（制冷及低温工程专业论文）空调用贯流风机内部流场数值分析及实验研究.pdf

空调用贯流风机内部流场数值分析及实验研究 摘要 为降低k f r d 3 5 g w 0 5 4 一e 1 型空调器运行噪音并提高风量，利用a n s y s c f x 计算流体力学软件对该空调的贯流风机进行数值模拟，考察了结构参数的 改变对贯流风机内部流场及性能的影响，并进行了实验验证。主要内容有：( 1 ) 对k f r d 一3 5 g w 0 5 4 e l 型空调器用贯流风机进行c f d 分析，通过内部流场分 析寻找产生异常噪音的原因；( 2 ) 考察不同蜗舌间隙、蜗壳型线、叶片斜度及 转速时贯流风机流场分布情况及性能变化规律，确定改进样机模型参数；( 3 ) 分别采用焓差法综合性能试验台和噪声检测仪对原样机和改进样机进行风量和 噪声对比。结果表明：( 1 ) k f r d 3 5 g w 0 5 4 e 1 型空调器的贯流风机内部流场 分布不合理，进口段脱落涡较多，气流进入叶轮受阻，进气面积减小从而影响 贯流风机的流量并产生异常噪音；( 2 ) 根据模拟结果，可确定该型号贯流风机 的蜗舌间隙为5 m m 6 m m 、出口扩散角为0 0 6 。、叶片斜度为4 8 5 0 时效果最好； ( 3 ) 风量和噪声的实验结果证实了模拟结果的正确性，按照模拟结果制作的样 机，其风量和噪声指标均得到改善。 关键词：贯流风机：流场：计算流体力学( c f d ) ；a n s y sc f x n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ei n t e r n a l f l o wf i e l di nt h ec r o s s n o wf a nf o ra i r - c o n d i t i o n e r a b s t r a c t i 0r e d u c et h e o p e r a 舡n g n o i s ea n di n c r e a s e t h e a i r d e l i v e r y o f k f r d 3 5 g w 0 5 4 - e 1a i r - c o n d i t i o n e r ，t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y m m i c s ( c f d ) s o r w a r ea n s y sc f xi se m p l o y e dt oa n a l y z et h ei n t e m a ln o wf i e l do fi t s c r o s s - f l o w 胁( c f f ) t h ee f f e c to ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e rm o d i f i c a t i o no nt h e f l o wf i e l da n di t sp e r f o r m a n c ea r ee x p l o r e d a i rd e l i v e r ya n dn o i s ee x p e r i m e n t sa r e c a 玎i e do u tf o rc o m p a r a t i v ep u r p o s e t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ：( 1 ) t h e o r i g i no ft h ea b n o r m a ln o i s ea r ei n v e s t i g a t e du s i n gt h en o w f i e l da n a l y s i s ( 2 ) t h e i n t e m a lf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o na n di t sp e r f b r m a n c ea r ei n s p e c t e du n d e rd i f f e r e n t v o l u t et h r o a tg a p ，v o l u t ec a s eo u t l i n e ，t h eb l a d es l o p ea n dr o t a t i o n a ls p e e d ( 3 ) t h e a i rd e l i v e r ya n dn o i s el e v e lo ft h ep r o t o t y p ea n di t si m p r o v e dc o u n t e 印a r ta r e c o m p a r e db a s e do nt h ee n t h a l p yp o t e n t i a lm e t h o da n dn o i s em o n i t o r i ts h o w st h a t ： ( 1 ) t h ei n t e m a ln o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni np r o t o t y p ei si m p r o p er m a n yv o r t i c e sa r e f b n n e di nt h ei n l e tr e g i o n t h e s ev o n i c e sr e d u c et h ea i ri n t a k ea n dg e n e r a t e a b n o m a ln o i s e ( 2 ) t h ec f ds i m u l a t i o ng i v e st h eo p t i m a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f t h ec f f ，i n c l u d i n gv o i u t et h r o a tg 叩( 5 m m 6 m m ) ，o u t l e td i f f u s i v ea n g l e s ( o 。6 。) a n dt h eb l a d es l o p e ( 4 8 5 0 ) ( 3 ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev a l i d a t e db yt h ea i r d e l i v e r ya n dn o i s ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s ： c r o s s n o wf a n ：f l o wf i e l d ； c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) ； a n s y sc f x 致谢 光阴似箭，转眼间三年的硕士研究生学习即将结束。回顾在合肥工业大学 度过的这三年求学时光，其中的辛酸快乐让我永生难忘! 对于老师、同学、朋 友和亲人对我的关心、支持和鼓励，我会永记于心! 首先在此衷心感谢我的导师高才副教授，本论文是在高才老师的悉心指导 和帮助下完成的。从课题的选题到具体工作的开展，再到论文的撰写直至完成， 无处不凝结着高老师的心血。高老师治学严谨、对学术追求孜孜不倦、思维开 阔、知识渊博、对学生要求严格，使我在三年的学习中受益匪浅。不仅如此， 高老师朴实亲近的为人风范，也深深地影响着我，这些都是我在今后的工作和 生活中的榜样，在此谨向恩师致以最衷心的感谢和深深的敬意! 另外感谢卢剑伟教授的悉心指导和鼓励，感谢合作单位的大力支持。在本 课题的进行中，每一次的进步都离不开卢老师的悉心指导和帮助。本论文的完 成离不开制冷教研室各位老师和同学的指导和帮助。感谢王铁军老师、江斌老 师、刘向农老师、倪宜华老师对我的关心和帮助，感谢制冷教研室所有兄弟姐 妹，尤其是杨锁同学，在平时生活和论文写作中对我的关心和帮助，感谢这个 团结、和谐、充满爱的团队。 特别感谢我的父母和家人，他们的爱和一如既往的支持、鼓励伴随着我的 成长，一路走来，他们为我的成长付出了太多，在这里向他们表示最深的谢意! 衷心感谢所有帮助过我的人，谢谢! 作者：王银姣 2 0 1 2 年4 月1 0 日 插图清单 l l 贯流风机的内部流场分布1 2 1k f r d 3 5 g w 0 5 4 e 1 型空调室内机1 1 2 2 叶片几何关系1 1 2 3 三维模型图1 2 2 4 计算网格13 2 5 总压等值线图1 6 2 6 速度矢量图1 6 2 7 速度云图1 7 2 8 涡流粘度分布图18 3 1 贯流风机结构图21 3 2 不同l 的速度云图2 2 3 3 不同l 的r = 3 0 m m 总压圆周分布2 3 3 4 不同l 下出口速度对比2 4 3 5 不同l 性能系数与流量一2 4 3 6 蜗壳出口示意图2 5 3 7 不同方案速度云图2 5 3 8 不同方案的r = 3 0 m m 总压圆周分布一2 6 3 9 不同方案出口速度对比2 7 3 一l o 不同方案性能系数与流量2 7 3 1 1 叶片几何关系一2 8 3 1 2 不同及的速度云图一2 9 3 1 3 不同a 的尺= 3 0 m m 总压圆周分布2 9 3 1 4 不同n 出口速度对比一3 0 3 1 5 不同a 性能系数与流量3 l 4 一l 原样机与改进样机叶片位置示意图( 图中实线表示原样机，虚线表 示改进样机) 一3 4 4 2 原样机与改进样机叶轮3 5 4 3 焓差法( 空调器) 综合性能试验台一3 5 4 4 风量实验装置3 6 4 5c o c o 8 0 3 7 4 6 测点( 传声器) 位置示意图一3 8 4 7 实验工况过程线3 9 4 8 原样机与改进样机在各风速下噪声频谱图4 2 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图图图图图图图 表2 1 表2 2 表3 1 表3 2 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表格清单 叶轮参数一1 2 性能系数及相关参数一1 9 不同仅下风机性能系数及相关结构参数一3 0 不同转速下风机性能参数3 2 制冷实验名义工况及其读数允差单位：3 7 倍频程声功率级标准偏差3 8 背景噪声修正值单位( d b ) 一3 8 原样机高风速下制冷性能测试报告一4 0 不同转速下的旋转噪声的基频及倍频一4 1 模拟结果与实验结果对比4 3 第l 章绪论 1 1引言 空调器在生产生活中发挥着重要作用，人们对生活环境舒适性要求的提高 对空调器的性能提出更高要求。贯流风机因具有结构简单、体积小、气流平稳 等优点，在分体式空调中获得广泛应用。自贯流风机出现以来，业内还没有形 成统一的设计理论和方法，均是在实验数据的基础上进行经验性设计。贯流风 机内部流场分布复杂且存在着与其他类型风机不一样的现象，即内部存在偏心 涡，其位置的改变会明显影响贯流风机特性，如图1 1 【l 】。此外，风机工作过 程中雷诺数和脉动频率的变化，也使得采用相似理论进行估测不够准确。试验 的方法需要先生产多台试验样机，通过比较实验数据后选择性能较好的风机进 行生产，这样无疑是需要很高的成本和较长的周期。近年来国内外不少学者采 用计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s ) 方法对贯流风机进行分析， 通过研究贯流风机内部流场分布来预测气动噪声，数值模拟结果使得实验的针 对性大大增加，不仅降低了实验成本，还缩短了实验时间和研发周期等，c f d 方法已经成为贯流风机研究的重要手段之一。 图1 1 贯流风机的内部流场分布 贯流风机性能的优劣直接影响空调器性能，比如不恰当的结构匹配会导致 空调室内机内部流场分布不合理，产生异常噪音，影响空调的整体性能。因此， 本文利用c f d 软件针对某空调厂k f r d 3 5 g w 0 5 4 e 1 型空调的实际情况，对 其所用贯流风机内部流场进行仿真模拟，分析结构参数对内部流场的影响，通 过优化风机结构参数实现合理的流场分布，进而为降低该类型风机噪音及提高 产品的整体性能提供设计依据。最后，通过实验验证模拟结果的正确性，以提 高模拟结果的可信度。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 贯流风机机理研究 e c k l 2 j 首次提出“横流式通风机”的概念，认为考察内部偏心涡流动是掌握贯 流风机内部流场分布的关键。风机内存在偏心涡会使已经排出的空气又倒流回 叶轮，造成能量损失，贯流风机的效率很大程度上取决于这种回流量占总流量 的比例。研究表明，偏心涡的中心位置及强度对贯流风机内部流场分布影响最 为显著。e c k 首先采用流动可视化方法观察到贯流风机中存在的偏心涡。 y a m a f u j ip j 等采用流场显示技术观察偏心涡的形成过程，指出当转子转动后， 许多小涡从转子内外侧脱落，脱落涡聚合形成一个大的偏心涡。此外，许多学 者还采用热线法、三孔圆头探针、激光多普勒测速仪等实验方法来考察贯流风 机内部压力、流速等参数的变化，研究贯流风机内部流场分布特点。p o r t e r 【4 】 等通过构造风机试验台来测量风机压力、体积流量和效率，利用热线法测量转 子内部流动情况，指出涡可沿转子做周向运动，遇出口节流时其强度增加，但 总压保持不变。m u r a t a 【5 j 利用三孔圆头探针测量转子内总压分布，用热线探测 仪观察叶轮内部流动情况，研究叶轮内部偏心涡移动规律。发现流速下降时， 偏心涡比最大流量系数9 下的更靠近蜗舌。一般情况下，9 o 3 时，蜗舌形状 决定流线形状：9 0 3 时，叶片输送角和蜗壳大小影响风机性能。杨波【6 ，7 】等利 用激光多普勒测速技术，测量不同流量下贯流风机的内部流场分布，分析偏心 涡的成因，指出偏心涡是流体粘性扩散产生的，是流动的主体部分，且流量对 偏心涡的位置没有显著影响。 总体而言，偏心涡是贯流风机内部流场分布的共性，有些学者们希望通过 相似理论对贯流风机进行研究。相似理论不能评估贯流风机叶轮直径小于1 0 0 m m 、转速低于1 5 0 0 2 0 0 0r p m 的情况，这是因为该情况下转速变化会引起性能 曲线发生严重偏离【8 j 。内部流场相似时，风机尺寸对压力一流量特性曲线无明显 影响，但是性能曲线相似不能推出内部流场相似【9 l 们。空调用贯流风机偏心涡 的总压与转速平方成比例关系【1 1 ，1 2 】。 计算流体力学的发展使得贯流风机的研究更加方便、结果更加直观。 g a b i 【1 3 1 4 】用粒子图像测速( p i v ) 方法测量蜗壳内速度场、体积流量、压升和输入 功率等数据，并与模拟结果进行比较，验证c f d 模拟结果的正确性，证实了应 用c f d 方法研究贯流风机的可行性，并强调网格离散化对于c f d 计算精度及 正确性非常重要，尤其是在旋转域和静止域的交界面。t o m o 【1 5 1 6 l 等采用c f d 2 软件f l u e n t 对贯流风机进行二维模拟，应用滑移网格方法计算得到贯流风机的 精确时刻解，将实验结果与模拟结果进行对比，验证模拟结果的正确性，并在 前人实验数据的基础上总结了贯流风机的设计原则。y a m a f u j i l l 7 j 利用c f d 方法 研究了风机性能及其影响因素，指出当输入量最大时，偏心涡只存在一个稳定 的圆周位置。游斌【1 8 】等对不同负载时贯流风机进行c f d 数值模拟，发现：增加 负载可导致偏心涡增大；当偏心涡远离蜗舌，但背压不变时，转速对偏心涡位 置几乎没有影响。 1 2 2 贯流风机几何结构研究 自贯流风机出现以来，业内还没有形成统一的设计理论。这主要是因为贯 流风机的内部流场分布复杂、对几何结构敏感，任何细小的结构变化都会影响 内部流场分布及风机性能。因此，关于几何结构对贯流风机性能影响的报道颇 多。在外壳众多几何结构参数中，蜗舌间隙、叶轮型式和蜗壳间隙及大小是影 响风机性能的关键因素【1 9 2 7 】。蜗舌间隙决定风机性能曲线的稳定性，且存在一 定的范围，当蜗舌间隙较大时，循环回流区、偏心涡核区、内回流区等流动区 域增大；当蜗舌间隙较小时，风机效率降低【2 8 。3 0 1 。一般而言，蜗舌间隙为叶轮 外径的6 9 时可获得较好的气动和噪声特性。当转速在1 1 0 0 印m 时，叶轮 型式对风量影响较大，叶片进出口角影响最大效率和流速。蜗壳间隙对风量的 影响最弱，蜗壳间隙减小，进、出口流速均增加。蜗壳大小会影响进口角和出 口角的大小，进口角减小，进口流速增加，速度分布均匀，但进一步减小时， 会导致出口流速降低；出口角范围可拓宽至1 1 0 0 1 4 0 0 【3 1 弓引。 以上对于贯流风机的研究主要集中在蜗舌间隙、蜗壳间隙、进出口叶片角、 等方面，尤其是蜗舌间隙，它决定偏心涡回流的大小，影响贯流风机风量和噪 声。贯流风机型号不同，其几何结构匹配也不同。虽然在贯流风机几何结构方 面做了很多研究，但是大多都是进行定性分析，并没有给出定量的结论。因此， 针对具体型号的贯流风机，需要进一步寻找其最佳匹配结构。 1 2 3 贯流风机降噪研究 空调特殊的应用场合，人们对其噪声要求更为严格，使得空调用贯流风机 的降噪研究成为贯流风机研究的主要内容之一。对分体式空调器贯流风机噪声 进行研究，发现叶片形状及排列形式可以降低噪声、改善音质【3 们引，倾斜蜗舌 可以降低贯流风机噪声【3 1 1 。h a y a s h i 【4 2 】等提出可以通过调制频率来降低贯流风 机旋转噪声。王孟【4 3 】等研究了不同材质和大小的多孔蜗舌结构对贯流风机性能 的影响，认为吸音棉和玻璃棉可增加风机全压，提高风机启动性能，适当的蜗 舌孔径，可降低风机声压级。c h o l 4 4 j 等利用n s 方程和f w h 方程预测贯流风 机性能和气动噪声，研究表明：当0 4 另外一种离散噪声来源于叶片尾流作用。当气体流过叶片时，会有附面 层在叶片表面形成，尤其是在叶片的吸力边，附面层容易加厚，并且产生较多 的小涡流。当压力边和吸力边的附面层在叶片尾源处汇合时，形成叶片尾迹区。 气流在尾迹区内的压力和速度都比贯流区的压力和速度低很多。这些尾流随着 叶轮旋转至气流出口侧，使得出口处的气流分布非常的不均匀，而这些不均匀 的气流又会周期性地作用于周围介质，因此产生压力脉动进而形成噪声。当蜗 舌间隙较小时，前排的叶片尾流接触并流过后排的叶片或者尾流扫过蜗舌，会 产生脉动力，从而产生离散噪声。 降低离散噪声的方法主要有：增大叶轮直径，降低叶轮转速，增大叶轮与 蒸发器的最小间隙，在长度方向上改变蜗舌的形状等【4 引。 2 ) 贯流风机的宽频噪声又称为涡流噪声或者漩涡噪声【4 引，是贯流风机空 气动力噪声的另一主要噪声。叶轮在旋转过程中，叶轮叶片与气体相互作用、 耦合所辐射的宽频噪声，包括来流紊流噪声、紊流附面层噪声、尾流涡流脱落 噪声和叶尖涡流噪声。随机脉动力是宽频噪声产生的根源，宽频噪声的频率为 z = 墨譬f ( 2 - 2 ) 其中研为斯特劳哈尔数，研= 0 1 4 o 2 ，一般取为0 1 8 5 ；形为气体与叶片 的相对速度；三为物理正表面宽度在垂直于速度平面上的投影：f 为谐波序号， 9 f = 1 ，2 ，3 ，卢l 为基频。由此可见，气流与叶片的相对速度是决定贯流风机宽 频噪声的主要因素，而气流与叶片的相对速度又取决于叶轮的圆周速度，圆周 速度又与点到叶轮转轴的距离有关。因此，由内到外的圆周速度是连续变化的， 导致该噪声为一个宽频带的连续谱。宽频噪声的主要机理如下： 气流在物体表面形成紊流附面层，蜗壳内表面及局部表面受到附面层内 部气流紊乱的压力脉动作用，从而产生噪声。此噪声随着紊流附面层的发展愈 加严重，是宽频噪声的主要来源之一。 进口侧的气流紊流度造成叶片作用力的脉动，进而产生噪声。 叶轮进口段气流不均匀。 叶片尾缘脱落涡产生压力脉动。 物体湍流边界层内的随机脉动压力，这部分在整个贯流风机的噪声中只 占较小的比例。 二次涡流产生的噪声。 间隙噪声。 在上述几种产生宽频噪声的原因当中，一般认为，附面层紊流压力脉动和 二次涡流形成辐射的噪声功率，相对其它几种而言，要小很多【4 引。因此可认为， 涡流和涡流脱离引起叶片压力脉动决定了贯流风机的宽频噪声的大小。减小宽 频噪声的主要方法是改善叶轮、进风流道、蜗壳、出风流道的综合设计，要尽 量增大进风面积，减小进风阻力，合理布置蒸发器。 ( 2 ) 外壳共振产生噪音 空调外壳的装配，以及内部零件的共振都可能产生噪音，或者由于粗糙造 成撕裂声，这些噪音可能演变成刺耳的强烈噪声。因此有必要在合适的位置安 装减振和防音材料以增加环境的舒适性。 ( 3 ) 风机以外引起的噪声 除了风机本身的固定噪音之外，还有许多噪音源，例如：精密度不足、装 配不当或维护不佳的轴承造成噪音；马达设计不良、控制不佳或者内部冷却扇 造成噪音；连接室内外机的制冷剂连接管，会因为内部制冷剂的流动产生噪音； 空调机安装不平衡，产生共振，造成噪音增加等等。 通过空调现场运行试验发现，空调器的异常噪音并不是因为安装不平衡导 致内部零件之间的共振产生的，而是源于空气动力噪声，很可能是因为内部流 场的不合理分配产生的。针对该问题，本文采用a n s y sc f x 对 k f r d 一3 5 g w 0 5 4 e 1 型号空调用贯流风机进行数值模拟，考察其内部流场分布 是否合理。 1 0 2 4k f r d 3 5 g w 0 5 4 e 1 型空调贯流风机数值模拟 2 4 1 模型建立 k f r d 3 5 g w 0 5 4 e 1 型空调室内机主要由四部分构成：贯流风机、蒸发器、 机壳和底盘，如图2 1 所示。由于蒸发器翅片非常薄且分布较密，若不加简化 直接加入c f d 数值模拟计算，不仅对c f d 网格质量的计算要求更加苛刻，而 l ：n 乜会产生数量庞大的网格，增加了对计算机运算能力的要求，延长了模拟时 问。为提高效率，目前大多数人在研究贯流风机结构对空调性能的影响时，都 采用忽略蒸发器的做法【8 ，1 3 ，1 4 ，24 1 。这样既不影响模拟结果的正确性，也可以减少 网格数量，加快计算速度，减少运行模拟时问。 a ) 蒸发器与机壳和底樾 b ) 贯流风机叶轮 图2 1k f r d 3 5 g w 0 5 4 一e l 删空调室内机 k f r d 一3 5 g w 0 5 4 e 1 型空调贯流风机采用的是直叶片不等距风轮，轴向总 长度是6 5 5 5 m m ，共分9 段，每段长度6 9 5 m m ，中间有10 个环带，环带厚度 3 m m 。由于叶轮不等距规律不明显，本文采用直叶片等距叶轮代替原直叶片不 等距叶轮进行c f d 分析。又因为直叶片等距叶轮的轴向对称性，此处只取轴向 叶轮长度10 m m 进行分析。图2 2 为叶片，l 何关系图，表2 1 为叶片几何结构 图2 2 叶片几何关系 参数。根据表2 1 的结构参数和上文提到的模型简化方法，采用三维画图软件 u n i g r a p h i c sn x ( 简称u g ) 建立贯流风机几何模型，图2 3 为建立的三维模型 图，其中a ) 为u g 建模的叶轮结构示意图，b ) 为空调器整体模型。 表2 1 叶轮参数 a ) 叶轮结构示意图b ) 空调器模型 图2 3 三维模型图 2 4 2 网格划分与前处理 将u g 建立的贯流风机三维几何模型以后缀为xt 的格式导入i c e mc f d 网格划分模块后，首先需要在i c e mc f d 中重新构建实体模型。这是因为，在 u g 中可见的实体模型，而在i c e mc f d 中只有线和面的概念并没有体的概念。 因此，在i c e mc f d 模块中需要对导入的u g 模型中的点、线、面进行合并， 用不同的命名加以区分，通过构建流体域( f l u i dd o m a i n ) 来赋予其体的概念。 参照文献1 26 | ，将整个流体域分为叶轮区的旋转域和非叶轮区的静止域两部分， 其中静止域又分为两个部分，即叶片内流区域的静止域和其余计算流体域的静 止域。叶轮区的旋转域在计算中占主要地位，对内流有重要影响。为了提高c f d 计算精度，对旋转域采用较小的划分网格，而对非叶轮区的静止域则采用较大 的划分网格。如图2 3 中b ) 图所示，叶片弯曲成月牙状，叶片数目众多，贯流 风机匹配的流道结构非常复杂。因此，本文对计算域网格的划分全部采用非结 构化四面体网格【2 6 j ，这是因为非结构化四i 面体网格具有天然的贴体性，能较好 的覆盖任意不规则的边界区域单元，非常适合处理复杂边界，并且容易控制网 格节点密度，还可以进行自适应调整。参照文献l l 副网格划分方法，本文划分旋 转域的网格数量为6 8 2 15 2 ，内流区静止域的网格数量为5 6 9 1 ，另一个静止域的 网格数量为7 3 9 7 7 。总体网格数量约为7 6 18 2 0 时，计算精度达到要求，计算速 度也可以接受。贯流风机计算网格如图2 4 所示。 a ) 贯流风机网格分布图b ) 网格局部放人图 图2 4 计算网格 c e 在i c e mc f d 软件中生成a n s y sc f x 默认的后缀为c f x 5 的网格文件， 将其导入a n s y sc f x 的前处理软件c f x p r e 中进行计算前的加载工作。针对 网格划分中定义的旋转域和静止域，a n s y sc f x 提供了三种计算方法【”j ：滑 移网格模型( s l i d i n gm e s hm o d e l ) 、混合平面模型( m i x i n gp l a n em o d e l ) 和多 参考系模型( m r f ：m u l t i p l er e f e r e n c ef r a m em o d e l ) 。滑移网格模型主要应用 在动静干涉作用非常强烈的计算，能够提供准确的流场分布，其缺点在于需要 巨大的计算机内存和计算时问。多参考系模型针对不同的旋转速度，将整个计 算域划分成为多个子域，在每个子域中分别按照各自的参考系进行流动计算， 而在各子域的交界面上强制绝对流动速度的连续，通过该方式来处理各子域彼 此交界面上信息的传递，以此消除流动中的不稳定性。混合平面模型不适合处 理子域交界面附近有回流的流动。对于本文模拟的实际情况，多参考系模型是 一个较好的选择，相对滑移网格模型，不需要巨大的计算机内存，还能节省计 算时间，因此本文选择多参考系模型进行计算。 贯流风机内的气流速度一般在o 2 0 m s 之间，属低马赫数范围，常按照不 可压缩气体处理，因此数值计算可简化为对三维、不可压缩流场的描述。叶轮 高速旋转，应按非稳态计算。湍流模型采用标准肛s 模型i l 引，对流项采用高精 度离散格式，瞬态项采用二阶向后欧拉差分有限体积方法。标准肛湍流模型， 是最常用的湍流模型之一，广泛应用于各种实际工程流体计算中，能够将精确 度( a c c u r a c y ) 和鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 很好地统一，在模拟流体机械内部流动 时能得到合理准确的计算结果。在a n s y sc f x 中，标准肛s 湍流模型引进了两 种新的变化： 连续性方程 害+ v ( 朋= 。 ( 2 3 ) 动量方程掣+ v ( p u 圆u ) 一v q 谚v u ) = 一跏+ v ( 够v u ) 7 + b ( 2 4 ) 其中曰是体积力的总和，”。f f 表示有效湍流粘性强度，p 表示修正压力。 由于标准肛8 湍流模型基于湍流粘度的概念，因此雎f f = 旷触，其中触表示 湍流粘度。标准静湍流模型假定湍流粘度与湍流动能椰湍流耗散有关： 雎= c 妒p 居，其中c p 是常数。通过以下的湍流动能和湍流耗散率的差分方程来计 算得到卿s ： 掣+ v ( p 孤) = v 【( + 丝) v x 】+ 仇一p ( 2 5 ) 墨竺+ v ( p 沈) ：v ( + 丝) v 】+ 三( e 。一e ：伊) ( 2 6 ) 研 仃 k 其中c l ，c 2 ，盯k 和氏都是常数。 在本次计算中，设定旋转域的模拟转速为n = 1 3 6 0 r m i n ，选择g l o b ez 为旋 转轴。a n s y sc f x 旋转方向的设定遵循右手定则，即右手大拇指指向旋转轴 方向，叶轮按照右手其余四指的方向旋转，则设定转速为正值，反之则为负值。 文献【1 2 】指出，贯流风机非稳态模拟计算的时间步长应该根据转速设定，即 1 肋宰1 0 以s 。但是为了获得更高精度的模拟结果，本文将非稳态计算时间步长设 为8 x 1 0 巧s ，即将时间步长设为叶轮旋转周期的1 5 5 0 。之前已有研究表明时间 步长设为叶轮旋转周期的1 1 8 0 即能满足精度要求【5 9 1 ，因此本文计算中选取的 时间步长已足够小，能够捕捉到模拟过程中的细节现象。如图2 4a ) 中所示， 静止域分为两个部分，将旋转域包围在里面，而旋转域相对静止域具有一定的 转速，所以旋转域和静止域之间的交界面既是旋转域，又是静止域。因此对该 交界面采用静转子界面模型( f r o z e nr o t o r ) ，即图2 4b ) 中所示的i n t e r f a c e 。 静转子界面模型是坐标变化混合模型( f r a m ec h a n g e m i x i n gm o d e l ) 中的一种， 坐标变换混合模型包括三种模型：f r o z e nr o t o r 、s t a g e 、n a n s i e n tr o t o 卜s t a t o r 。 f r o z e nr o t o r 用于参考坐标轴变化，但是在交界面两边的组建的相对方向固定， 在计算中这两种坐标相对位置不变。壁面无滑移边界条件被应用于壁面和流固 交界面。设整个计算区域内的参考压力为1a t m ，边界进出口均采用压力边界 条件，即0p a 。 至此，c f x p r e 前处理软件的工作已经结束，输出求解软件c f x s o l v e r 认可的文件格式，即后缀为d e f 文件。进入求解软件c f x s o l v e r 进行求解后即 可得到后缀为r e s 的结果文件。将其导入c f x p o s t 后处理软件查看模拟结果。 2 5 数值模拟结果与分析 2 5 1 偏心涡的形成 贯流风机主要由叶轮、蜗舌及蜗壳共同作用而输送流体。如果没有蜗舌和 1 4 蜗壳，只是单纯的叶轮运动时，由于各向同性，气流在轴心处形成涡流，此时 并没有气流流出。只有在蜗舌与蜗壳的共同作用下，才能实现气流向集中的方 向流出。 气流从进口侧叶栅进入叶轮，横穿叶轮内部，再从出口侧叶栅将气流排出。 因此，在贯流风机叶轮附近的靠近蜗壳壁面处，一定存在一条线，该线上气流 的径向速度为零，并且横穿叶轮。设气流流进叶轮的径向速度为负，流出叶轮 的径向速度为正。当叶轮按照旋转方向旋转至该线附近时，径向速度存在较大 的梯度，导致在蜗壳附近叶片上会产生脱离涡。但是，这些涡的旋转方向与叶 轮旋转方向相反。因此，这些脱离涡很快又被叶轮旋转运动引起的流体旋转所 消弱。由于没有源源不断的涡继续汇聚，所以这些涡只能短暂维持，很快就会 破裂而跟随主流流向下游。因此，在这条线附近( 即蜗壳附近) 不会形成稳定 的、大的漩涡团。同理，在贯流风机靠近蜗舌壁面处也会产生一条线，使得线 上气流的径向速度为零。在该线两边，径向速度的符号相异，当叶轮旋转到该 线附近时，径向速度减小，且速度符号发生变化，造成非常大的速度梯度，使 得蜗舌附近产生脱离涡。此时脱离涡的旋转方向与叶轮旋转方向相同，脱离涡 向叶轮外流出。当叶轮旋转经过该线之后，径向速度逐渐增大。此时叶片附近 的流体要恢复流动，就在叶片上形成了一个环量，该环量与叶轮旋转方向相反。 根据涡量守恒原理，内流区就形成了一个与该环量旋转方向相反的、与叶轮旋 转方向相同的涡。这两部分的涡在蜗舌处汇集，形成了一个大的、稳定的漩涡 团。这个漩涡团之所以能够稳定存在，其原因主要有两个：首先，叶轮持续旋 转时，气流不断地流进流出，不断地产生漩涡聚集到漩涡团内部，成为漩涡团 稳定的涡源，维持其存在；其次，由于流体的粘性作用，涡量同时也在不断地 耗散以及随主流扩散，使漩涡团不至于无限制地扩大。只有当两者达到平衡时， 漩涡团才能稳定存在。由于该漩涡团靠近蜗舌，在贯流风机出口处，而并非存 在于叶轮中心位置，故称为偏心涡。 2 5 2 压力场的结果与分析 取轴向中心截面进行分析，得到中心截面总压等值线图( 图2 5 ) ，图中压 力单位为p a 。 如图所示，在贯流风机出口侧靠近蜗舌的地方有一个低压中心，形成了环 流偏心涡。由进口至偏心涡区域，流体静压逐渐降低，在偏心涡中心达到最低。 正是这种压力梯度使得气流做横贯叶轮的运动，形成贯流区。同时，蜗壳处也 形成一个相似的涡，但强度较弱。在偏心涡核心，流体速度降低，导致偏心涡 区域动压降低，从而使得其总压为负值。在出口处，流体速度达到最大，这是 因为气体在出口处第二次经过叶栅时，叶轮对气体做功，气体相对速度增加， 使得出口处静压回升，动压增大，总压增至最大。正是由于偏心涡的存在，排 出的气流又回流到叶轮区域，导致出口流量的减小，造成很大的能量损失【3 1 1 。 回流的气流在速度矢量图上会看得更清楚。另外，在进口侧远离蜗舌的地方， 有一个高压中心。该高压中心导致气流在其后侧产生回流，致使该部分区域流 进叶轮的气流相对较少。在速度矢量图和速度云图上将会看得更清楚。 t c ) t dp r e 辐叮e 蚴w1 ) 图2 5 总压等值线图 2 5 3 速度场的结果与分析 取轴向中心截面进行分析，得到中心截面速度矢量图( 图2 6 ) 和速度云 图( 图2 7 ) ，图中速度单位为l s 。 v e i o d t y f v k ：。r t ) 图2 6 速度矢量图 如图2 6 所示，在靠近蜗舌处形成了偏心涡，存在回流，并且偏心涡的旋 转方向和叶轮的旋转方向( 顺时针旋转) 相同。虽然靠近蜗壳的地方也存在一 个涡，但是该涡的旋转方向却与叶轮旋转方向相反。这些现象与文献【6 1 描述的 1 6 籼洲删帅黼觥洲一一黼一蝴删删一一 曲触帅聃钮珀巧n鹄铀趣的孙驰硼强 j j j 5 l t i 乳i i i i l t 二t l 棚一致。 在进口端远离蜗舌的地方，叶栅内出现很多小的脱落涡，在叶栅内形成一 个类似于屏障的弧段，妨碍气流进入叶轮，使得该部分叶片做无用功，形成一 个低速度区域，如图2 6 和图2 7 中所标的x 区域。在靠近蜗舌的地方，大量 气流流进叶轮。当气流进入叶轮内部时，立刻遭遇到内部的偏心涡运动，迫使 气流跟随偏心涡一起做旋转运动。之后有部分气流从偏心涡的旋转运动中分离 出来，山出口流出叶轮；而另一部分形成回流，造成了能量的损失。 从贯流风机进口端到出口端，气流速度呈现递增趋势，并在贯流风机出口 段时气流速度达到最大。说明气体第二次经过叶栅，叶片对气体做功，这也验 证了上文对压力场分析的f 确性。 v e i o c i l v l ：i 图2 7 速度五图 2 5 4 涡流粘度的结果与分析 取轴向中心截面进行分析，得到中心截面涡流粘度分布图( 图2 8 ) 。 y a m a f u j i pj 的实验指出贯流风机的性能与叶片上涡的脱落密切相关，脱落 的小尺度涡最终会发展成一个大尺度的偏心涡，恶化贯流风机的性能。可以看 出，叶轮进口段约有5 个叶栅通道内涡流粘度较大。这是因为在这些叶栅通道 内形成了脱落涡，这些脱落涡迅速掺混，形成了大尺度的涡结构。由于流体的 粘性作用，大尺度的涡结构降低了叶栅内的流体速度，与图2 6 中进口段靠近 蜗壳侧速度较低区域( x 区域) 相对应。 删删删枷棚榭i州州埘蛳啪栅撕螂嘲嘲嘞埘：妻咻胁胁聃i毫胁嘶蜘弧豫耄|；j奏j奏敞鲰喜|弧耋耋 d d y s c o s i i y f ( 矾 l l2 0 1 e o ，9 2 如b 0 4 6 6 e 0 0 4 3 5 ，e d 0 9 2 e i 2 8 1 k o 叫 2 s 3 7 ，o 2 拍畦+ o 1 强3 e - o 17 0 5 e o “ 1 1 2 疑0 0 4 11 5 k - o s7 k 5 s9 6 h 5 j 1 0 9 e 5 图2 8 涡流粘度分布图 2 5 5 性能系数 多数研究5 17 】经常通过流量系数( n o wc o e m c i e n t ) 妒，风机效率( f a n e m c i e n c y ) 叩，总压系数( t o t a lp r e s s u r ec o e m c i e n t ) 叭来考察风机性能，这三个系 数都是无量纲参数。 流量系数用来表征对应j x l 机结构及其运行状态下风机输送流体的能力，可 表示为 ：j l d 2 u z ( 2 7 1 其中为叶片轴向长度，m ；d 2 为叶轮外径，m ；= 兀d 2 门6 0 为圆周速度，m s ； 以为风机转速，r m i n ；q 为风机体积流量，m 3 s 。 风机效率就是输送流体的有效功率与输入扭矩功率之比，可表示为 。一卸l 。q 。 m 缈 ( 2 8 1 其中肌。t7 t o t 一0 u t 叩t 叭一i 。i e t 为风机总压升，p a ；p t 叭一i 。l e t 与p t o t o u l l 。t 分别为进、 出口处的总压力值，p a ；肛9 5 4 9 尸行为扭矩，n m ；尸为风机额定制冷功率，k w ； = 2 7 【刀为风机旋转角速度，r a d s 。 总压系数用来表征风机所能提供的最大总压升的能力，可表示为 ：_ i 堕 圭叫 ( 2 9 ) 其中p 为空气密度，k g m 3 。 a n s y sc f x 可以很方便地读出贯流风机出口流量，通过本次的模拟计算， 贯流风机的流量q = 6 8 9m 3 h 。根据公式( 2 7 ) 一( 2 9 ) 计算得到性能系数结果，见 表2 2 。 表2 2 性能系数及相关参数 2 6k f r d 3 5 g w ，0 5 4 e 1 型空调问题分析 已有研究【删表明，当有障碍物存在于流动中时，流体与物体相互作用产生 非稳态的反作用力，形成偶极子声源。而贯流风机的气动噪声来源于气体的扰 动，气体与气体、气体与物体之间的相互作用，属于偶极子声源。偶极子声源 辐射的声功率为 芘p 2 y 3 d 2 m 3 风 ( 2 - 1 0 ) 其中y 为气流速度，i n s ；d 为喷口直径，m ；胙w 口为马赫数，a 为声速， 一般是3 4 0m s ；p 及风分别为气流密度和环境密度，k g m 3 。将m 代入式( 2 1 0 ) 得到： 形芘p 2 y 6 d 2 口3 风( 2 1 1 ) 可见，贯流风机的声功率与速度的六次方成正比，而仅与风机尺寸d 的二 次方成正比。因此，在满足风机流量和压力的前提下，应尽可能采用尺寸较大、 内流速度较小的贯流风机【4 8 1 。也就是说，对于同一型号的风机，应改变结构参 数，尽量提高风机流量，在满足要求的前提下，使用较低的风机转速，进而达 到降低贯流风机噪音的目的。 通过对k f r d 3 5 g w 0 5 4 一e 1 型空调贯流风机的数值模拟，考察其内部流场 分布情况，可以发现，该型号空调用贯流风机内部流场分布不合理。主要表现 在进口段有至少五个叶栅通道内存在大量脱落涡( x 区域) ，导致x 区域总压 较低，速度梯度大，并且阻止气流进入叶轮。x 区域的脱落涡导致进口段有效 过流面积减小，影响贯流风机风量的大小。 p o w e l l 【6 l 】的涡声理论指出，在低马赫数条件下，声产生于涡存在的地方， 只有当流场中存在涡量随时间变化的区域时，才会产生声。在低速流体机械中， 进、出口段的部分流道中分离结构会产生大尺度的脱落涡结构，正是这种大尺 度的脱落涡结构形成