吸油烟机用多叶离心通风机的数值模拟∗

马晓阳 黄兴安 武传宇 陈洪立 窦华书

（浙江理工大学机械与自动控制学院）

吸油烟机用多叶离心通风机的数值模拟∗

马晓阳 黄兴安 武传宇 陈洪立 窦华书

（浙江理工大学机械与自动控制学院）

针对某一吸油烟机用多叶离心通风机进行了三维建模，采用三维数值模拟方法对多叶离心通风机和吸油烟机机壳内部流场结构进行了分析和实验验证。通过分析原模型的模拟和实验结果，改进了机壳进口和风机叶轮右侧集风圈形式，再对原模型和改进模型进行数值模拟对比分析。结果表明，在大部分工况下，改进模型的全压和全压效率都比原模型有所提升。改进叶轮右侧集风圈形式，表现出更佳的导流效果，蜗舌附近流道内全压升效果更加明显。

吸油烟机；多叶离心通风机；数值模拟；全压；全压效率

0 引言

离心通风机广泛应用于国民经济的各个领域，是工业生产中主要耗能设备之一。前向多叶离心通风机具有结构紧凑，压力系数高、流量系数大等突出特点，被广泛应用于家用电器、空气调节及各种通风换气设备[1-3]。当前，主要集中于对空调用多叶离心通风机的研究，而对吸油烟机用多叶离心通风机的相关研究则不多[4-6]。多叶离心通风机内嵌于吸油烟机机壳内部，机壳尺寸、风机安放位置和进风方式都可能影响吸油烟机的性能。风机系统是吸油烟机的核心，其它的性能直接决定着吸油烟机的排风量、风压和噪声指标。因此，对吸油烟机用多叶离心通风机开展研究有着重要的意义[7-10]。

本文研究探讨吸油烟机机壳进口形状、多叶离心通风机在机壳中的安装位置以及风机系统集风圈形状对吸油烟机性能的影响。对吸油烟机系统进行了定常三维数值模拟研究，捕捉到了多叶离心通风机内部流动现象，分析了吸油烟机系统全压和全压效率的变化情况[11-15]。忽略气体的压缩性，把吸油烟机内部流体介质简化为空气来处理。

1 计算模型

1.1 吸油烟机计算模型

吸油烟机数值计算模型如图1(a)所示，包括机壳、风机叶轮、蜗壳、集风圈和电机。图中同时给出了吸油烟机的进出口位置，下端吸入油烟，上端风机蜗壳出口排出油烟。图1(b)给出了风机叶轮和电机在机壳中的安装位置，图示可知叶轮左右两侧进口处的集风圈形状是不一样的。风机系统在机壳中的安装位置相对偏右，且电机安装在叶轮右侧进口处，电机安装空间受到很大限制。因此叶轮中盘采用外凸形式，保证电机安装空间，中盘与电机直连。

图1 吸油烟机系统计算模型Fig.1 Calculation model of range hood

本文计算所选用的吸油烟机用多叶离心通风机为一小型多叶离心通风机，其详细参数在表1中列出。

表1 多叶离心通风机参数Tab.1 Parameters of multi-blade centrifugal fan

图2给出了叶轮叶片几何形状，叶轮采用单圆弧叶片，叶片沿圆周均匀分布，由叶轮中盘和两端圈固定。叶片采用前弯形式，即叶轮旋转方向和叶片弯曲方向一致。

图2 叶片几何形状图Fig.2 Blade geometry shape

1.2 网格划分

计算模型中包含了多叶离心通风机，其计算域较为复杂。为控制其网格质量，把计算域分割成5个区域:进口区域（加长为进口水直径的5倍）、出口区域（加长为出口水力直径的6倍）、机壳区域、蜗壳区域、叶轮区域。进出口区域和机壳区域采用结构化网格，蜗壳和叶轮区域采用非结构化网格。

图3为计算域网格划分图，各区域单独生成网格，相邻区域共用一个面，共享面上的网格节点。图4给出了计算模型在不同网格总数下的全压模拟值，网格总数分别为276万，487万和761万。由图可知，随着网格总数的增加，全压值波动在1.05%以内，认为模拟得到的全压值不再随网格总数的增加而变化。为了控制计算模型网格总数，且保证计算流场的稳定性要求，选取计算域网格总数为487万。进出口区域网格数为52万和23万，机壳和蜗壳区域网格数为47万、190万，叶轮区域网格数为173万，计算域总网格数为487万。下文提及的改进模型与原模型略有不同，网格总数也不同，但总网格数都在490万左右。

图3 计算域网格划分Fig.3 Mesh generation of calculation area

图4 网格无关性验证Fig.4 Grid independence test

1.3 支配方程和数值方法

本文选取三维雷诺平均守恒Navier-Stokes方程，Standard k-ε湍流模型两方程为支配方程。采用有限体积法对求解区域进行离散，选取压力速度耦合的SIMPLE算法，动量方程、湍流动能方程、湍流耗散率方程采用二阶迎风格式。对于每一个工况点的计算，只有当吸油烟机系统进出口流量差小于10-6，且所有残差下降4个及以下数量级时，认为计算收敛。

1.4 边界条件

表2给出计算模型进口边界条件的设定值。给定垂直于进口的速度大小、进口水力直径315mm及湍流强度；给定出口静压为一个大气压；固体壁面采用无滑移边界条件，壁面附近选取标准壁面函数来处理。

表2 不同工况下计算模型进口设定值Tab.2 Inlet set values of model under different operating condition case

叶轮区域选用旋转坐标系，给定转速；机壳和蜗壳区域选用静止坐标系。将计算简化为叶轮在某一位置的瞬时流场，采用定常计算方法来求解非定常问题。

1.5 模型验证

本文通过改变吸油烟机机壳进口速度大小和风机叶轮转速，通过数值计算得到了不同流量工况下，吸油烟机系统全压和静压特性曲线。表3给出了不同流量工况下，实验测得的系统全压和静压值。将实验数据和模拟数据进行对比分析。

表3 不同工况下的实验值Tab.3 Experimental test values under different operating condition case

图5同时中给出了模拟值与实验值，通过比较可知，数值结果总体趋势与实验结果吻合。在小流量的第1～3三个工况点上，模拟值大于实验值；在第4～10六个工况点上全压曲线和静压曲线都与实验值符合的较好，全压最大相对误差为9.1%，静压最大相对误差为6%。由此可知，本文所建立的计算模型和边界条件设置均满足数值模拟要求。

1.6 模型改进

由图1可知原模型风机叶轮右侧相比于左侧，进风通道狭窄，且电机的安装占据了很大一部分空间，流动状况恶劣。本文优化思路是适当调整风机左右侧进风通道空间，使两边进风尽可能顺畅。因此改进了机壳进口结构和右侧集风圈形式，得到了改进模型B。为了方便表述，称原模型为模型A，改进模型为模型B。模型B保持机壳整体结构、风机叶轮和蜗壳、风机左侧集风圈形式不变，只改变了机壳右下侧内凹结构和风机右侧集风圈形式。图6为原型A和改进模型B的侧视图，其中L1=268.4mm，L2=75mm，L3=298.1mm。由图可知，模型B蜗壳关于机壳对称安装，取消了机壳右下侧内凹结构且改变了风机叶轮右侧进口处的集风圈形状，使其形式与左边一致。

图6 吸油烟机原型和改进模型图Fig.6 Original and improved model of range hood

图7给出了本文数值模拟监测点在叶轮剖面上的位置，监测风机右侧叶轮性能参数的变化情况。一系列监测点位于风机右侧叶轮叶片进口前、叶片出口后8mm处，具体坐标为A′=(134，0)，B′=(0，-134)，C′=(-134，0)；A=(100，0)，B=(0，-100)，C=(-100，0)。

图7 叶轮剖面处监测点位置Fig.7 Monitoring points on impeller cross section

2 计算结果与分析

2.1 计算结果

图8是数值模拟获得的模型A和模型B的全压曲线和全压效率曲线。模型B的全压值在工况点1比模型A低3.2%，其他9个工况点都比模型A高，其中工况点5高出了10%。模型B的全压效率在工况点2比模型A低了5%，其他的工况点都较模型A高，其中工况点5效率高出了4.7%。上述可知，模型B在全压和全压效率上都较模型A有所提升，其中工况点5提升明显，使得性能曲线变得更加平缓，提高了吸油烟机系统工作时刻性能。

图8 模型A，B的性能曲线Fig.8 Characteristic curve of model A and B

上述计算结果显示，模型B在工况点5附近，全压和全压效率都较模型A有显著增加，下文就工况点5附近流动状况进行分析。

图9给出了在X=0mm截面上的速度矢量图。模型A中风机右侧叶轮相对机壳偏右安装，且电机占据了大部分空间，气流受电机和机壳的干扰，流动状况较差。由图9可知在电机右侧上方靠近机壳外侧区域形成了一个巨大的旋涡。进入旋涡里边的气流，被不停的打转，能量被消耗。模型B适当调整了电机右侧空间，虽然旋涡还是存在，但其强度大大减弱了。同时在模型A，B中都捕捉到了叶轮出口靠近叶片端圈附近的气流逆向流回叶轮进口现象，造成了损失。

图9 X=0mm截面模型A，B的速度矢量图Fig.9 Velocity vectors of model A and B on cross sectionX=0 mm

图10给出了Y=0mm截面上的速度矢量图。沿着机壳右侧进入叶轮进口的气流，模型B较模型A被挤压程度小，流动较平稳，很明显α2>α1。模型A中机壳右侧空间较小，气流受压迫不能做平缓流动，且该侧的集风圈没有很好的弧度，所以没有起到很好的导流作用，造成的冲击损失大，效率也就没有模型B高。

图11给出了监测点A-A′和B-B′上的全压升分布，图中横坐标z为叶轮中盘右侧宽度。从图中可以看出在监测点A和B处，模型B的全压升都较模型A的全压升大，因为随着中盘右侧叶轮进口处旋涡强度减小以及气流角α的增大，进入叶轮的气流流动状况转好，损失减小。所以增大机壳右侧空间和改变右侧集风圈形式的模型B在相同条件下获得了更高的全压升，这正是中盘右侧叶轮做出了更大的贡献。同样在C-C′上模型B的全压升也较模型A有所提升。

图10 Y=0mm截面模型A，B的速度矢量图Fig.10 Velocity vectors of model A and B on cross sectionY=0 mm

图11 监测点A，B的全压升图Fig.11 Total pressure rise on monitoring point A and B

图12给出了模型A，B在叶轮中盘右侧中截面Z=-46mm（见图1(b)所示）蜗舌附近的全压分布情况。由图中可知，模型B的全压最大值比模型A高，蜗舌上下游附近叶轮流道中的3，7，8号流道，模型B比模型A有更好的全压升梯度。随着叶轮半径的增大，流道中的全压逐渐升高，模型B中全压增加的比较规律，有较好的梯度，而模型A对应的流道中则出现了压力突升情况。所以在蜗舌附近流道内模型B的流动状况较模型A好。从全压和效率的关系上来看，模型B的效率要比模型A高。

图12 Z=-46mm截面蜗舌附近全压分布图Fig.12 Total pressure distribution on cross sectionZ=-46mm

3 结论

对吸油烟机原型A进行三维数值模拟研究，且与原型A实验结果进行了对比，得出原型A数值结果和实验结果相吻合，研究发现：

1）在叶轮结构和参数保持一致前提下，改变机壳进口和叶轮右侧集风圈形式，再次对改进模型B进行数值模拟。与原型A数值结果对比，发现在第2～10八个工况下，模型B全压和全压效率都较模型A有所提高。其中工况5提升最明显，全压提高了10%，全压效率提高了4.7%。此工况点全压提升，使得全压曲线更加平缓，有益于排烟能力的提升。

2）模型B整机系统全压和全压效率提高的主要原因是，适当调整了吸油烟机离心叶轮两侧箱体空间，使得叶轮右侧截面内旋涡强度减小，进入中盘右侧叶轮进口的气流角增大，气流从轴向转入径向变得更加平稳，流动损失减小。

3）模型B蜗舌附近叶轮流道内的全压升梯度变得更有规律，改善了部分流道中的压力突变情况，减小了损失，表现出更好的全压升性能，有利于吸油烟机系统的全压和全压效率提高。

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Numerical Simulation of a Multi-bladed Centrifugal Fan for Range Hoods

Xiao-yang MaXing-an HuangChuan-yu WuHong-li ChenHua-shu Dou
（Faculty of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University）

The internal flow field of a multi-blade centrifugal fan for range hoods is analyzed by numerical simulations. According to the results of the numerical simulations and tests,an improved model,which involves modifications of the inlet and the right side of the nozzle of the impeller is obtained.The comparison of the numerical results for the original and improved model shows that the total pressure and efficiency of the improved model is higher than for the original model.The optimization of the right side of the impeller nozzle shows the good flow guiding effect,the total pressure rise near the volute tongue is increased.

range hood,multi-blade centrifugal fan,numerical simulation,total pressure,total pressure efficiency

TH452；TK05

1006-8155-(2017)04-0032-07

A

10.16492/j.fjjs.2017.04.0006

浙江省重点科技创新团队（2013TD18）；浙江省重大科技专项（2013C01139）；浙江理工大学科研启动基金资助（11130032241201）

2016-08-21 浙江 杭州 310018