离心风机内部导流挡板结构优化设计

叶剑 梁之博 胡杨 周伟峰 林辉 谭海辉

1.华帝股份有限公司 广东中山 528415；2.电子科技大学中山学院 广东中山 528400

0 引言

离心风机广泛应用于各个行业[1-2]。出风均匀性及气动噪声性能是评估一款离心风机性能的两个主要指标。众多研究者针对离心风机的性能优化设计提出了设计方案，进行了大量的实验或数值模拟研究。

针对出风均匀性的研究，现有的研究主要通过仿真或者测试结果来直观判断风速是否均匀，缺乏评价的量化指标。蔡路等[3]通过增加横向整流板、引流板、阻力板、三角导流板等措施同时配合变截面风道设计，针对双层铁路客车客室送风均匀性问题进行优化设计，使风道获得了更好的出风均匀性。谢从虎等[4]针对冰箱间室的出风和温度均匀性问题，在风机出风口附近增设导流结构、调整风道出风面积，使箱内空间风速更加均匀、箱内左右两侧的温差由3℃降低至0.1℃。徐佳佳等[5]通过优化马达底板形状与静压箱厚度，有效改善了风机过滤单元的过流面出风均匀性，并通过研究给出了合理的测点方案为6×6中心分布方法。王魏兴等[6]利用CFD工具优化了顶蒸风管出风口的设计，改善了出风口的均匀性，提升了乘员舱的舒适性。

针对离心风机的内部流动及气动噪声性能的改善，多数研究集中在蜗壳型线、叶轮参数的优化设计上开展。刘绍辉[7]验证了不同过流部件对离心风机噪声性能的影响，并结合吸声隔声设计提出了新的降噪离心风机方案。刘小民等[8]验证了具有不同叶片出口角的多翼离心风机对吸油烟机风量及噪声的影响。出口角度为160°时，流量、噪声、全压效率的综合性能优于170°和180°。王加浩等[9]设计了一种具有鱼类仿生学特征的多翼离心风机叶片，可改善尾迹涡脱落导致气流不均匀度。满超等[10]结合CFD模拟仿真手段，优化了离心风机的叶轮前盘，使其效率、全压分别提升1.7%、2.1%，噪声降低1.5 dB(A)。林静祥等[11]研究了根据不同后向离心风机叶轮的出口后气流角设计的蜗壳型线对风机的性能的影响。曹颖[12]等对多翼离心风机风叶和蜗壳径向间隙对风管机的风量及噪声性能的影响进行了模拟及测试研究。

响应面法是一种综合试验设计和数学建模的优化方法，可以有效减少试验次数，并且可以考察影响因素之间的交互作用，被广泛应用于工程问题的优化设计[13-14]。

本文选取一款具有较大出口尺寸的离心风机蜗壳内部导流挡板作为研究对象，研究其不同结构对离心风机的出风均匀性及气动噪声性能的影响。采用出风口前方各测点的风速值标准差σ作为出风均匀性的评价指标，使评估结果更加客观准确；在初始方案离心风机的基础上，采用响应面方法设计了针对导流挡板的水平方向夹角θ、长度L、通孔直径D这3个不同参数的组合方案，并得到了2组优化方案；对上述所有方案均完成了三维全流场数值模拟，对初始方案与2组优化方案完成了出风口风速测试及气动噪声测试，分析了这3组方案的内部流场、出风均匀性、气动噪声的差异。为提升离心风机的出风均匀性及气动噪声性能提供参考。

1 方案描述及指标定义

1.1 导流挡板参数

本文选取的离心风机由于出口宽度尺寸较大，为改善出风均匀性，在离心风机的蜗壳内部设计有一块导流挡板用于减小蜗壳流道的扩散程度，提高蜗壳流道对流体的约束能力，降低气流的扩散与分离损失。

图1 导流挡板参数示意图

1.2 出风均匀性评价指标定义

为更好地量化和评价出风口气流在竖直方向上的均匀程度，在离心风机的轴向中间截面上、出风口正前方100 mm处等距选取10个测量点，如图2所示。获取每一个方案在上述10个测点的风速值，通过数据处理得到这组数据的标准差σ作为离心风机出风口的出风均匀性评价指标，从而量化对出风均匀性的评估。σ数值越小表示出风均匀性越好。

图2 风速测点位置（轴向中间截面）

2 数值计算方法

2.1 计算模型及网格划分

离心风机的部分设计参数如表1所示。离心风机风道部件主要包含叶轮、蜗壳。同时，为保证离心风机进出口流量的稳定性，计算模型中将进口区域处理成半球形并对出口进行适当延长，如图3所示。

表1 离心风机的主要参数

图3 计算域及其网格划分

为提升网格划分效率，计算域采用三角形非结构网格。为保证计算精度的同时提升计算效率，监测计算达到稳定状态后的出口体积流量Q，设计5组不同数量的网格划分方案进行网格无关性验证。如表2所示，当网格数达到528.6万时，离心风机的出口体积计算流量受网格的影响变化较小。综合计算精度及时间成本，后续模拟计算的网格数量选取网格方案4，网格总数约528万。

表2 网格无关性验证

2.2 边界条件

进出口给定标准大气压。动静区域的数据交换使用Interface连接。

采用稳态计算，选用RNG k-ε湍流模型，速度-压力耦合选用SIMPLIE算法，动静干涉采用多坐标参考系（MRF）处理。当出风口的体积流量Q值的波动幅度小于0.1%或者产生周期性波动变化，则可认为流场趋于稳定，计算可收敛。

2.3 数值模拟准确性验证

为验证数值模拟结果的准确度，使用型号为SW-6083的手持式数字风速仪测试初始方案离心风机出风口正前方100 mm处等距选取的10个测量点风速值。初始离心风机实测转速为2200 r/min时，实测风量为60.12 m³/h。图4为初始方案在风量为60 m³/h时的各测点风速分布对比图。由图可知，CFD仿真数据与实测数据的趋势贴合度较高，说明CFD仿真可有效模拟风机出风口处的速度分布规律。通过对仿真数据与实测数据的处理分析，得到模拟与实测的标准差σ分别为1.37、1.42，误差小于5%，满足工程实际需求。

图4 初始方案离心风机出口风速模拟值与实测值

3 响应面优化设计

3.1 响应面法试验设计

为获取导流挡板参数取值的最佳组合，本文基于响应面方法进行优化设计。利用Design-Expert软件，应用中心组合（Box-Behnken）试验设计原理，将导流挡板与水平方向的夹角θ、长度L、通孔直径D作为自变量，以风机出风口处的10个测点的风速值的标准差σ作为响应值，进行3因素3水平响应面试验。响应面法试验设计的因素水平如表3所示，共完成17次试验，其中12个不重复的试验点为析因点；其他5个重复试验点为区域的中心点，可确定试验误差是否在合理范围内[15]。

其次，方案的制定要体现出各教学部门与各管理部门对学校年度目标的分解，并采取责任制的方式来对学校各部门的工作进行考量，确保责任落实到每一个具体的部门。在年初，学校各教学部门和管理部门要明确自身的年度工作任务与年度工作目标。在年中，要对自己的年度工作任务和年度工作目标进行检查与规划，对于其中存在的问题采取合理措施解决，对进度患难的工作要调整工作进度。在年底，各教学部门与各管理部门要向学校上交年度工作与年度目标任务完成情况，学校根据上交的考核材料对考核做出最终评价，对完成年度工作任务和年度工作目标的部门给予肯定、鼓励和奖励，对于未完成或完成质量不佳的部门提出批评，并找出原因所在进行改进。

表3 试验因素及因素水平

完成自变量的单位与数值范围、目标函数及单位的设置，生成响应面试验设计表。表中共包含17组参数组合，根据每一组确定的参数组合，完成相对应的导流挡板三维建模，并将此导流挡板安装于离心风机内部完成流体仿真分析，获得每组参数对应离心风机方案出风口处的10个测点的风速模拟值，运算得到相应的风速模拟值的标准差σ。在响应面试验设计表中补充模拟得到的标准差σ，得到完整的响应面试验设计及结果，如表4所示。

表4 响应面试验设计

3.2 响应面优化设计

采用二阶多项式拟合标准差与因素间的回归方程：

方差分析得到此回归方程的“Prob＞F”值为0.0003，小于0.001，失拟性不显著，表明此方程可作为响应面的预测数学模型。

图5为显著因素间对目标函数的交互影响的响应面图形。标准差σ随夹角θ的变化最为敏感。当α1接近40°、α2接近35 mm时，标准差有极小值，故通过进一步优化求解寻找最优结果。

图5 标准差、α1和α2的响应面

4 最优方案仿真与测试分析

4.1 仿真分析

利用Design-Expert对数学模型进行求解，在表1给出的自变量参数范围内进行寻优。完成响应面优化后，选取2组较优参数组合（如图6所示）对应的方案进行数值模拟及试验测试验证，对比得到标准差σ的模拟值、实测值与回归方程预测值（PRE）的差异。由表5可知，响应面回归方程的预测的标准差σ与模拟值、实测值接近。优化方案1与优化方案2的预测值与模拟值误差分别为2.2%、2.8%，预测值与实测值误差分别为4.8%、5.0%。

表5 各方案的参数及结果

图6 方案示意图

图7为初始方案和2组优化方案的风扇中间截面速度云图。初始方案由于出口尺寸较大，导致蜗壳流道沿气流方向急剧扩散，流道对流体的约束能力降低，对气流造成较大的扩散与分离损失，气流在竖直方向上的速度分布存在明显差异，主要出风区域为远离蜗舌一侧的上部，靠近蜗舌一侧出风量低，风速偏小。对比初始方案，通过速度云图可以直观地看到2组优化方案的气流分布均匀性都有显著改善。2组优化方案中由于导流挡板的存在，出风口处的气流在竖直方向上的速度分布更加分散均匀，流道的急剧扩张趋势得到有效改善，风扇内部的气流分离明显减少，流道对气流的约束能力显著提升。气流不再集中于出口上部，出口下部靠近蜗舌处的气流速度得到提升，其中优化方案1在此处速度增加更加明显。

图7 各方案风扇的中间截面速度云图

4.2 风量及出风速度测试

为获取更好的风量测量精度，风量测试使用喷嘴式风量测试装置来完成。通过调节降温模块风扇的电机输入电压来控制叶轮转速，使各方案的风量均稳定在60（1±5%）m3/h范围内。初始方案、优化方案1、优化方案2稳定后的转速分别为2207 r/min、1911 r/min、2033 r/min。

使用型号为SW-6083的手持式数字风速仪来完成各方案出风口处的10个测速点的风速值测试。风速测试结果如图8所示，实测风速值通过计算后得到的标准差σ如表5所示。风扇出风口的气流风速实测值与模拟值存在一定差异，但两者在整体上分布的规律趋于一致，分布曲线具有较好的贴合度。对比初始方案，2组优化方案的离心风扇出风均匀性得到显著改善。

图8 各方案风扇出口风速模拟值与实测值

4.3 噪声测试

为验证优化方案的噪声性能，依据国家标准GB/T 1236—2000的规定，将初始方案与2组优化方案手板样机完成噪声测试。测试在本底噪声值不高于15 dB(A)的半消音室中完成。

初始方案、优化方案1、优化方案2的噪声值分别为43.6 dB(A)、40.2 dB(A)、41.7 dB(A)。优化方案1在同风量下相对初始方案的离心风扇噪声值降低3.4 dB(A)，主要原因是由于优化方案1中风扇内部流动分离损失的减少，获得相同风量时所需的叶轮转速明显降低。同时，更小的流动损失可有效减少旋涡的生成与溃灭，有利于气动噪声的控制。

获取初始方案与优化方案1的前方测点的频谱数据，如图9所示。0～4000 Hz频率范围内，初始方案与优化方案1频谱均未出现明显峰值，实际听感均无异常杂音。整体上，优化方案1在各频率点的声压级数值低于初始方案，在800～1100 Hz、2200～2500 Hz、3500～4000 Hz这3个频率段的声压级差值较为显著。

图9 初始方案与优化方案1的频谱

5 结论

本文基于响应面法对离心风机的出风均匀性及气动噪声性能进行优化设计。结合中心组合试验方法对导流挡板相对于水平方向的夹角θ、长度L、通孔直径D这3个参数进行试验设计，根据得到的结果进行响应面拟合，通过响应面优化方法，获得2组优化方案，并完成仿真与试验测试。结论如下：

（1）初始方案离心风机的气流主要集中在出口上部。出口下部靠近蜗舌处的气流速度低，风扇出风口的出风均匀性差。各测点的风速实测值标准差σ为1.42。

（2）响应面试验表明，夹角θ在-25°到70°的范围内，标准差σ变化范围为0.62～2.98，相对于其他两个因素的影响更加显著。

（3）CFD仿真结果表明，相同风量时，相比于初始方案在出口上部的最大风速7.12 m/s，优化方案1与优化方案2在此处的最大风速分别降低至4.17 m/s、4.11 m/s；相比于初始方案在出口下部的最低风速0.21 m/s，优化方案1与优化方案2在此处的最低风速分别提升至2.27 m/s、2.03 m/s。出风口各测点模拟风速的标准差σ由初始方案的1.37降低至优化方案1的0.64、优化方案2的0.74。通过响应面优化方法获得的2组优化方案均可有效改善离心风机的出风均匀性。

（5）出风均匀性及气动噪声性能最优方案为优化方案1，导流挡板相对于水平方向夹角θ、长度L、通孔直径D的取值分别为33.06°、43.33 mm、4.67 mm。出风口正前方100 mm处各测点的风速实测值标准差σ为0.65；实测噪声值40.2 dB(A)，比初始方案离心风机噪声值降低了3.4 dB(A)，降幅7.8%。