基于CFD的欧式烟机性能仿真优化

肖林辉，黄 朴，乌胜斌

（广东中山百得厨卫有限公司，广东中山 528478）

0 引言

吸油烟机是厨房里必不可少的生活电器，随着人们对生活质量的要求越来越高，风量大、噪声小、能够快速排出油烟的吸油烟机成为了人们的强烈需求。在厨电行业竞争日益激烈的情况下，高性能吸油烟机的研发成为了厨电企业占领市场的必争高地[1]。风道系统由风轮、风柜和出风口座组成，是决定吸油烟机性能的核心部分，如何设计一套优质的风道系统是烟机研发的重点工作[2]。近年来，随着数值模拟（CFD）技术在各行各业的快速发展和日益成熟[3]，国内外越来越多的工程师开始运用CFD技术模拟气流在烟机中的流动状态，为烟机研发提供理论支持，从而缩短研发周期。刘灿礼[4]通过数值模拟对烟机风道系统进行了设计优化，改善了风机中的流动状态，相同转速下，新设计风机比原风机噪音相比下降了2.4 dB。冯琪[5]利用数值模拟，改善了风机叶片的进出口角、蜗壳线型、及其叶片进口直径，使得风机效率增加了11.7%，全压增加了20%。

本文通过数值模拟技术分析了欧式烟机中气流的流动状态，并结合实际试验对其风道系统重新进行了设计，改善了气流的流动状态，减少了气流损失，从而达到增大风量，降低噪声的目的。

1 物理模型及算法理论

1.1 物理模型

本文以传统欧式烟机为研究对象，油烟在烟机中的流动相对复杂，首先需经过集烟罩的拢烟，通过油网进入箱体，随后进入风道系统排出[6]。利用 CREO 对欧式烟机结构进行简化，提取其内部流动区域，为防止回流，增大了进口域和延长了出口域，得到仿真模型如图1所示。

基于FLUENT 对烟机内部进行模拟计算分析，烟机内气流流动如图2所示，从图中可以看出，箱体内部气流最大速度为29.5 m/s，且都集中在上进风口区域，大部分气流均通过上进风口进入风轮，下进风口气流流动较少。上进风口区域气流流动较紊乱，气流撞击到风柜底部往上进入上进风口时有一个“爬坡”的过程，流动不顺畅。

针对以上问题，将欧式烟机的风道系统重新设计优化[7]，为使风柜上进风区域有足够进风空间，将风柜风轮厚度整体减薄10 mm，在保证风轮安装尺寸不变的情况下，将风轮中盘重新设计，同时增大叶片的进出口角。风轮结构图如图3所示，风轮原始结构中盘比例d/D=0.613，经改进后中盘比例降低到0.354，原始结构中叶片出口角α=148°，叶片进口角β=9.5°，经改进后叶片出口角增大到176°，叶片进口角增大到21.5°。

图1 仿真模型

图2 气流流动示意图

图3 风轮结构图

1.2 算法理论

无论湍流运动多么复杂，非稳态连续方程和Navier-Stokes 方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。为了考察脉动的影响，目前广泛采用的方法是时间平均法，即把湍流运动看做由两个流动叠加而成，一是时间平均流动，二是瞬时脉动流动[8]。在此将流体作为不可压缩流体，得到其时均方程、Reynolds方程和标量Φ的时均运输方程如下[9]：

式中：p 为静压力；ρ为流体密度，本文为常量1.225 kg/m3；u为速度矢量；μ为湍动粘度；xi和xj为位置坐标；t为时间。

噪声场的计算在定常计算湍流的基础上，采用大涡模拟计算非定常流场并结合FW-H方程[10]对近场声源向远场的传播进行计算，得到远场监测点的压力噪声脉动，FW-H 方程是将Navier-Stokes 方程按波动方程的形式重新整理而成，其方程如下[11]：

式中：H(f)为Heaviside 广义函数；C0为音速；t 为时间；p 为声压；∇2为拉普拉斯算子；ρ0为未扰动空气密度；pij为压应力张量；Tij为Lighthill应力张量。

2 性能模拟及试验

2.1 性能模拟

基于FLUENT对欧式烟机进行整机模拟[12]。采用k-ε湍流模型结合SIMPLEC 速度-压力算法求解离心风机内部稳态流场，采用大涡模拟结合FW-H声学方程求解瞬态远场噪声场[13]。风轮转速按实际测量设为860 r/min，进出口边界条件均采用压力出口，相对压力设为0，监控模块设置出口风量监控。改进后的气流流动如图4所示，从图中可以看出，其气流速度最大达到了34 m/s，相比改进前提高了15.2%。风道系统改进后，烟机内部气流流动更加顺畅，上进风口区域有更多的气流涌入风轮，风柜底部气流的“爬坡”现象消失。

图4 改进后气流流动示意图

图5 出口风量曲线图

烟机出口风量曲线图如图5 所示，从图中可以看出，改进前烟机出口的风量为19 m3/min，改进后烟机的出口风量增加到21.9 m3/min，相比提高了15%。烟机负压云图如图6 所示，改进前烟机拢烟区域负压最大值仅10.34 Pa，改进后拢烟区域负压最大值为20.55 Pa，相比提升了98.7%，且改进后烟机拢烟区域负压分布更加均匀，有利于提升吸烟效果。

图6 烟机负压图

（a）改进前 （b）改进后

采用大涡模拟可得到风轮表面噪声源[14]，基于LightHill方法的FW-H 方程可得到远场噪声场[15]。依据全球包络法测噪音，取1个噪声监控点A位于烟机下方，其位置坐标为（0,-1,1）。在比较噪音时，通常是在同风量的情况下进行比较，所以将改进后的风道系统转速由860 r/min降至740 r/min，使得出口风量值与改进前相同均为19 m3/min，然后进行噪声的模拟比较。图7所示为风轮噪声源表面分布图，从图中可以看出改进前风轮表面噪声源最大值为67.2 dB，改进后风轮表面噪声源最大值为62.1 dB，相比下降了5.1 dB，改进后风轮所产生的噪声源有所下降，其产生的远场噪声也必然有所下降。风轮远场噪声频谱图如图8所示，气动噪声在机理上可以分为湍流噪声和旋转噪声，湍流噪声在声压频谱图中表现为连续相，而旋转噪声在频谱图中表现为离散相，从图中可以看出，风机噪声基本以湍流噪声为主，频谱图中的峰值为旋转噪声的体现[15]。基于FLUENT可得到，改进前的风轮噪声为54.6 dB，改进后风轮噪声值为50.7 dB，相比下降了3.9 dB，取得了明显的降噪效果。

图7 风轮噪声源分布图

图8 改进前噪声频谱图

2.2 试验验证

本次风量测试设备如图9 所示，设备型号为F-401-025，其原理是在测试风洞中模拟试品的实际工作状态，变换出风口的孔板直径，然后测出风口的每次静压值，再由标准公式计算出此时对应的的流量系数及风量等参数，从而得到烟机性能的P-Q 曲线。依据国标对烟机进行空气动力性能测试，将吸油烟机热机30 min 后接入扩压筒进行测试，电压220 V，频率50 Hz。在消音室对烟机进行噪声测试，噪声测试装置如图10 所示。待烟机热机后，在烟机斜下方距离风轮中心1 m处，依据国际标准IEC 651 TYPE II 用噪声仪进行风机噪声实际测量[16]。

图9 风量测试设备

图10 噪声测试装置

将所实际测得的风量噪声值与模拟出来的风量噪声值进行比较，气动性能数据如表1所示。从表1可以看出，气动性能仿真值与实际值的误差在10%左右，风道系统改进后，风量实测值为19.8 m3/min，相比提高了14.5%。通过调整电压使得改进前和改进后的烟机出口风量保持一致为17.3 m3/min，实测噪声数据如表2所示。从表中可以看出，改进前欧式烟机测得噪声值为59.5 dB，与仿真值误差为8.9%，改进后欧式烟机实测噪声值为57.3 dB，与仿真值误差较大为13%，实测噪声值下降了2.2 dB，表明对风道系统的优化取得了明显降噪效果。

表1 气动性能数据

表2 噪声数据

3 结束语

本文通过CFD 数值仿真技术对欧式烟机的风道系统进行了模拟优化，重点对风轮进行了重新设计，改善了烟机内部气流流动状态，实验表明新设计的风道系统提升了其空气动力性能，并有效的降低了噪声。

（1）风道系统改进后的烟机，实测风量为19.8 m3/min，相比改进前提高了14.5%，与仿真值的误差在10%。

（2）风道系统改进后的欧式烟机，在风量和改进前烟机一致均为17.3 m3/min 的情况下，其实测噪声为57.3 dB，相比改进前下降了2.2 dB。

（3）CFD 数值仿真技术所得风量、噪声数据与实验测量数据的误差在10%左右，能够在一定程度上为生产设计提供理论支持。