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面向降噪的汽车空调用多翼离心风机性能研究及改进

2013-01-10 11:21:49 黄友艳 秦国良 / 西安交通大学 点击数:

Abstract
摘要:为获得流动性能和噪声性能的优化,对多翼离心风机叶片、进口集流器和蜗舌进行了改进,并采用CFD数值模拟软件FLUENT对这些机型进行了模拟计算,通过对其流场进行对比分析得到了两台流动和噪声性能均比原风机显著提高的机型。
关键词:多翼离心风机;降噪;叶片型式;集流器型式;斜蜗舌;CFD数值模拟
中图分类号:TH432 文献标识码:B
Improving and Noise Reduction of Multi-Blade Centrifugal Fan for Automotive Air Conditioner
Abstract: For the purpose of obtaining the optimization of flow and noise performances, the structure of blade, inlet bell mouth and volute tongue of multi-blade centrifugal fan are improved. And the CFD numerical simulation software FLUENT is adopted to simulate and calculate these fans. After comparing and analyzing the flow field, it is obtained two fans whose flow and noise performances are optimized significantly compared to the original fans.
Key words: multi-blade centrifugal fan; noise reduction; blade type; bell mouth type; inclined volute tongue; CFD numerical simulation
0 引言
  多翼离心风机由于具有较大的压力系数和流量系数以及较紧凑的结构被应用于汽车空调系统中。汽车空调在运行时特别是全功率运行时,如果噪声较大,会影响车内的舒适性,从而降低汽车品牌的竞争力。因此本文的主要任务是对汽车空调用多翼离心风机进行改进,以求流动性能和噪声性能都得到优化。
1 多翼离心风机改进设计
  本文拟通过两种途径来优化风机流动性能,降低其噪声:一是通过改变多翼离心风机的形状,如改进风机蜗舌;二是通过改变多翼离心风机的结构来提高它的压升,从而降低风机的转速,如改进风机的叶片和进口集流器。
1.1 叶片改进
1.1.1 单圆弧叶片及响应面优化
  单圆弧叶片因设计容易,制造简单,常被多翼离心风机采用[1],如果叶片进出口角选取合适的话,单圆弧叶片风机可以取得较好的性能。
  在叶片的进口安装角β1A和出口角安装角β2A以及叶轮内径D1、叶轮外径D2确定之后,圆弧叶片的曲率半径R可按下式计算:

    

  传统的设计方法中,进出口角的选取没有公式可遵循,多数文献推荐出口安装角β2A一般在155°~170°,而进口安装角β1A可选择的范围则相对较大,为55°~110°。
  当有一定量的试验或者模拟结果后,响应面优化方法可以用来优化风机的单圆弧叶片型线。响应面优化方法是用一个简单的函数关系近似替代复杂的实际模型以用来进行计算分析和优化的方法[2-3],它将设计目标定义为响应,设计变量定义为因素,响应y和因素xi之间存在着函数关系式:

     y=f(x1,x2,...,xn)   (3)

  二阶多项式最常被采用作为响应面的近似函数,如式(4):

    

  上式中k为设计变量的个数,当设计变量为两个时,式(4)简化为式(5):

   y=β0+βx1+β2x2+β3β12+β4x22+β5x1x2   (5)

  对上式做以下变换:x3=x21,x4=x22,x5=x1x2,则式(5)可变为:

  y=β0+βx1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5 (6)

  若试验的总次数为n,则式(6)可以表示为如下矩阵型式:

   

  编制程序求解出系数向量α后,即可得到设计目标和设计变量之间的函数关系,求解该函数的极值就可得到最优的设计变量。
1.1.2 双圆弧叶片
  具有较大圆弧半径的双圆弧叶型多翼离心风机也可以产生良好的空气动力特性与低噪声特性[4]。
  双圆弧叶片是由两段圆弧叶片平滑连接而成,决定多翼离心风机双圆弧叶片型线的参数总共有8个:进出口安装角β1A和β2A,叶轮内外径D1和D2,叶片圆弧半径Rk1和Rk2,叶片圆心角α1和α2。
  双圆弧叶片参数的计算方式和单圆弧叶片类似,可以在确定叶片进口角β1和出口角β2的基础上,给定其中一个圆弧的半径和圆心角,依次算出其它的参数。换句话说,已知叶轮内外径D1和D2,进出口安装角β1A和β2A的情况下,给定叶片圆弧半径Rk1和Rk2的值,α1和α2的值也就随之确定。
1.2 集流器改进
  集流器的作用是引导气体进入多翼离心风机,气流通过集流器后由轴向流动转为径向流动,气流方向的突然改变会使叶轮靠近前盘附近通流很少,气流分离,产生涡旋,使多翼离心风机的性能下降,噪声情况恶化[5]。集流器的形状和安装位置对风机内部流体的分布情况,特别是风机前盘附近的气流分布有着很大的影响;因此,改变集流器的形状和安装位置对提高风机的性能,降低风机的噪声是十分必要的。
  大量的试验和数值模拟结果表明,蜗壳内部的流道中有着很严重的分离,有时还会出现回流,因此可以采用偏心安装集流器代替传统集流器,即将集流器向风机蜗壳内部偏置一定的距离,以优化其流场[6]。
  椭圆型进口集流器作为偏心安装集流器的一种特殊形式[7],其截面型式见图1。该截面由四个部分组成,两个圆弧和两条直线,圆弧1的圆心为O1,偏心距为L1,圆弧2的圆心为O2,偏心距为L2,截面的倾角为θ。定义偏心距ε1=L1/D1,ε2=L2/D2则给定截面倾角θ,偏心距ε1,ε2,就可以确定椭圆型集流器的截面型线。

1.3 蜗舌改进
  多翼离心风机的噪声主要有涡流噪声和旋转噪声两种,大量实验表明,旋转噪声在多翼风机噪声中往往起着决定性作用。叶轮出口存在着速度和压力都不均匀的尾迹,与蜗舌相互作用,会形成随时间脉动的压力,这是构成旋转噪声的主要来源[8],因此蜗舌结构对多翼离心风机的性能和噪声情况有着非常重要的作用。
  斜蜗舌常用来代替常规直蜗舌,以优化风机的噪声情况[9],其结构见图2。蜗舌半径从轮盖到轮盘的变化范围为r1~r2 ,蜗舌与叶轮最小间隙从轮盖处的t1变化到轮盘处的t2,并且从轮盖处到轮盘处,蜗舌与叶轮的最小间隙位置沿轴向转动了角度θ

  多翼离心风机采用斜蜗舌降噪的主要机理是:叶轮出口尾迹和蜗舌相互作用产生的非定常压力脉动,由于斜蜗舌的倾斜结构会产生一定的相位差,具有相位差非定常力相互叠加,其产生的噪声结果必定小于采用直蜗舌没有相位差的噪声叠加结果。
2 数值模拟及流场分析
  在GAMBIT中对多翼离心风机建立模型并进行网格划分,为了提高网格的质量,将整个风机的计算域分为了进口集流器、轮毂、叶轮流道区域以及蜗壳四个部分,每一个部分的网格都单独划分。对于像蜗舌处流动比较复杂的区域,可以进行网格加密。本文中多翼离心风机整体网格数约为300万,且风机模拟结果的网格无关性已经得到证明。
  通过多次模拟对比,最终找出了最合适的计算模型:湍流模型选择标准k-ε模型,压力-速度耦合算法选择SIMPLE算法,动量方程、湍流动能和湍流耗散均采用二阶迎风格式离散,进口条件为速度进口条件,出口条件为压力出口条件,叶轮区域采用旋转坐标系,计算残差定为10-6。
2.1 叶片和集流器改进数值模拟
  首先模拟了20组单圆弧叶片风机,它们的进口安装角β1A依次为55°、60°、65°、70°和75°,对应每个进口安装角β1A,出口安装角β2A分别为155°、160°、165°和170°。
  在单圆弧叶片风机数值模拟结果的基础上,选取静压升为设计目标,叶片进口安装角β1A和叶片进口安装角β2A为设计因素,采用响应面优化方法对单圆弧叶片风机进行了优化,得到了最优机型的进口安装角β1A为63.1°,出口安装角为170°,命名为风机xym,其静压升比原风机的静压升提高了73.1Pa。
  然后模拟计算了40组双圆弧叶片风机,它们的进出口安装角范围和单圆弧叶片风机相同,对比分析模拟结果后,选定了最优的双圆弧叶片风机进口安装角β1A为55°,出口安装角β2A为170°,叶片的两个圆弧半径比δ(δ=Rk2/Rk1)为2,圆心角α1为80°,将该风机命名为shuang49,其静压升比原风机的静压升提高了74Pa。
  由于改进风机的叶片型线是期望提高风机的静压升来减小其转速,以降低噪声,因此风机的静压升提高值是在所有叶片型式中筛选最优叶片的标准;因此可见风机shuang49采用的双圆弧叶片型式是最优叶片型式。
  在风机shuang49的双圆弧叶片基础上,本文又对风机的进口集流器进行了改进, 模拟计算12台采用偏心安装集流器的风机和12台采用椭圆型集流器的风机。在对模拟结果进行了对比分析后,这24组风机中的最优机型为采用偏心比ε1和ε2均为0.067,偏心角θ为0°的椭圆型集流器风机,命名为inlet6,其静压升提高值比原风机静压升提高了115.4Pa。
  分别在风机inlet6和原风机中截取了x=0的截面,图3为这两个截面处的流线图。可以看出,风机inlet6在叶轮进口的涡旋面积比原风机有所减小,风机inlet6的有效流通面积约为叶轮进口面积的2/3,而原风机的有效通流面积仅为叶轮进口面积的1/4左右,所以风机inlet6的流动性能比原风机更好,其噪声情况也有所优化。

  为了对比分析叶轮内的速度分布,在两台风机相同的叶轮出口位置选取了一条沿轴向从前盖到后盘的直线,它们的径向速度分布见图4。
  从图4中看出原机型在叶轮进出口靠近蜗舌处的径向速度出现了负值,这说明在蜗舌处有从蜗壳到叶轮的回流,而风机inlet6在叶轮出口的径向速度并没有负值出现,其流动状况比原机型有明显的优化。
  由于风机inlet6的降噪原理是通过优化风机的性能,提高其静压升,以较小转速,降低其噪声,对风机inlet6进行了变转速数值模拟,见表1。

  当风机inlet6的转速减小到2 825r/min时,静压升和原机型相差不大,因此转速可以由原来的3 000r/min减少约175r/min,其噪声可大大降低。
2.2 蜗舌改进数值模拟
  共设计了21台斜蜗舌风机,其叶片采用了风机shuang49的双圆弧叶片型线,但其集流器型式和原风机相同。经过对模拟结果的对比分析,选出了最优机型,命名为风机in-xie10,该风机轮盖处蜗舌半径r1为9.8mm,轮盘处蜗舌半径r2为15.7mm,轮盖处蜗舌最小间隙为10.25mm,蜗舌倾角为6°,其静压升提高值比原风机静压升提高了51.2Pa。
  分别在风机in-xie10和原风机内选取了垂直于旋转轴的2个回转面y=0.02m,y=0.04m,并给出了蜗舌附近的静压梯度图,见图5和图6。风机in-xie10在相应截面蜗舌附近压力梯度比原风机要小;因此可以得出风机in-xie10气流对蜗舌表面的非定常力比较弱,其产生的噪声也较小。

  同样对风机in-xie10进行了变转速数值模拟,见表2。

  可以看出,风机in-xie10不但采用斜蜗舌可以降低噪声,其叶片性能提高后,其转速也可以由3 000r/min降低125r/min左右;因此其噪声可以进一步降低。
3 结论
  本文提出了多翼风机叶片型线、进口集流器和蜗舌的改进方法, 对改进后机型进行了CFD数值模拟,并对模拟结果进行了对比分析,最后得到了两个优化的风机机型。
  1) 以20组单圆弧叶片风机的模拟结果为样本,通过响应面方法进行优化,得到了最优机型的进口安装角β1A为63.1°,出口安装角β2A为170°,该机型性能比样本模型和原机型均有提高,证明响应面优化的方法可以用来进行风机叶片型线的优化。
  2) 模拟计算了叶片圆弧半径R1为6.7mm, R2为13.4mm的双圆弧叶片风机,结果表明其性能比原风机得到了大幅的提升,因此可以说明具有较大圆弧半径的双圆弧叶型多翼离心风机可以产生良好的空气动力特性与低噪声特性。
  3) 椭圆型进口集流器作为偏心安装的一种特殊形式,在合适的参数下,能够显著地优化风机靠近轮盖处叶轮进口的流动性能和噪声性能。本文中,最优的椭圆型集流器的偏心比ε1和ε2均为0.067,偏心角为0°,该风机叶轮进口处的涡旋面积比原风机明显减小。
  4) 多翼离心风机采用倾斜蜗舌代替传统直蜗舌,可以使作用在蜗舌上的非定常压力脉动产生一定的相位差,其相互叠加后压力脉动情况减弱,使噪声降低。

                 参 考 文 献

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