多孔介质模型在多翼离心风机结构优化的应用∗

王 曼 周水清 张生昌

（浙江工业大学）

多孔介质模型在多翼离心风机结构优化的应用∗

王 曼 周水清 张生昌

（浙江工业大学）

为了研究多翼离心风机进口处加装整流网对其性能的影响情况，以某家用抽油烟机为研究对象，针对其在运行过程中存在噪声大等问题，利用FLUENT中多孔介质模型进行数值模拟，并制作新的样机模型进行试验验证。研究结果表明，加装整流网虽然会在一定程度上增加流阻，产生压力损失，影响风机p-Q性能，但采用整流网可以改善进口附近回流现象，减小涡旋区域，有效增大流通面积。分析噪声性能试验结果可知，相比于原型机，新样机降噪效果明显，各工况点下平均降噪约0.9B。

多翼离心风机；多孔介质模型；整流网；降噪

0 引言

多翼离心风机作为一种依靠机械能提高气体压力，从而达到输送气体目的的从动流体机械，其内部是一个非常复杂的三维非对称流动[1]。Raj，Kind的研究表明，叶轮的进口处存在着一个流动分离区，约占1/3叶轮轴向宽度，该分离区始于集流器出口，横跨叶轮进入蜗壳，是影响风机性能、造成其低效率的主要原因之一[2-3]。由于集流器对多翼离心风机进口处的气流起到引导作用，使其均匀进入叶轮，故国内外学者对进口处流动分离现象的改善主要集中在对集流器的结构进行优化、安装位置进行改进，以及改变叶轮前盘结构等方面[4-11]，而对进口处加装整流网的研究尚不多见。

本文将针对某家用抽油烟机在运行过程中存在噪声大的问题展开研究，分别通过数值模拟和试验验证分析进口处加装整流网对风机性能的影响情况。为了更好地揭示加装整流网后风机内部流体的流动情况，本文将FLUENT中多孔介质模型运用于数值计算之中，并选用Porous Jump多孔跃升模型进行三维非定常流场计算，为风机结构优化设计提供参考。

1 计算模型及方法

1.1 模型的建立及网格的划分

原始模型的主要尺寸参数为：叶轮内径D1=205mm,叶轮外径D2=242mm，叶片数z=60，叶片进口安装角β1=80°，出口安装角β2A=163°，叶轮宽度b=115mm ，叶片厚度l=0.4mm，叶片圆弧半径r=14.2mm，蜗壳宽度b1=148mm，蜗壳高度h=349mm。为真实反映多翼离心风机内部流场，在利用PROE进行模型的建立时将进出口段分别进行适当延长，以保证进出口气体的流动充分发展，具体模型如图1所示。

图1 原型机结构图及其数值计算模型Fig.1 Schematic diagram of the prototype and its numerical calculation model

由于网格的质量和数量对CFD的计算精度影响较大，故本文采用ANSYS/ICEM软件对模型进行混合网格的划分。其中叶轮区域采用质量高、生成速度快的结构网格，而蜗壳和进出口区域则采用适应性较强的非结构化四面体网格。为提高网格质量，使数值模拟结果更加精确，在进行网格划分时，分别对边界层、interface面、蜗舌以及部分面积较小的窄面进行加密处理，整个计算域的网格数为210.3万，具体网格形式如图2所示。

图2 网格模型图Fig.2 Grid model diagram

1.2 边界条件和计算方法

原型风机主要边界条件为：压力进口和压力出口，定义叶轮区域为MRF动参考系模型，且绕z轴旋转，其它区域定义为静区域。定义叶片所有吸力面和压力面为Moving-wall，旋转方式设置为旋转跟随运动。本文的速度压力耦合方式选用通用性较强的SIMPLE算法，以保证速度调节趋势的正确性，动量方程、湍动能方程、耗散率方程的空间离散格式均采用二阶迎风格式，湍流模型选择RNG k-ε模型，且选用标准壁面函数，以CFD计算的定常结果作为初始条件，采用非定常方法进行模拟。

1.3 原型风机性能试验原理及设备

本试验严格遵循国家标准GB/T 17713-2011《吸油烟机》的外排式吸油烟机空气性能试验方法[12]，对风机的11种工况分别进行测定。该空气性能测试台基于孔板测量法，在设定电机输出功率之后于计算机中输入大气压强，选择正做或反做模式，通过变换不同开口直径的孔板，测量每一个工况点的动态测试数据。其试验装置原理图如图3所示。

图3 气动性能试验装置Fig.3 Performance test device

对比原型机测量值与对应工况点模拟值，绘制如图4所示的p-Q性能曲线。

图4 原型机p-Q性能曲线Fig.4 Original fanp-Qperformance curve

分析曲线可知，随着孔板孔径的增加，流量逐渐增大，静压呈现下降趋势，且在靠近大流量工况点时压力下降速度逐渐增大。这是因为叶轮在对气体做功时需要克服各种损失如流动损失、冲击损失、轴向涡流等。其中无冲击时的流动损失

因为速度ci近似与流量成正比，故流动损失在流量的加大过程中呈递增趋势增加，导致压力下降速度增大。对比分析试验数据和模拟数据可知，在小流量工况下模拟所得静压高于试验，随着流量增大，试验静压下降趋势较模拟静压缓慢，但两者整体趋势基本一致，且相对误差保持在6%以内，故可认为本文所选计算模型、方法以及边界条件的设置是合理的，其预测性能的结果可信。

2 多孔介质模型及其应用

本研究所提出的整流网区域，是一个多孔的连续空间，故在进行数值模拟时采用辅助的多孔介质模型。该模型从本质上说就是在动量方程中增加了一个代表动量消耗的源项[13]。多孔介质模型控制方程的附加动量源项为:

式中Si是第i个（x，y或z方向）动量方程中的源项，D和C分别为粘性阻力和内部损失系数矩阵。该源项由两部分组成，一部分是粘性损失项，即方程（1）右端第一项，另一部分是内部损失项，即方程右端第二项。负的源项又被称为“汇”，动量汇对多孔介质单元动量梯度的作用，在单元上产生一个正比于流体速度或速度平方的压力降。

对于简单均匀的多孔介质：

式中，α为渗透率；C2为内部阻力因子。

本文在研究多孔介质模型对风机性能影响的同时，选用了具有高稳定性和抗压性、比重轻、孔隙率大等特点的蜂窝状整流网，其具体模型如图5所示。

图5 蜂窝状整流网结构Fig.5 Structure of honeycomb rectifier network

由于该蜂窝网很薄，厚度只有0.38mm，属于简单多孔介质模型，故在进行数值模拟时采用式（2）进行计算。导出其流体域并在ICEM中进行网格的划分，在FLUENT软件中进行风机内部流场分析时，本研究采用的是Porous Jump多孔跃升模型，该模型较多孔介质模型简单，采用这种模型计算过程将更加强健，收敛性更好，更不容易在扰动下发散。

3 数值计算结果分析

为了更好的研究多翼离心风机内部的流动情况，现以叶轮后盘中心点为坐标系原点，分别选取x=0，y=0，z=0.08m处的子午面为观测截面，如图6所示。

图6 风机观测截面示意图Fig.6 Schematic diagram of the fan observation section

根据涡声方程

式中，D=p/ρ+(1/2)υ2为流体总焓，J，p为压力矢量，ρ为介质的密度；另外，流动涡矢量ω=∇×υ，υ为速度矢量。方程左边的微分式表示声波在非均匀流体中的传播，方程右边即为涡声源。对等熵低马赫数流，流体受到哥氏加速度的散度是导致流动发声的基本因素，其物理意义为涡线在速度场中被拉伸变形所产生的涡声，即气动噪声来源于涡的拉伸与破裂[14]。由此可见涡声理论中气流辐射噪声与涡量的大小有关，流场中涡量的大小、变化及其运动情况能够直观地反应辐射声场的噪声分布。

图7给出了设计工况点下不同观测截面处的涡量分布。分析图7涡量分布图可知，大涡量主要分布在集流器出口至叶轮进口之间、叶轮出口及电机附近区域。加装蜂窝网后，多翼离心风机进口处涡量明显少于原型机，图中A，B区域涡量已减少至100s-1以下，另外，靠近后盘侧的电机附近涡量也有一定程度的减小。这说明进口加整流网能够有效减少气流进入蜗壳时的扰动程度，减少流体对叶轮的冲击，进而达到减小涡流噪声的效果。

图7 不同观测截面处涡量分布图(色标单位s-1)Fig.7 Vorticity distribution at different observation sections(color units-1)

为了更好的研究风机内部流体流动情况，图8、图9给出了不同工况下两种风机在y=0观测面处的绝对速度流线图。

图8 原型机不同工况下y=0观测面处的绝对速度流线图（色标单位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)

从图8中可以看出，受后盘侧电机结构的影响，该附近流域出现较为严重的回流现象，观察图9中虚线框内A，B，C，D，E处流体流动情况可知，在不同流量工况点下，加装整流网后电机附近及靠近出口侧的集流器附近回流现象得到改善，这说明进口处加装整流网能够减小涡旋区域，增大有效流通面积，进而达到优化噪声情况的作用。另外，两图均表现出高速区范围随流量的增加不断增大的趋势，通过对比实线框内Ⅰ，Ⅱ处流域可知，相比于原型机，加装整流网后低速区范围在一定程度上有所减小，叶轮出口处高速区扩大，流体流通情况得到改善。

图9 加装整流网风机不同工况下y=0观测面处的绝对速度流线图（色标单位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 试验验证及结果分析

为了验证以上数值模拟结果的准确性，分别对原型机和加装整流网的多翼离心风机进行气动性能试验和噪声测试。其中气动性能试验原理同上，噪声测试采用全球包络法于半消声室中进行。风机位于半消声室中央即球面半径R=1.414m的球心处，四个测试点A,B,C,D均布于与球心相距1m的水平面与包络面交界的圆上，如图10和图11给出了具体的试验装置。

图10 空气性能试验装置图Fig.10 The picture of pneumatic performance test device

图11 半消声室图Fig.11 The picture of semi-anechoic chamber

两种风机在不同工况点下的静压分布曲线和全压效率分别见图12和图13。由图12可知，加装整流网后，风机性能较原型机有所下降，其差异在小流量工况点处表现更为明显。随着流量的增大，网格阻力产生的压力损失对风机性能影响的程度逐渐变小。从全压效率-流量曲线图可以看出，风机全压效率呈现先增加再减小的趋势，且最大全压效率均向大流量工况点偏移。加装整流网后风机效率在设计工况点附近有略微降低，但整体而言整流网对效率的影响并不是很明显。

图12 静压分布曲线图Fig.12 Static pressure distribution curve

图13 全压效率图Fig.13 Full pressure efficiency curve

图14为试验所得不同流量下风机总声级曲线图。分析可知，风机声压级随流量的增加不断增大，在相同流量下，加装整流网的风机噪声值明显低于原风机，且差值保持在0.9dB左右。由此验证了数值模拟的准确性，即进口处加装整流网可以有效改善风机内部流体流动状况，减小因涡的拉伸与破裂而产生的气动噪声，使原风机在运行过程中存在的噪声大的问题得到初步的缓解。

图14 噪声特性曲线图Fig.14 Noise characteristic curve

通过对比不同工况下两种风机的性能曲线和噪声特性曲线可知，加装整流网虽然会在一定程度上增加风机流阻，使其p-Q性能降低，但其降噪效果明显，且在大流量工况点下其性能被影响的程度较低，故在实际设计时可适当增大风机流量，在保证风机p-Q性能的前提下达到降噪的目的。

5 结论

本文将FLUENT中多孔介质模型应用于进口加装整流网对风机性能影响的研究中，并对加网和不加网两种多翼离心风机分别进行CFD数值模拟和试验验证，研究结果表明：

1）原型机数值计算和试验验证结果整体趋势一致，且误差保持在6%以内，证明了本文数值计算方法的可行性和准确性。

2）加装整流网后风机进口处涡量分布较原型机明显减少，靠近出口侧集流器附近及电机周围流域回流现象得到改善。

3）噪声测试结果证明整流网对多翼离心风机具有明显的降噪效果，各流量工况点下噪音降低约0.9dB。风机气动性能试验表明，加装整流网会在一定程度上降低风机p-Q性能，但随着流量的增大，其p-Q性能影响程度减弱，因此建议在实际设计中适当增大风机流量，在以降噪为前提的情况下保证风机整体气动性能。

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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

国家自然科学基金项目（51706203）

2017-07-24 浙江 杭州 310014