基于CFD技术的吸油烟机用多翼离心风机性能优化研究综述∗

刘小民 杨罗娜

（西安交通大学能源与动力工程学院）

基于CFD技术的吸油烟机用多翼离心风机性能优化研究综述∗

刘小民 杨罗娜

（西安交通大学能源与动力工程学院）

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）在吸油烟机产品开发和性能优化设计中发挥着越来越重要的作用。本文在总结吸油烟机行业中CFD技术应用和发展现状的基础上，系统阐述了CFD技术的基本原理及其应用流程，给出了近些年来该领域的研究人员基于CFD技术在吸油烟机叶轮、蜗舌、箱体及其他部件等结构改进和性能优化方面的主要研究方法和成果。

吸油烟机；多翼离心风机；计算流体力学；优化设计；性能改进；气动噪声

0 引言

多翼离心风机具有整体尺寸小、流量系数高、噪声低等优点，因此广泛应用于吸油烟机中。随着社会生活水平的提高，人们对吸油烟机性能的要求也越来越高，巨大的市场需求为吸油烟机行业发展带来契机的同时，也对吸油烟机的性能指标提出了更高的要求[1-2]。尽管目前国内吸油烟机产品具有较高的技术水平，但还不能从根本上解决排烟不尽、油气分离难、噪声大等问题[3]。多翼离心风机作为吸油烟机中的主要部件受到广泛关注，优化其性能对改善吸油烟机性能有着至关重要的作用。

在我国吸油烟机行业竞争日益激烈的形势下，吸油烟机的研发部门面临很大的挑战与机遇[4]。多数企业研发团队对吸油烟的设计更多的是根据经验，他们制造一系列试验样品进行研究，并没有考虑结构设计对吸油烟机内部空气动力学性能的影响。由于多翼离心风机内部流场较为复杂，因此在多翼离心风机的传统设计中，受到试验条件和测试设备等因素的限制，设计人员不能很好地分析多翼离心风机中的气体流动状态，一些关键部件的参数只能通过经验确定[5]。

20世纪60年代开始，随着计算机硬件以及计算方法的迅速发展，CFD技术获得了广泛的应用，在航空航天、船舶动力、水力发电、空调、吸油烟机等工程领域有着优良表现[6]。通过CFD技术对多翼离心风机流场和声场进行数值模拟，可以将计算结果通过具体数值和图像显示出来，有助于对多翼离心风机的关键部件进行优化和设计改进。相比于试验设计方法，CFD技术有效地提高了研发效率、缩短了研发周期，同时降低了吸油烟机产品研发成本，这使得CFD技术在吸油烟机行业越来越受到重视[7]。

CFD技术在吸油烟机行业中发挥的作用不仅取决于物理模型建立的正确与否，更在于对计算结果的理论分析以及如何应用计算结果完成吸油烟机优化设计的指导和实践。随着吸油烟机行业的发展需求，CFD技术必定在吸油烟机产品的研发及性能提升方面发挥更加重要的作用[8]。

1 多翼离心风机的CFD数值计算

1.1 性能优化流程

目前吸油烟机的性能优化流程主要采用两种方式：一种是原型机诊断优化，即通过计算吸油烟机原型机，分析其问题产生原因，再针对问题源提出优化方案的一种方法；另一种是吸油烟机的设计优化，即给定流量和压力等设计要求，根据设计准则，进行吸油烟机风道系统优化设计。在此过程中，采用正交试验、遗传算法等多目标优化方法，结合CFD数值模拟技术，确定吸油烟机及其风道系统的最佳参数，大大提高多翼离心风机的设计效率。不论是原型机诊断还是新型风机设计优化，CFD技术在其中都发挥着重要的作用。具体工作流程如图1和图2所示。

图1 原型产品诊断优化流程Fig.1 Optimization flow chart of existing product

图2 新产品设计优化流程Fig.2 Optimization flow chart of new product design

1.2 多翼离心风机CFD数值计算方法

吸油烟机内气体的流动可以由流体运动控制方程进行描述，控制方程主要有质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。CFD通过对流动控制方程的离散求解，揭示吸油烟机内部流场分布状态，进而对吸油烟机的优化提供基础。采用CFD对多翼离心风机进行性能分析主要分为三个计算过程：定常计算、非定常计算和声场计算。

1.2.1 定常计算

采用Fluent软件对多翼离心风机进行数值计算。风机进口采用总压进口边界条件，出口采用静压出口边界条件，控制方程采用Reynolds时均Navier-Stokes方程，湍流计算采用Realizable k-epsilon双方程模型和Scalable Wall Function近壁面控制方程，压力速度耦合采用SIMPLE算法，压力离散格式采用PRESTO格式，动量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二阶迎风格式，旋转区采用多参考系模型，动、静区交界面为Interface边界条件，收敛残差为10-4。

1.2.2 非定常计算

当定常计算达到收敛后，以定常计算结果作为初始场进行非定常计算。旋转区域改用滑移网格模型，时间项采用二阶隐式格式，非定常计算的时间步长用下式确定：

其中，K为每一时间步内设定的最大迭代步数；n为叶轮转速，r/min；Z为叶片数。

1.2.3 声场计算

在非定常计算得到稳定流场的基础上进行噪声的模拟计算，采用FW-H方程对多翼离心风机的声场进行计算[9]。FW-H方程为：

式中，ρ为空气的密度；c0为远场声速；p′为瞬时观测点声压强；ui为流体速度在xi方向的速度分量；un和vn分别为沿积分面的流体速度的法向和切向分量；H(f)为Heaviside函数；δ(f)为Dirac函数；Tij为Lighthill张量；Pij为应力张量。Tij和Pij的表达式如下：

式中，δij表示克罗内克符号。

方程（2）右侧分别代表的是单极子源、偶极子源和四极子源。单极子源是由于流体中流入的质量或热量不均匀时形成的；偶极子源是当流体中有障碍物存在时，流体与物体产生的不稳定作用力形成的，属于力声源；四极子源是由粘滞应力辐射的声波形成的，只有在超声速流动时才会突显。单极子源和偶极子源为面声源，四极子源是体声源。因此本文对于多翼离心风机的数值计算，四极子源忽略不计[10-11]。因此，方程（2）可以简化为：

式中，r表示由声源点指向接收点的单位向量；n表示平面的单位法向量。FW-H方程中出现的其它变量的物理意义以及方程的具体求解过程详见参考文献[12]。

当声场计算完成后，通过傅里叶变换可得到噪声频谱图和噪声结果。在数值模拟计算中，由于波长远大于风机特征尺寸，因此蜗壳和叶轮之间的反射、衍射和散射在计算中均忽略不计。

2 吸油烟机性能优化

作为吸油烟机风道系统的重要组成部分，多翼离心风机风量、风压、噪声和效率直接决定了吸油烟机的主要性能参数[13]。目前国内外学者对多翼离心风机的研究主要集中在叶轮、蜗壳等关键部件的结构参数上。除此之外，基于CFD技术对吸油烟机箱体结构和其它部件的优化，对提升吸油烟机性能也起到了十分重要的作用。

2.1 叶轮优化

叶轮是多翼离心风机的主要运动部件，叶轮转动对气体做的功，对风机的风量、风压和效率产生直接影响。风机转动产生的旋转噪声，是多翼离心风机的主要噪声源之一。因此，提高叶轮性能可以改善气流流动状况，达到增风降噪的效果[14-15]。

2.1.1 多元耦合仿生叶片

刘小民等[16]分析了苍鹰翅膀独特的消声结构，将鹰翼前尾缘的齿形非光滑结构提取出来，应用到多翼离心风机叶轮叶片中，设计了一种多元耦合仿生叶片如图3所示，并提取尾缘周期、齿宽、齿高、前缘波长、振幅这五个参数对仿生叶片结构进行CFD模拟分析。如图4所示，仿生结构的引入，使得叶片的声压级较原型叶片有所降低。如图5中叶片表面压力云图所示，采用多元耦合仿生叶片能有效减小叶片前缘受到的气流冲击作用。从图中可以看出，叶片前缘高压区消失，尾缘的负压区减小。试验表明：具有小齿形尾缘和中波形前缘的仿生叶片在风量和风压均有所增加的情况下，噪声较原型叶片降低了1.3dB。

图3 多元耦合仿生叶片Fig.3 Multi-factor coupling bionic blade

图4 仿生叶片与原型叶片噪声频谱图Fig.4 Noise spectrum of an original and bionic blade

图5 叶片表面压力分布云图Fig.5 Pressure distributions on the blade surfaces

2.1.2 分段叶片

由于受吸油烟机用多翼离心风机叶轮加工工艺和加工成本的限制，目前风机叶轮叶片大多采用的是等弦长等厚度直叶片，这种叶片进口安装角在进口叶轮边缘所有点上是相同的，而该处气流速度分布的不均匀性，使得气流对叶轮叶片产生较大的冲击，增大了叶轮的气动噪声；在叶片的出风口处，由于流道阻塞，容易形成涡流，增大了风机的涡流噪声，降低了风机的效率。秦志刚等[17]提出一种分段设计的优化方法，在不改变叶轮制造工艺的前提下对叶片实施分段设计，提高多翼离心风机性能，其结构如图6所示。利用CFD技术对原型风机和分段叶片风机进行数值模拟，得到两种风机的流场结果。如图7风机湍流强度云图所示，叶片经过分段设计之后，减小了进口气流的偏斜程度，使得气流在转弯过程中能够提前由轴向转向径向，减少了冲击损失、叶道的分离损失、叶轮顶端出口涡流及二次流损失，从而提高了风机的效率[18-19]。试验证明采用分段设计叶轮的改进方案，风机风量提高了0.61m3/min，风压从352Pa提升到385Pa，效率提高了2.04%。

图6 分段叶片结构图Fig.6 Sectional blade structure

图7 多翼离心风机中心截面速度分布Fig.7 Mainstream velocity distribution in the central section of multi-blades centrifugal fan

2.1.3 偏心叶轮

多翼离心风机的离散噪声与叶轮和蜗舌的相对位置有着较为密切的关系，因此，优化叶轮与蜗舌的位置匹配能起到控制噪声的作用。根据多翼离心风机的CFD计算结果，叶道内尤其是靠近蜗舌区域的叶道内存在连续的流动涡，阻塞了叶道并产生强烈的涡流噪声。李烁等[20]在此基础上提出偏心叶轮的优化方案，以偏移量L和偏移角θ（其定义如图8所示）为参数对其流量、效率等性能进行了CFD研究。研究结果显示，偏移量L为10mm，偏移角θ为170°时，风机性能最优。如图9叶轮通道内流线分布图所示，偏心叶轮在70°≤γ≤290°时，叶道内的涡明显变少，在290°≤γ≤330°时，叶道内的涡基本消失。叶轮进口气流角和叶片进口角几乎完全相等，叶片前缘的低压区完全消失，流动分离消失，旋涡造成的阻塞得到改善，叶轮进口气流更加顺畅，从而提高了风机的效率和流量。偏心叶轮的试验结果：流量增加了1.48m3/min，效率提升了2.52%，同时噪声也下降了1.2dB。

图8 偏移距和偏移角示意图Fig.8 Schematic diagram of the eccentricity and eccentric angle of multi blade centrifugal fan

图9 叶轮通道内流线分布图Fig.9 Streamline distribution in the multi-blades centrifugal impeller

2.2 蜗舌改进

蜗舌是风机的重要组成部件，蜗舌的作用是诱导气流改变运动方向，使气流尽可能多的排出风机，减少风机中回流的产生。蜗舌的形状、间距和半径的变化都与风机内部流动状态的变化和噪声的产生密切相关。多翼离心风机在正常运转时，气体通过叶片的作用会冲击蜗舌结构，出现周期性的压力脉动和速度脉动，使风机在工作过程中产生旋转噪声。压力脉动和速度脉动也会在叶片上形成不稳定的作用力，使风机产生离散噪声。研究指出：蜗舌是多翼离心风机的主要噪声源之一，因此蜗舌的设计和优化直接关系到多翼离心风机的性能和噪声[21]。

2.2.1 仿生蜗舌

长耳鸮在自然进化过程中，获得了静音飞行的能力，为进行仿生设计提高吸油烟机气动性能提供了灵感。刘小民等[22]将长耳鸮翅膀的前缘型线结构应用到吸油烟机用多翼离心风机蜗壳蜗舌的设计中。通过对长耳鸮翼型进行CFD研究发现，其翼展方向40%截面翼型具有最佳气动性能，取其前缘的6.5%对风机的蜗舌进行仿生重构设计，使鸮翼翼型下侧型线尽可能的与原型蜗舌下侧型线重合，重构形成仿生蜗舌[23]，如图10所示。对仿生蜗舌进行CFD模拟，结果如图11所示，仿生蜗舌附近流动域内压力梯度分布比较均匀，剧烈变化区域明显减小，逆压梯度区基本消失，表明仿生蜗舌具有较好的分流效果，蜗舌区域的流动得到优化，从而提高了风机效率，减小了风机气动噪声。试验表明，前缘蜗舌风机的风量较原型风机增加了1.9m3/min，噪声下降了1.6dB，效率提高了3.8%。

图10 仿鸮翼前缘蜗舌风机蜗壳结构Fig.10 Bionic volute tongue inspired by the leading edge of owl wing

图11 蜗舌处压力云图Fig.11 Pressure distribution near the volute tongue

2.2.2 倾斜蜗舌

对多翼离心风机进行CFD分析发现，风机运转时，叶轮带动的气体没有全部从蜗舌处流出，而有少部分空气流入叶片间进入风机内部，出现明显的反向二次流现象，造成能量损失。基于此原理，付双成等[24]将倾斜蜗舌运用到多翼离心风机中。倾斜蜗舌减小了反向二次流，更有利于提高风机性能，其结构如图12所示。压力在风机内部流动空间呈非对称分布，叶轮转动在叶轮内侧形成负压区，且负压区域向叶轮中心扩散，压力逐渐升高。压力最小值出现在叶轮端部的高速区域，且向周围扩散，倾斜蜗舌对多翼离心风机的压力场影响较小[25]。在相同转速下，多翼离心式风机采用倾斜蜗舌结构，流量降低了5.6%，但是叶轮的功率也相应下降了9.13%，较大程度降低了风机能耗，最大降低噪声4.2dB。

图12 倾斜蜗舌示意图Fig.12 Inclined volute tongue structure

2.2.3 阶梯蜗舌

传统的多翼离心风机，其蜗舌与叶轮外缘的间距要有一个最佳范围。间距过小，气流流过蜗舌与叶轮外缘的间隙时，就会产生啸叫声；间距过大，气流对蜗舌的冲击情况会有所改善，但会有一部分气流在蜗壳里随着叶轮转动不停地循环，既消耗了功率，又减少了流量，同时还会与叶轮出口的气流发生周期性地撞击，从而产生低频振荡或共鸣，导致噪声增大[26]。李栋等[27]在此基础上提出了阶梯蜗舌的优化方案，结构如图13所示。将原来的单蜗舌结构改成两个蜗舌结构，形成阶梯状，下蜗舌可用来保证风机性能必要的间距，上蜗舌则可拉开更大的间距，以使气流对蜗舌的冲击情况得到改善。CFD模拟结果显示，离心通风机采用阶梯蜗舌后，跟采用传统蜗舌相比，蜗舌附近的气体运动状态有了较为明显的改善，在较大程度上减少了气流对蜗舌的冲击，从而降低了噪声。试验结果证实，同传统蜗舌相比，阶梯蜗舌在保证性能变化不大的前提下，最大降噪效果可以达到3dB。

图13 阶梯蜗舌示意图Fig.13 Step volute tongue structure

2.2.4 内凹式蜗舌

图14 两种新型蜗舌结构Fig.14 Two types of new volute tongue structures

乔亚光等[28-29]设计了异形内凹式蜗舌，主要包括内凹弧形和内凹槽形两种结构，如图14所示。采用CFD方法，研究了两种特殊蜗舌结构对多翼离心风机气动性能和噪声的影响，揭示了蜗舌对多翼离心风机的增风降噪机理。计算结果表明内凹式蜗舌能降低出口区域气体对蜗舌的冲击，对气流有更好的分流作用，因此能降低风机的旋转噪声，提高风机的效率。在蜗舌的附近区域，产生的压力梯度的强度和范围更小，风机出口处流线的曲率变小，减少流动分离，有利于风机出口处气体的流动。在风机出口处旋涡的区域面积变小，可以增大出口的有效流通面积，有利于增加风机流量[30]。风机采用内凹弧形蜗舌和内凹槽蜗舌，噪声在整个频段都低于采用传统蜗舌的风机，如图15所示。在4 000Hz之前的低频区域降噪效果更加明显，其中内凹槽蜗舌的降噪效果最好。试验表明，带有内凹弧形蜗舌的风机噪声下降了1.4dB，风量提高0.23m3/min；带有内凹槽形蜗舌的风机噪声下降了1.7dB，风量提高0.17m3/min。

图15 A计权声压级倍频程频谱图Fig.15 Octave spectrum of A-weighted sound pressure level

2.3 箱体及其它部件优化

箱体是吸油烟机的主要部件之一，在满足设计美学要求的基础上，还担负着有效拢烟的作用。当油烟进入箱体之后，一部分油烟会上升到箱体顶部滞留，不利于烟气的及时排出，在箱体上部产生涡流，这也是涡流噪声的一部分来源[31]。合理的箱体结构设计能提高吸油烟机的整机气动性能，目前在风道系统数值仿真中增加了对箱体结构的研究。

2.3.1 蜗壳位置

由于箱体尺寸的限制，蜗壳在机箱中的相对位置对吸油烟机的性能有一定的影响。目前大部分双吸式吸油烟机的多翼离心风机在箱体中的位置并不是处于箱体中间位置，一般是将电机侧的进风口与箱体之间的间隙减小，以增加非电机侧的进风区域面积[32]，针对蜗壳在机箱中的放置进行了数值研究。以电机侧相对宽度为参数，分别研究了0.37，0.40，0.44和0.50四种不同宽度对风机风量的影响。其中相对宽度定义为:WM/(WM+W)，WM为电机侧宽度，W为非电机侧宽度[33]，如图16所示。通过对不同相对宽度参数时风机的气动性能进行数值模拟，获得结果如图17所示。从图中可以看出，当相对宽度在0.5到0.4之间变化时，吸油烟机的性能随着相对宽度的减小稳步提升，但如果进一步减小相对宽度，吸油烟机的性能将会下降。当相对宽度为0.4时，吸油烟机具有最佳的气动性能。

图16 箱体中蜗壳位置结构图Fig.16 The relative position of the volute in the hood box

图17 相对宽度对风机性能的影响Fig.17 Effects of the relative width of the volute on the fan performance

2.3.2 分流装置

对吸油烟机整机进行CFD模拟，其内部速度分布如图18所示。可以看出，吸油烟机吸气后，在蜗壳下部有一低速区，油烟在撞击蜗壳后，部分能量损失，且会增加烟机内的涡流噪声[34]。针对这个问题，提出了一种分流降噪装置，结构如图19所示，该装置能将吸油烟机进口处吸入的气体进行分流，有效减小气体对蜗壳的撞击与低速区面积，降低能量的损失。测试结果表明：吸油烟机的风量增加了0.65m3/min，噪声下降了0.83dB。

图18 吸油烟机内速度分布Fig.18 Velocity distribution in the range hood

图19 用于降噪的分流装置Fig.19 Shunt device used for noise reduction

2.3.3 集流器优化

集流器作为进口导流装置对多翼离心风机的性能也有着重要的影响。集流器的设计参数如果选择不合理，会恶化风机内部流场，使吸油烟机整体性能下降[35]。对多翼离心风机进口集流器的出口直径d0与轴向间隙δ两个参数（如图20所示）进行数值优化，得出最佳集流器参数。计算结果如图21所示，优化集流器后的风机在蜗壳靠近出口区域，速度的分离现象明显减少，出口速度的分布更加均匀，蜗舌附近的流道内流动分离现象得到改善。优化集流器后的风机在叶轮出口的速度沿蜗壳开口方向逐渐增大，在蜗壳出口处达到最大，明显大于原型风机的速度，径向速度的分布相比原型风机更加均匀，说明集流器会影响气体从轴向转为径向所需的时间。优化集流器后的风机的静压分布更为均匀，流动更为顺畅，使风机效率与风量都得到了提升[36]。结果表明：采用优化设计的集流器，吸油烟机用多翼离心风机最大风量增加了6.0%，效率提升了2.6%。

图20 集流器结构示意图Fig.20 The inlet guide ring

图21 多翼离心风机内速度矢量分布Fig.21 Velocity distribution in a multi-blades centrifugal fan

3 总结与展望

1）本文给出了基于CFD技术的吸油烟机结构改进和性能优化流程，结合多翼离心风机叶片、叶轮、蜗舌、集流器等结构和性能的改进，阐述了CFD技术在吸油烟机增风-升压-降噪等性能优化过程中的作用和应用。

2）目前对吸油烟机的性能优化多集中在多翼离心风机部分，对吸油烟机箱体结构的优化研究相对还比较少，然而试验测量结果表明箱体结构对吸油烟机的拢烟效果和风量有着重要的影响。因此，吸油烟机箱体结构的改进将是进一步提升吸油烟机性能的发展方向。

3）在吸油烟机产品的实验室性能测试中，常以空气代替烟气来测量吸油烟机的性能，在CFD分析中的工作介质也采用的是实验室环境条件下的空气。然而油烟的物性与空气的物性是不同的，要获得良好的用户体验，就需要考虑采用烹饪过程中产生的油烟作为工作介质来进行吸油烟机的性能分析。

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A Review on the Performance Improvement and Structural Optimization of Multi-Blade Centrifugal Fan of Range
Hoods Based on CFD Method

Xiao-min LiuLuo-na Yang
（School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University）

Computational fluid dynamics(CFD)is playing an increasingly important role in the product development and performance optimization of range hoods.The basic principles and the usage of CFD methods are summarized for the development and application in the hood industry.In this paper,research activities and results for the structural improvement and performance optimization of the impeller,volute tongue,hood box and other components used in the range hood in recent years based on CFD are discussed.

range hood,multi-blades centrifugal fan,computational fluid dynamics,optimal design,performance improvement,aerodynamic noise

国家自然科学基金项目（No.51676152）;陕西省科学技术研究发展计划项目（No.2014K06-24）

2017-07-27 陕西 西安 710049

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0066-9

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0012