。這是因為葉輪在對氣體做功時需要克服各種損失如流動損失、沖擊損失、軸向渦流等。其中無沖擊時的流動損失

因為速度ci近似與流量成正比，故流動損失在流量的加大過程中呈遞增趨勢增加，導致壓力下降速度增大。對比分析試驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)可知，在小流量工況下模擬所得靜壓高于試驗，隨著流量增大，試驗靜壓下降趨勢較模擬靜壓緩慢，但兩者整體趨勢基本一致，且相對誤差保持在6%以內(nèi)，故可認為本文所選計算模型、方法以及邊界條件的設置是合理的，其預測性能的結果可信。

2 多孔介質模型及其應用

本研究所提出的整流網(wǎng)區(qū)域，是一個多孔的連續(xù)空間，故在進行數(shù)值模擬時采用輔助的多孔介質模型。該模型從本質上說就是在動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項[13]。多孔介質模型控制方程的附加動量源項為:

式中Si是第i個（x，y或z方向）動量方程中的源項，D和C分別為粘性阻力和內(nèi)部損失系數(shù)矩陣。該源項由兩部分組成，一部分是粘性損失項，即方程（1）右端第一項，另一部分是內(nèi)部損失項，即方程右端第二項。負的源項又被稱為“匯”，動量匯對多孔介質單元動量梯度的作用，在單元上產(chǎn)生一個正比于流體速度或速度平方的壓力降。

對于簡單均勻的多孔介質：

式中，α為滲透率；C2為內(nèi)部阻力因子。

本文在研究多孔介質模型對風機性能影響的同時，選用了具有高穩(wěn)定性和抗壓性、比重輕、孔隙率大等特點的蜂窩狀整流網(wǎng)，其具體模型如圖5所示。

圖5 蜂窩狀整流網(wǎng)結構Fig.5 Structure of honeycomb rectifier network

由于該蜂窩網(wǎng)很薄，厚度只有0.38mm，屬于簡單多孔介質模型，故在進行數(shù)值模擬時采用式（2）進行計算。導出其流體域并在ICEM中進行網(wǎng)格的劃分，在FLUENT軟件中進行風機內(nèi)部流場分析時，本研究采用的是Porous Jump多孔躍升模型，該模型較多孔介質模型簡單，采用這種模型計算過程將更加強健，收斂性更好，更不容易在擾動下發(fā)散。

3 數(shù)值計算結果分析

為了更好的研究多翼離心風機內(nèi)部的流動情況，現(xiàn)以葉輪后盤中心點為坐標系原點，分別選取x=0，y=0，z=0.08m處的子午面為觀測截面，如圖6所示。

圖6 風機觀測截面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the fan observation section

根據(jù)渦聲方程

式中，D=p/ρ+(1/2)υ2為流體總焓，J，p為壓力矢量，ρ為介質的密度；另外，流動渦矢量ω=?×υ，υ為速度矢量。方程左邊的微分式表示聲波在非均勻流體中的傳播，方程右邊即為渦聲源。對等熵低馬赫數(shù)流，流體受到哥氏加速度的散度是導致流動發(fā)聲的基本因素，其物理意義為渦線在速度場中被拉伸變形所產(chǎn)生的渦聲，即氣動噪聲來源于渦的拉伸與破裂[14]。由此可見渦聲理論中氣流輻射噪聲與渦量的大小有關，流場中渦量的大小、變化及其運動情況能夠直觀地反應輻射聲場的噪聲分布。

圖7給出了設計工況點下不同觀測截面處的渦量分布。分析圖7渦量分布圖可知，大渦量主要分布在集流器出口至葉輪進口之間、葉輪出口及電機附近區(qū)域。加裝蜂窩網(wǎng)后，多翼離心風機進口處渦量明顯少于原型機，圖中A，B區(qū)域渦量已減少至100s-1以下，另外，靠近后盤側的電機附近渦量也有一定程度的減小。這說明進口加整流網(wǎng)能夠有效減少氣流進入蝸殼時的擾動程度，減少流體對葉輪的沖擊，進而達到減小渦流噪聲的效果。

圖7 不同觀測截面處渦量分布圖(色標單位s-1)Fig.7 Vorticity distribution at different observation sections(color units-1)

為了更好的研究風機內(nèi)部流體流動情況，圖8、圖9給出了不同工況下兩種風機在y=0觀測面處的絕對速度流線圖。

圖8 原型機不同工況下y=0觀測面處的絕對速度流線圖（色標單位m/s）Fig.8 The absolute velocity streamline at the observation section aty=0 under different operating conditions of the original fan(color unit:m/s)

從圖8中可以看出，受后盤側電機結構的影響，該附近流域出現(xiàn)較為嚴重的回流現(xiàn)象，觀察圖9中虛線框內(nèi)A，B，C，D，E處流體流動情況可知，在不同流量工況點下，加裝整流網(wǎng)后電機附近及靠近出口側的集流器附近回流現(xiàn)象得到改善，這說明進口處加裝整流網(wǎng)能夠減小渦旋區(qū)域，增大有效流通面積，進而達到優(yōu)化噪聲情況的作用。另外，兩圖均表現(xiàn)出高速區(qū)范圍隨流量的增加不斷增大的趨勢，通過對比實線框內(nèi)Ⅰ，Ⅱ處流域可知，相比于原型機，加裝整流網(wǎng)后低速區(qū)范圍在一定程度上有所減小，葉輪出口處高速區(qū)擴大，流體流通情況得到改善。

圖9 加裝整流網(wǎng)風機不同工況下y=0觀測面處的絕對速度流線圖（色標單位m/s）Fig.9 The absolute velocity flow chart at the observation sectiony=0 under different operating conditions of the rectifier fan(color unit:m/s)

4 試驗驗證及結果分析

為了驗證以上數(shù)值模擬結果的準確性，分別對原型機和加裝整流網(wǎng)的多翼離心風機進行氣動性能試驗和噪聲測試。其中氣動性能試驗原理同上，噪聲測試采用全球包絡法于半消聲室中進行。風機位于半消聲室中央即球面半徑R=1.414m的球心處，四個測試點A,B,C,D均布于與球心相距1m的水平面與包絡面交界的圓上，如圖10和圖11給出了具體的試驗裝置。

圖10 空氣性能試驗裝置圖Fig.10 The picture of pneumatic performance test device

圖11 半消聲室圖Fig.11 The picture of semi-anechoic chamber

兩種風機在不同工況點下的靜壓分布曲線和全壓效率分別見圖12和圖13。由圖12可知，加裝整流網(wǎng)后，風機性能較原型機有所下降，其差異在小流量工況點處表現(xiàn)更為明顯。隨著流量的增大，網(wǎng)格阻力產(chǎn)生的壓力損失對風機性能影響的程度逐漸變小。從全壓效率-流量曲線圖可以看出，風機全壓效率呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢，且最大全壓效率均向大流量工況點偏移。加裝整流網(wǎng)后風機效率在設計工況點附近有略微降低，但整體而言整流網(wǎng)對效率的影響并不是很明顯。

圖12 靜壓分布曲線圖Fig.12 Static pressure distribution curve

圖13 全壓效率圖Fig.13 Full pressure efficiency curve

圖14為試驗所得不同流量下風機總聲級曲線圖。分析可知，風機聲壓級隨流量的增加不斷增大，在相同流量下，加裝整流網(wǎng)的風機噪聲值明顯低于原風機，且差值保持在0.9dB左右。由此驗證了數(shù)值模擬的準確性，即進口處加裝整流網(wǎng)可以有效改善風機內(nèi)部流體流動狀況，減小因渦的拉伸與破裂而產(chǎn)生的氣動噪聲，使原風機在運行過程中存在的噪聲大的問題得到初步的緩解。

圖14 噪聲特性曲線圖Fig.14 Noise characteristic curve

通過對比不同工況下兩種風機的性能曲線和噪聲特性曲線可知，加裝整流網(wǎng)雖然會在一定程度上增加風機流阻，使其p-Q性能降低，但其降噪效果明顯，且在大流量工況點下其性能被影響的程度較低，故在實際設計時可適當增大風機流量，在保證風機p-Q性能的前提下達到降噪的目的。

5 結論

本文將FLUENT中多孔介質模型應用于進口加裝整流網(wǎng)對風機性能影響的研究中，并對加網(wǎng)和不加網(wǎng)兩種多翼離心風機分別進行CFD數(shù)值模擬和試驗驗證，研究結果表明：

1）原型機數(shù)值計算和試驗驗證結果整體趨勢一致，且誤差保持在6%以內(nèi)，證明了本文數(shù)值計算方法的可行性和準確性。

2）加裝整流網(wǎng)后風機進口處渦量分布較原型機明顯減少，靠近出口側集流器附近及電機周圍流域回流現(xiàn)象得到改善。

3）噪聲測試結果證明整流網(wǎng)對多翼離心風機具有明顯的降噪效果，各流量工況點下噪音降低約0.9dB。風機氣動性能試驗表明，加裝整流網(wǎng)會在一定程度上降低風機p-Q性能，但隨著流量的增大，其p-Q性能影響程度減弱，因此建議在實際設計中適當增大風機流量，在以降噪為前提的情況下保證風機整體氣動性能。

[1]Ballesteros-tajadurar,Velarde-suarezs,Daikma,etal.Numericalmodel for the unsteady flow feature of a squirrel cage fan[C].Proceedings of the ASME 2009 Fluids Engineering Division Summer Meeting.New York,USA:ASME,2009:173-183.

[2]Raj D,Swim W B.Measurements of the mean flow velocity fluctuations at the exit of an FC centrifugal fan rotor[J].ASME,Journal of Engineering for Power,1981,103:393-399.

[3]Kind R J,Tobin M G.Flow in a centrifugal fan of the squirrel-cage type[J].Transactions of the ASME,Journal of Turbomachinery,1990,112:84-90.

[4]吳秉禮.“瘦身”集流器和擴壓器對軸流通風機性能的影響[J].風機技術，2010（1）：16-18.

[5]Montazerin N,Damangir A,Mirian S.A new concept for squirrelcage fan inlet[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers.Part A:Journal of Power and Energy,1998,212(5):343-349.

[6]王嘉冰，曲穎達，吳克啟.空調(diào)風機葉道內(nèi)旋渦流動分析及進氣口偏心的影響[J].工程熱物理學報，2005,26（6）：951-953.

[7]莊鎮(zhèn)榮.集流器對前向多翼離心風機氣動性能的影響分析[J].風機技術，2002（3）：14-15.

[8]黃友艷，秦國良.面向降噪的汽車空調(diào)用多翼離心風機性能研究及改進[J].風機技術，2012（5）：14-18.

[9]許文明，鄭祖義，萬忠民，等.空調(diào)柜機多翼離心風機集流器的優(yōu)化研究[J].制冷學報，2012,33（3）：58-61.

[10]劉洋，楊志剛，李啟良.集流器形式對軸流式風機性能影響的研究[J].風機技術，2012（3）：19-21，39.

[11]曹廷云，陳雪江，秦國良.多翼離心風機噪聲分析的試驗及數(shù)值研究[J].風機技術,2014（4）：21-24.

[12]中國國家標準化管理委員會.GB/T 17713-2011，吸油煙機[S].中國標準出版社,2012.

[13]楊軍虎，馬靜先，唐蓮花，等.多孔介質模型在二次濾網(wǎng)內(nèi)流場分析中的應用[J].蘭州理工大學學報，2007,33（2）：58-61.

[14]周水清，王軍，王興雙.Bezier函數(shù)型彎葉片的軸流風扇氣動性能研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2013,41（3）：106-109.

Application of Porous Media Model in Structural Optimization of Multiblades Centrifugal Fan

Man WangShui-qing ZhouSheng-chang Zhang
（Zhejiang University of Technotogy）

In order to study the influence of a rectifier network on a multibladed centrifugal fan performance,a domestic range hood is analyzed in this paper.The numerical simulation is performed by using the porous media model in the FLUENT software,additionally,a new model was developed for experimental verification.The results indicate that the rectifier network increases the flow resistance,thus generating a pressure loss,which affects the fan performance.It,however,improves the back flow around the inlet,decreasing the vortex area,but effectively increasing the flow area.Analyzing the acoustic sound pressure level test results,the new model obviously shows a noise reduction compared with the original model.The average noise at all the operating conditions is reduced by 0.9 dB.

multi-blades centrifugal fan,porous media model,rectifier network,noise reduction

TH452；TK05

1006-8155-(2017)05-0065-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.05.0011

國家自然科學基金項目（51706203）

2017-07-24 浙江 杭州 310014