基于Flow Simulation的空气净化器风机设计研究

蔺勇智 杨威 刘东海

无限极（中国）有限公司 广东广州 510663

1 引言

目前空气净化器市场竞争激烈，同时国家标准对于空净产品各项指标的要求也愈加严格，风机作为空气净化器的核心结构，自主设计开发风机能够让空净企业灵活地根据产品定义需求进行产品设计，优秀的风机设计能力可以让空净企业打造性价比更具优势的产品[1][2]。因此风机设计开发能力是空净企业实力体现的重要指标之一，是保证企业核心竞争力的重要因素。本文基于Flow Simulation流体仿真模块，利用流体仿真分析及手板实测的组合方式探索并验证一套适合空气净化器风机设计研究的方法。

2 风机设计理论计算

本文以一款双进风前倾风机的空净开发项目为案例进行设计研究。根据项目定义需求，对风机进行理论计算设计。

2.1 风机设计参数输入

为满足性能指标，产品定义需求是一款双进风的前倾离心风机作为动力系统，因此首先要评估双进风前倾离心风机的选型方向是否合理。通过计算风机的比转速，可以评估预期选型的风机形式是否合理。比转速计算公式如下[3]：

其中：Q为风机能输出的额定流量，n为风机叶轮的额定转速，ρ为空气密度，P为风机额定全压。

对产品定义需求技术指标进行分析，抓取出公式所需要的参数。根据产品CADR的技术指标需求可以初步定义风机理论额定流量。本文所研究的案例，初步定义风机额定流量为Q=1000 m3/h，双进风风机可看成两个风机并联，因此可按额定风量的一半进行计算[6]，则Q≈0.14 m3/s，20℃常规介质空气密度ρ≈1.2 kg/m3[4][5]。

根据产品CCM的技术指标需求可以推断出滤纸用量和活性炭等填充物用量，本文所研究的案例，初步定义单组滤网厚度为65 mm，表面积约为0.16 m2，单组滤网尺寸为360 mm×460 mm×65 mm。根据上述结构参数进行滤网样品制作及测试，得到滤网样品的“压降-流速”的实验数据，如图1所示。

图1 滤网样品压降-流速实测曲线

因产品预定义为双进风风机，所以单组滤网的额定过风量为500 m3/h。通过计算可知过滤网的额定流速约为0.9 m/s，因此通过图1可以得出单组滤网的阻力约为60 Pa。考虑结构系统阻力、动压损失、理论计算效率等因素，初步定义风机全压为P=120 Pa。

根据风机所需功率公式：

其中：q为总流量，P为风机全压，η为全压效率，ηm为机械效率，K为电动机容量安全系数。结合行业经验参数，可知所需电机轴功率约为70 W。初步电机选型为轴功率85 W，额定转速1270 rpm的电机。考虑电机寿命，不建议长期满载状态下运行，因此建议优选设计转速n=1000 rpm。

因此通过比转速公式计算可知：ns≈10.3，根据选型原则，可选前倾式离心风机、后倾式离心风机[6]。

通过以上计算结合成本因素考虑，双进风前倾离心风机的选型方向是合理的，并初步获得风机设计参数，如表1所示。

表1 初步风机设计参数

2.2 风机叶轮理论设计

如图2所示，风机叶轮设计需要计算叶轮外径D2、叶轮内径D1、叶片高度b、叶片进风角β1、叶轮出风角β2、叶片间距t的取值。

根据叶轮周速计算公式：

图2 叶轮设计参数示意图

可计算得风机叶轮外径D2取值范围为：0.246 m～0.268 m。因此初步优选，D2取250 mm、260 mm两个参数值进行理论设计。

根据流体连续性方程：

其中：β1为叶片进风角，β2为叶片出风角。若叶轮进出口相对速度相等，则：

为方便理论计算取：β1+β2=90°，则：β1=51°，β2=39°。

由于前倾风机叶道短，叶片弯曲大，如图3所示。为了减少叶道分离损失，一般δ=180°-（β1+β2）≤90°[1]。

根据欧拉方程：

可简化为：pt=ρu2C2u，当β1+β2=90°时，根据几何关系可知，C2u=2u2，如图4所示。根据能量守恒原理，β2角度略微减小风机的静压增大，流量减小，β2略微增大流量增大，风机的静压减小。因此需要根据性能需求对β1和β2角度进行微调。

图3 叶片设计参数示意

图4 叶轮叶片速度三角示意图

根据行业经验，叶片距离t=(0.7～1)Rk，Rk为叶片圆弧半径。因项目定义为塑料叶轮，叶片需要一定的结构厚度，为了兼顾改善叶道内流动分离，叶片距t=1×Rk为最佳，

根据叶片数z计算公式：

则，叶片数量初步定义为45片。

2.3 蜗壳设计

蜗壳张开度A示意图如图5所示。根据阿基米德螺旋线方程，可推导蜗壳张开度A的计算公式为：

其中：B为蜗壳深度，取值为叶片高度加上结构间隙，初步定义B=165 mm。为简化计算，取C2u=2u2。

则，当D2=0.25 m时，蜗壳张开度A定义为65 mm。

当D2=0.26 m时，蜗壳张开度A定义为62 mm。

确定叶轮外径D2及蜗壳张开度A后，可以在三维软件中使用笛卡尔坐标系方程，通过阿基米德螺旋线方程式获得所需的蜗壳曲线。同时由于空净产品对静音要求较高，因此需要采用短蜗舌的设计方案。

3 三维建模及Flow Simulation仿真分析

根据理论计算，有2个设计参数方案，如表2所示。

图5 蜗壳张开度A示意图

表2 风机理论设计定义方案参数梳理

3.1 设计方案梳理及三维建模

通常来说空净产品阻力主要由滤芯阻力和结构阻力两部分构成，结构阻力主要由滤芯舱盖和出风口栅格造成的阻力构成。结构阻力会根据产品ID设计等情况参数值略有不同，因此在产品开发早期，可以根据竞品测试或者行业经验来预估结构阻力的“压降-流速”曲线。首先将结构阻力的“压降-流速”和滤芯的“压降-流速”数据进行复合，得到整机的预估压降-流速曲线，如图6所示。

图6 整机预估压降-流速曲线

然后将理论计算的2个设计参数方案进行三维建模。在风机两侧进风口处建有滤芯仓，仓内放置用来模拟滤芯的实体模型，在Flow Simulation中设置该实体模型为多孔介质，并载入整机的压降-流速曲线，用来模拟风机负载工况，如图7所示。需注意，滤芯和风机进风口需留有合适的过风间隙。

图7 通过多孔介质模拟风机负载工况

3.2 使用Flow Simulation对方案进行对比评优

以效益优先为原则，需要在两个方案中优选一个进行后续的深度开发，因此通过对两个方案模型使用Flow Simulation流体仿真模块进行分析评优，相对于手板模型测试验证评优方法不但成本低，而且效率更高。

将两个方案模型在Solid works中标出叶轮旋转区域，在Flow Simulation中使用相同的计算域参数、叶轮转速参数、边界条件参数、多孔介质参数（整机负载模拟设置）、目标参数、网格参数等，对两个方案模型分别进行流体仿真分析，如图8所示。

图8 Flow Simulation流体仿真模块进行分析计算

仿真计算完成后，可通过Flow Simulation计算结果中的表面参数选项分析，得知风机在加载滤芯工况下产生的风量。通过声学能量图，可以横向对比两个方案产生的声学能量数据。两个方案经过分析计算后，对比数据如表3所示。

表3 两个方案流体分析数据

分析数据可知，方案1即可满足产品定义风量，从产品尺寸控制角度来说，选择方案1进行开发，更有利于后期的ID设计及成本控制，因此选择方案1进行深度优化设计。

3.3 利用Flow simulation进行方案优化

将方案1，利用Flow Simulation流体仿真模块分析风机负载滤芯工况下的风机流速和叶轮相对压力，如图9、图10所示。

图9 风机流速图

图10 叶轮表面相对压力仿真分析图

根据模拟分析结果并结合风机设计理论，判断可尝试调整叶片入风角β1、叶片出风角β2取值，来优化风机性能[7]。根据β1+β2≥90°原则，进行叶片出风角β2及叶片入风角β1的取值优化，建立优化方案流体分析实验计划表，如表4所示。

表4 方案1优化方案流体分析实验计划表

根据优化方案实验计划表，分别建立优化方案的三维模型，并利用Flow Simulation进行流体仿真分析。对比数据如表5所示。

表5 优化方案流体分析数据对比

通过分析各优化方案风量除以声学能量得到的比值，判断优化方案B更优。优化方案B可以适当降低转速，在满足产品定义风量的情况下有效降低噪声值。观察优化方案B的叶轮相对压力仿真分析图，叶轮自蜗壳张开度A至进入蜗舌处叶片压力明显减少，如图11所示。

图11 优化方案B叶轮表面相对压力仿真分析图

4 结论

对优化方案B进行手板样机制作，并按国标方法进行测试。测试结果接近流体分析的数值，如表6所示，满足项目定义的参数设计需求。

表6 手板堆叠样机测试数据

通过表6测试数据可以说明本文基于Flow Simulation的流体仿真研究方法可有效并快速地进行空气净化器风机设计开发，该仿真研究方法具有如下优势：

（1）高效性优势：Flow Simulation可快速对多个预设方案参数进行分析评优，指导方案设计方向，加快研发进度。

（2）经济性优势：Flow Simulation的验证方法可以大大节省企业样机手板制作费用。利用流体仿真可以进行大量的方案分析计算，从而优选价值方案再进行手板验证。

研究中也发现了如下不足之处：

（1）Flow Simulation进行流体分析计算，对计算机性能要求较高。需要企业对计算设备进行额外投入。

（2）因项目节点处于开发早期，且考虑简化分析计算，通常模型较为简化，并未表达结构中的所有细节，其分析结果必然受到影响，可能导致一定的错误或较大的偏差。

相较于大量的手板验证，计算设备购买成本相对较低，而因模型简化导致的计算偏差，可通过方案的手板校验尽可能地避免。计算机仿真辅助设计是不断优化迭代的过程，待产品结构详细设计完成后，可对完整方案模型再次进行流体分析验证，并根据分析结果进行深度优化，从而寻求最优解[8][9]。