基于CFD技术的ESP空气净化器风道结构优化

卓泽铭 许来春 杨贤飞 谢剑飞 谷 飞 贾金迎

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

多翼离心风机具有大风量，噪音低，效率高，体积小的特点，在空气净化器、新风净化机、抽油烟机等家用电器产品领域得到了广泛的应用。多翼离心风机一般由风轮、蜗壳和电机等组成，运作时，电机驱动风轮以一定转速旋转，使其风轮边缘翼片间隙气体受离心力作用，沿轮盖径向滑移进入蜗壳壳体，从而风轮转轴中央产生真空度，在压力差作用下，风轮轴向吸入外部空气；外部空气进入风轮后，受压力差梯度作用，气流在其轮盖上方折转90 °，进入风轮翼片间隙，在翼片离心作用下获得动能和压能；从翼片甩出的气流进入蜗壳，经蜗壳流形结构汇聚、导流，部分动能转化静压，流速降低，静压提高，经蜗舌结构从蜗壳出风口排出。

蜗壳轮廓流形是影响多翼离心风机性能关键因素，蜗壳流形的设计参数不仅直接关系到蜗壳内的流场分布，而且对风轮的气动性能也有很大的影响，直接影响到风机效率、工作流量、噪声、风压等性能参数，当工况流道结构变化时，往往需要重新计算和设计验证，使得产品的开发周期延长。对于家用空气净化产品，在满足净化风量大、噪声小的同时，还需要避免进出风格栅、过滤器结构等净化模块流道结构的回流现象，防止空气中的污染物在产品内部内滞留、积淀，产生二次污染现象。

为提高净化器蜗壳和净化模块的风道结构优化设计效率，本文选取了一种ESP静电式空气净化器作为研究对象，采用CFD有限元仿真技术，分别对空气净化器的内部蜗壳风机流场和净化模块风道流场进行数值模拟，基于可视化的流场结果，对净化器的内部流场结构进行了优化设计。静电式空气净化器相比于传统滤网式空气净化器，无需更换滤膜耗材，并且能够捕集小于0.01 μm的颗粒物，具有阻力损失小，风量大，噪音小的特点。结构组成见图1所示，主要包括初效网、GDP模块（高压放电模块）、ESP模块（集尘极板）、活性炭过滤网、电机、风轮、进/出风口等。

图1 ESP空气净化器几何模型图示

1 数值模拟方法

为对比稳定状态下的不同蜗壳流形风机流场风量，本文采用雷诺时均RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes）方法，对净化器的风道流场进行稳态数值模拟。目前工程上常用的RANS湍流模型主要有Spalart-Allmaras模型、k-epsilon模型、k-omega模型和RSM 雷诺应力模型四种。对于多翼离心风机，学者通常采用k-epsilon模型中的RNG k-ε模型和k-omega模型中的SST k-w模型，来对流场进行数值求解。k-epsilon RNG模型可通过壁面函数简化边界层网格模型，在降低收敛难度的同时，也降低了计算时间成本；k-omega SST模型对于剪切流、射流、分离流、大曲率流等工况具有较高的精度，但与k-epsilon模型相比，其计算难度大，难收敛，且对近壁面网格模型的精细度要求较高，时间成本较大。因此，本文选用RNG k-ε模型，求解蜗壳风机速度分布和风量结果，计算公式见式（1）。

式中：

k—湍动能；

ε—湍流耗散率；

ρ—流体密度；

ui—xi和xj方向上的速度分量；

Sk，Sε—湍动能和湍流耗散率的源项；

Gk—由层流速度梯度引起的湍流动能；

Gb—由浮力引起的湍流动能；

YM—可压缩湍流中位移扩散引起的波动；

C1，C2，C3—常数；

漂流木在开阔的海上漂浮，开始了它们漫长的旅程，时间长短取决于不同的树种，最长可历时17个月。在这段漂泊海上的时间里，这些无根的死木变成了漂浮的珊瑚礁，为多种多样的海洋生物提供了漂浮水面上的栖息地，其中包括将它们的卵产在浮木上的无翅水黾，水黾是唯一一种生活在开阔海域里的昆虫。

αk，αe—k方程和ε方程对应的湍流Prandtl数。

本文研究的离心风机在额定工况下的转速为800 rpm，气体做不可压缩流动，叶轮蜗壳风道进出口边界条件分别设置为压力入口和压力出口，叶轮旋转区域使用MRF多重参考系进行求解。为保证旋流场精度，求解器中的压力插值格式选择为PRESTO!，动量、湍动能、湍流耗散率插值格式均设为QUICK格式，梯度插值格式使用基于单元体的最小二乘法进行插值计算。

噪声气动模型选用FW-H声比拟模型进行求解，FW-H声比拟模型用于描述流场与移动壁面相互作用产生的气动噪声。FW-H声比拟模型基于两步法（图2）：先采用RANS方法在噪声源附近获得精确的瞬态流场信息，然后使用波动方程求解声源处到接收处的噪声传播数据，通过快速傅里叶变换得到声压信号等信息。

图2 FW-H声比拟模型图示

对于风机噪声求解，先使用RNG k-ε模型对风机叶轮内外气体的流动区域进行稳态迭代计算，当流场稳定收敛后，使用大涡模拟LES模型进行流场的瞬态迭代计算，其亚格子模型选用动能输运方程进行求解，待升力系数曲线呈现周期变化后，开启FW-H声比拟模型，能量方程采用MUSCL 3阶格式离散，瞬态公式使用二阶隐式格式求解，时间积分方式选用非迭代时间推进法（NITA），时间步长为2.5×10-5s，共迭代运算135 000步。

2 模拟结果分析

2.1 风轮蜗壳风道流场结果分析

离心风机的流道优化主要从蜗壳风道流形结构进行优化，以降低压力损失，减小噪声，提高净化风量。在不改变原ESP空气净化器外壳尺寸的情况下，对蜗壳风道尺寸做了多种工况下的模拟分析，本文选取了6个具有代表性的工况做分析对比，如图3、图4所示，其中case0的结构参数为空气净化器蜗壳风道的原始尺寸，叶轮转速均为800 rpm。

图3 风机叶轮速度分布云图

图4 不同蜗壳流形下的风机流量大小柱状图

从图2不同工况下的蜗壳风道速度场云图可知，蜗壳在符合阿基米德螺线分布的情况下（如case4和case5），叶轮内部流场速度分布更为均匀流畅。结合对应的风量结果，可以看出case3和case5流量较高，但case3的蜗壳设计不符合阿基米德螺线分布，且速度大小在蜗壳壁面附近分布不均匀。因此，最终选取case5作为本次蜗壳流道结构优化的最终方案。

2.2 净化单元风道结构优化

净化单元由初效网、GDP模块、ESP模块和活性炭过滤网四个模块组成。初效网和活性炭滤网模块细小孔结构数量较多，直接建模会产生大量的网格，难以直接求解。目前对于填充床、滤网、多孔板、布流器、管排等压降明显的流体工况大多采用多孔介质(Porous Media)模型进行简化，可以有效提高的仿真求解效率。因此，本文使用多孔介质模型简化初效网和活性炭滤网的细小孔结构物理模型。其多孔介质模型的压降变化规律可用Darcy定律来解释，即

Q—流量大小m3/s；

K—介质渗透系数，m2；

A—介质渗透面积，m2；

Pb—过滤介质下表面压力，Pa；

Pa—过滤介质上表面压力，Pa；

μ—流体动力黏度，Pa·s；

L—过滤介质的长度，m。

在净化单元风道中，各模块间存在一定间隙，在不考虑净化模块的过滤性能的情况下，空气净化器内部积灰现象多源于内部风道结构设计不合理，由此形成的气体回流使得灰尘在内部循环，以至于灰尘聚积，导致空气净化器净化性能降低，且容易产生二次污染。因此，针对该问题，对净化单元风道的内部结构气体流场进行了数值模拟分析。在净化模块风道流场工况中，空气净化器风量为300 m³/h，模拟分析结果见图5、6所示，分别为改进前后的净化单元模块风道流场速度云图和局部速度矢量图。

图5 改进前净化单元风道速度场

图6 改进后净化单元风道速度场

2.3 离心风轮噪声分析

噪声的产生与压力波动等非定常过程直接相关，因此研究风轮翼片的偏心涡流非定常流动机制非常重要。气体流经风轮翼片通道时，翼片周围流型复杂，有的翼片在尖端和尾部有明显的涡流，吸力面上有分离流，翼片流动呈湍流，类似于卡门涡街的周期性湍流现象。如图7所示，为非定常状态大涡模拟模型下，优化后风轮风道流场流动信息。

图7 非定常状态大涡模拟流场速度云图

噪声也是一种机械波，它会在整个传播过程中改变空气密度，从而导致气压波动。一般而言，声波过程中超过空气静压的部分称为声压，用P表示。由于声波随时间变化，所以任何时刻的声压为瞬时声压，通常为用一定时间段内瞬时声压的平方来衡量，称为有效声压，即

式中：

Lp—声压级，dB；

P0—基准声压，2×10-5Pa，为基准声压本身的声压级为0 dB；

Pe—有效声压。

为监测蜗壳出风口处的噪声分布情况，在出风口0.5 m内等间距设置了6个监控点，如图8所示。所设噪声监控点均为FW-H模型的接收点。本工况的风轮叶片数为58，转速为800 rpm，基频为773 Hz。旋转噪声以基频和频率的离散形式呈现，而湍流噪声以连续形式呈现。从图9的噪声谱可以看出，离心风机的气动噪声频率曲线具有波峰且连续分布，表明离心风机气动噪声同时包含旋转噪声和湍流噪声。

图8 噪声监控点分布图

图9 噪声频谱和总声压级

由由于人耳对频率的敏感度不同，在相同声压下，人耳对噪声的反应也可能不同。为反映人耳的听觉特性，通常采用加权声级作为评价参数。国际电工委员会定义的加权网络有四种：A、B、C、D。其中常用A-weighting和C-weighting，B-weighting已经逐渐去掉，D-weighting是主要用于测量飞机噪声。需要注意的是，虽然加权声压级以分贝为单位，但它们不再是以分贝为单位的声压级，因为加权网络已经对声压进行了校正。根据傅里叶变换理论（FFT），可得A加权1/3倍频程谱和加权声级，如图10所示。

图10 A计权1/3倍频程谱和计权声级

3 结语

本文基于的CFD技术的RNG k-ε湍流模型，对风轮风道流场、净化模块风道流场进行了数值模拟，依据速度分布流场，改进了蜗壳流形和净化模块风道结构。从模拟结果可以看出，流畅的蜗壳流形结构能够有效提高离心风机的理论风量，速度矢量分布流场信息可以直观的找出净化模块风道的回流区域，有效提高优化设计效率。此外，结合大涡模拟LES模型和FW-H声比拟模型对改进后的蜗壳风机流场噪声进行了数值计算，也可以一定程度的预测改进后的蜗壳风机结构所产生的涡流场和出风口附近的声场分布情况。