基于前缘锯齿形叶片的多翼离心风机数值分析与实验研究

(1 郑州轻工业学院能源与动力工程学院 郑州 450002； 2 中国科学院理化技术研究所 北京 100190; 3 广东志高空调有限公司 佛山 528244)

多翼离心风机作为风道系统的重要组成部分，因具有结构紧凑、流量系数高等优点而被广泛应用于各式空调器中[1]。改善多翼离心风机的流场性能一直是国内外学者研究的重点，提出了多种针对风机叶片的优化方案。

随着仿生学在工程技术领域的蓬勃发展[2]，通过研究生物的外形特征，将其运用到现有技术的优化创新中，取得了较为理想的效果。刘小民等[3]为改善单圆弧等厚度叶片前缘和后缘的流动特点，将苍鹰尾缘的齿状结构应用到多翼离心风机叶片中，与普通叶片相比可以显著降低噪声。Chen Shuming等[4]基于长耳猫头鹰的翼型结构，在对叶片进行仿生设计的基础上，从叶片数目、内外径比等方面进行优化，使质量流量增加了0.108 kg/s，噪声值降低9.03 dB(A)。L. E. Jones等[5-6]实验研究了齿形结构叶片对风机性能的影响，得出其能降低气动噪声的结论和影响降噪效果的因素。除仿生学研究外，S. C. Lin等[7]为提高小型前弯离心风机的气动性能，用NACA4412翼型替代原型叶片，并调整叶片入口角度，达到了提高风机效率和降低噪声的目的。毛全有[8]通过研究风机内流场发现，叶轮的有效出风通道主要在中后盘，提出叶片分段设计的概念。李淼等[9]采用叶片进气端斜切的方式，通过数值模拟和实验研究，发现叶片斜切结构能改善气流在进口转弯处流动的不均匀性，提高风机性能。

综合以上研究，为改善柜式空调器存在的能耗高、流动损失大和气动噪声突出的问题，本文从多翼离心风机内部的流动特点出发，利用锯齿结构对涡流的破坏作用[10]，从叶轮前盘沿叶片前缘的1/3叶轮宽度处进行锯齿设计，对不同锯齿结构进行数值计算，并分析其降噪机理。最后，通过对比实验研究锯齿叶片与原型叶片对风机的风量、噪声及功率等的影响。

1 模型简化与数值计算

由于实验研究是以柜式空调器室内机为载体来测试风机流场的性能，为确保数值模拟的准确性，本文对某型空调器的整机模型进行简化，如图1所示。为使进、出风口处的流动达到稳定，在左右进风格栅处设置弧形进风口，出风口向外延伸适当距离[11]。由于整体结构复杂，在ICEM中划分网格时，全部采用非结构网格，网格总数约为560万，网格质量大于0.2。

图1 整机简化模型Fig.1 Simplified model for the whole machine

空调器用多翼离心风机的叶轮由多圆弧非等厚度叶片、轮毂、后盘等组成，其结构参数如表1所示。

表1 原型叶轮结构参数Tab.1 Structural parameters of the prototype impeller

将叶轮结构进行简化，只保留叶片和后盘，简化后的叶轮及网格如图2所示。在叶片的前缘和后缘处进行加密处理，网格数约为140万，约占网格总数的1/4。

图2 叶轮网格图Fig.2 Impeller grid

1.1 计算方法

稳态计算时，采用RNGk-ε两方程湍流模型，压力修正选择Standard方式，离散方程均采用二阶迎风格式，压力与速度耦合选用SIMPLE算法[12]。整机延伸区域的进、出风口均采用压力进、出口边界条件，蒸发器采用多孔介质模型，风机旋转区域采用多重参考系(MRF)[13]。非稳态计算时，采用大涡模拟(LES)，压力与速度耦合采用PISO算法，时间步长为1.07×10-4，计算收敛后开启声学模型，选择FW-H方程进行噪声计算，并以叶轮、蜗壳、蜗舌为声源。

1.2 原型机模拟结果与分析

按照相应的测试标准[14]，将原型机在通风高风模式下测得的风量和噪声数据与模拟结果进行对比，如表2所示。原型机的模拟结果与实验数据的误差均在允许范围内，说明模型的简化和计算方法的选择较为合理。

对原型机的模拟数据进行后处理发现，对于多翼离心风机，整个叶轮叶片的前后缘均存在不同大小的涡流。而在靠近蜗壳出口侧的叶片，由于出口速度和进口气流角均为最大[15]，沿叶轮宽度方向的整个叶间流道均存在较大涡流，图3所示为处于叶轮中部x=60 mm处的涡量分布云图，可见涡流的存在严重影响了气流的输出。

表2 原型机实验与模拟数据Tab.2 The experimental and simulated data of the prototype machine

图3 x=60 mm处的涡量分布Fig.3 The vorticity distribution at x=60 mm

2 锯齿叶片设计与数值计算

2.1 叶片设计机理与方案

为确定叶片的设计方案，按照文献[3]对生物翼型结构的仿生学分析，基于几何相似原理，以多圆弧非等厚度叶片为对象进行研究。图4和图5所示分别为锯齿叶片和锯齿结构参数示意图。叶片宽度为127 mm，叶间流道长度为32 mm，叶片面积为4 064 mm2，齿高hc约为2.2～4.0 mm，齿宽dc约为1.6～3.3 mm，周期ec约为2.2～4.4 mm，在上述范围内选择5种参数，如表3所示。

图4 锯齿叶片Fig.4 The serrated blade

图5 锯齿结构参数Fig.5 The parameters of the serrated structure

方案齿宽dc/mm齿高hc/mm周期ec/mm13.02.54.022.62.53.632.22.53.242.22.03.252.21.53.2

2.2 锯齿叶片数值模拟结果与分析

将5种锯齿叶片分别在FLUENT软件中进行计算，模拟结果如表4所示。对比方案1、2、3，在相同齿高的情况下，齿宽越小，风量越大，噪声越低，转矩和轴功率也相应提高，方案3的各项性能优于方案1、2。对比方案3、4、5，在相同齿宽的情况下，齿高越小，风量越大，噪声越低，但方案4较方案3的转矩和轴功率均略有降低，整体而言转矩和轴功率均逐渐增大，方案5的性能优于方案3、4，说明随着结构参数的减小，风量逐渐增大，噪声逐渐降低。因此，齿宽和齿高不宜过大，否则会大幅减少叶片的有效面积，增大噪声，故方案5的整体气动性能较好。

表4 锯齿叶片模拟结果Tab.4 The simulated results of the serrated blade

图6 原型叶片与锯齿叶片在不同截面处的涡量分布Fig.6 The vorticity distribution of the prototype and the serrated blade at different sections

图6所示为原型叶片与方案5的锯齿叶片在锯齿段相同截面处(x=124.4、105.2、86.1 mm)的涡量云图。由图6(b)可知，靠近前盘的锯齿对叶片前后缘及叶间涡流的改善最为明显。在锯齿段的中后部，如图6(d)、图6(f)所示，前缘涡流较图6(c)、图6(e)的改善较小，部分叶片前缘处的涡流还有扩大的迹象，但从叶片后缘进行观察，涡流均呈减小趋势，且图6(f)中蜗舌处的涡流较原型叶片有较大改善。可知当叶片前缘由圆弧状变为锯齿结构后，对涡流的破坏主要针对聚集在靠近前盘的涡流，同时也改善了锯齿段的叶片后缘和流道间的流动特性。由于前盘附近以轴向流动为主，径向流速和进口气流角均偏小[15]，流道极易出现分离，在锯齿的作用下能明显打碎涡团，将原来的大涡团分割为较小涡团，故出现如图6(b)所示的流动情况。

图7所示为x=86.1 mm处原型叶片与锯齿叶片的速度矢量。可以较清晰地看出，图7(b)较图7(a)在沿蜗舌出口型线方向的流动更加均匀，且流量也增大，说明锯齿结构不仅能减少叶片后缘涡流，还能削弱蜗舌处由于气流的冲击引起的压力脉动和边界层分离，降低涡流噪声和流动损失，同时也使回流至蜗壳内侧的流量增加。

多翼离心风机旋转噪声的频率计算公式为[16]：

(1)

式中：n为转数，r/min;z为叶片数；i为谐波序号(i=1,2,3,……)，i=1时，f为基频，其值为373 Hz。为对比原型叶片与方案5的锯齿叶片在基频处的声压级，取低频0～1 000 Hz范围内的数据进行处理，其声压级分布如图8所示。锯齿叶片在基频处的声压级较原型叶片降低约2 dB，说明锯齿叶片能降低多翼离心风机旋转时的基频噪声，提高风机的气动性能。

图8 原型叶片与锯齿叶片频谱图Fig.8 The spectrum diagram of the prototype and the serrated blade

3 实验研究

通过对包括原型叶片在内的6种叶片进行数值分析后，最终确定方案5为最优方案并制作叶轮模型，如图9所示。

图9 锯齿叶轮模型Fig.9 The serrated impeller model

3.1 实验方法

将原型叶轮和锯齿叶轮分别安装在某型柜式空调器室内机中，在与室外机不连接且处于通风状态的情况下，按GB/T 7725—2004的相关标准[14]进行风量和噪声测试。

在风量实验室中，依据铭牌参数上的循环风量，选择直径为70 mm和100 mm的喷嘴，并分别按高、中、低三挡的风速模式进行测试，当风量实时曲线达到稳定时记录数据。

噪声测试在半消声实验室进行，如图10所示，采用3560C采集分析系统及7700型声学和振动分析软件，测试范围为14.6～146 dB(A)。为与进行模拟时的整机简化模型一致，拆除出风口横向导流叶片，除叶轮不同外，其余零部件均不变。测试时,将传声器放置在距室内机出风口中心水平距离为1 m，垂直距离为0.8 m处。同样，在不同风速模式下，运行30 min后且工况稳定时，开始测试并记录噪声值。

图10 半消声实验室Fig.10 The semi-anechoic chamber

3.2 实验结果

表5所示为两种叶轮的实验数据。由表5可知，不同风速模式对应的风机转速不同，且锯齿叶轮的质量较原型叶轮减少214 g。测试结果表明，锯齿叶轮的整机风量虽略有减小，但影响较小，可视为基本不变，噪声值较原型机降低0.9～1.2 dB(A)，输入功率降低2.75～3.55 W。因此，方案5对应的前缘锯齿形叶片在实际应用中，对改善多翼离心风机的流场性能起到了积极作用。

表5 原型叶轮与锯齿叶轮实验数据对比Tab.5 Contrast of experimental data between the prototype and serrated impeller

4 结论

采用数值模拟方法，分析了前缘锯齿形叶片对多翼离心风机风道性能的影响，总结了其降噪机理，并进行了实验验证，得出如下结论：

1)对空调器用多翼离心风机的研究表明：在叶片的前、后缘和叶间流道，以及蜗舌处均存在不同大小的涡流。因此，其降噪的关键在于如何优化叶片附近的流动情况，减少涡团数量，抑制蜗舌处的边界层分离，减小气流的冲击和压力脉动。

2)与原型叶片相比，锯齿叶片能有效破坏靠近叶轮前盘前缘的涡流，降低叶片后缘及叶间流道的涡流大小，改善蜗舌处的流动情况，提高了风机的气动性能。

3)在通风状态下，设置不同风速模式，对柜式空调器室内机进行风量和噪声测试，安装有锯齿叶片风机的整机风量较原型机基本不变，噪声值降低0.9～1.2 dB(A)，输入功率降低2.75～3.55 W，达到节能降噪的目的。

综上所述，将前缘锯齿形叶片的多翼离心风机应用于柜式空调器中，还需进行深入研究，测试其在实际使用工况下的降噪效果和能耗状况。