空調風扇設計計算

1、貫流、軸流、離心風機的設計計算方法中國科學技術大學海信技術講座軸流式風機設計方法貫流式風機的數值計算方法空調室內機用離心風機的數值計算方法軸流式風機的氣動設計軸流式風機的結構原理軸流式風機的設計方法軸流式風機的基本結構圖軸流式風機的設計計算 一、 空調用軸流式風機由于壓力不高，可以用孤立葉型的氣動數據，而不必采用葉柵數據進行設計。 二、空調使用的軸流式風機，一般采用圓弧板葉型，而原始圓弧板葉型數據可以通過實驗得到，或者采用前人已經得到的實驗數據。三、由于葉型在氣流來流攻角較大的情況下，存在一個升力的最大值，當然會希望使用該值作為設計的攻角，但是該攻角之后是一個失速區(qū)域，所以一般采用最大升力值的

2、（0.80.9)Cymax作為設計選擇值Cy*四、由于壓力比較低，只需要選取單級結構。 軸流風機的設計方法 風機設計中，存在所謂的正命題和反命題問題，也就是給定所要求的風機壓力和風機流量，及其葉輪轉速，設計風機具體的結構尺寸，這種設計方法稱為反命題。而結構參數已知的情況下，對風機性能的計算稱為正命題。這兩種方法適用于不同的場合，比如設計一臺全新的風機，一般需要采用反命題方法，而在對已知風機結構的改造過程，可以采用正命題方法，即對結構做微小的改動，通過正命題對風機性能進行計算校核，以達到所要求的性能要求。正命題相對簡單，由于轉速n確定，幾何結構已知，可以通過計算圓周速度u，及其已知的安裝角度，畫

3、出速度三角型，進而確定風機內部流動的各種速度，由風機的歐拉方程，即可以確定出風壓值。但上述方法主要是使用一元理論，計算結果的精度不高，在這種情況下，采用數值計算的方法更加有效一些，關于數值計算的方法，在后面的內容中予以介紹。 在已知風量、壓力和葉輪轉速的情況下，怎樣設計該風機的結構參數。目前常用的方法仍然是一元理論結合大量的經驗公式和經驗曲線來進行設計，最好在一元設計完成以后，通過實驗或者數值計算的方法進行校核。 設計應該遵循的基本原則安全性經濟性性能必須得到保證一元設計方法（1） 電機功率N的選?。?） 計算比轉數ns（3） 確定葉輪外徑及輪轂比（4） 計算圓周速度ut及壓力系數 （5） 求

4、軸向速度Cz（6） 將葉片分段，計算各截面的（7） 計算平均相對速度Wm及氣流角（8） 選擇葉片數目Z（9） 計算各截面的升力系數Cy及對應的攻角（10） 求葉片的寬度b（11） 計算葉片安裝角度（12） 葉片型線的繪制設計時必須知道的基本條件風機的風量Q風機的壓力P安裝場合尺寸限制安裝地點的環(huán)境條件對已知風量和壓力條件適當增加一定的安全系數貫流式風機的數值計算可以采用自己編制程序的方法，對二維流場進行計算。采用商業(yè)軟件對流場進行二維或者三維計算，目前商業(yè)軟件很多，國內最流行的是采用問題的研究背景貫流風機:Mortier,1892流場研究方面:理論分析,數值模擬,實驗研究聲場研究方面:基于實驗

5、-不等距,斜齒,級間錯旋轉機械的模擬手段第一部分貫流風機流場的二維數值模擬模型的建立 按貫流風機的結構特點,建立以轉子、流道及邊界為類型的動、靜和邊界的三層網格,采用非結構化網格,共計生成48261個網格單元,其中動區(qū)網格單元為16392,并在葉片附近采用附面層網格.求解方法和技巧 利用Fluent6.1計算流體動力學軟件,進行2D-SIMPLEC方法求解,采用k-e RNG湍流模型.計算時,進出口給定遠場壓力,采用二階非穩(wěn)態(tài)分離計算,轉數1200rpm,取時間步3e-5s.空氣密度:1.225m/s,湍流密度:5%;求解收斂條件:連續(xù)性:0.001,X,Y,Z方向速度:0.001,K=0.0

6、01.1.為了減少計算量,在啟動的時候采用Spalart-Allmaras模型,考慮到這里動靜葉片的相互作用不很強烈是可以的.當流場形成并動態(tài)穩(wěn)定時,轉為k-e RNG模型計算.2.在開始計算,流場形成過程中可采用MRF(Moving Reference Frame)模型,只是采用它進行初始流場的快速形成并以此作為初始流場,改用滑移網格(Moving Mesh)模型繼續(xù)求解.3.對于高轉速運動,求解過程中收斂會遇到很大的麻煩. 采用的技巧是: (1). 采用PRESTO!離散格式,這樣對于旋轉流動的高壓力梯度能很好的適合;(2). 保證網格的優(yōu)化,解決大梯度和旋速帶來的問題.(可以通過計算后根

7、據壓力或旋度梯度來局部加密網格);(3).降低速度項松弛因子(0.3-0.5);(4). 先用低轉速,然后逐步增加到要求.4.考慮到計算的case量較大, 采用了插值的辦法給流場賦初值以減少計算時間. 流場的啟動（可以看氣動過程的流動顯示動畫）1.內流場的數值模擬絕對壓力云圖靜壓力等值線圖動壓力等值線圖速度等值線圖速度云圖速度矢量圖渦舌附近放大速度矢量圖2.蒸發(fā)器對流場的影響(1) 2.蒸發(fā)器對流場的影響(2) 渦的變化2.蒸發(fā)器對流場的影響(3)蒸發(fā)器對葉輪內側速度的影響 3.渦舌幾何形狀的影響(1)渦舌端部間隙a.標準b.減小2mmc.減小4mm流量(kg/s): 0.06797 0.07

8、09 0.046353.渦舌幾何形狀的影響(2)渦舌本身形狀 3.渦舌幾何形狀的影響(3)渦舌安置角度安置角度(0)20304060流量極值(kg/s)0.064480.066290.068730.06558壓力系數Cp 極值1.18290.75370.73230.3450渦心壓力(Pa)-2.505-3.049-2.706-2.7164.葉片傾角的影響傾角(0)1924262934渦心位置(0)232.8239.7241.2243.7246.3渦心壓力值(Pa)-2.52-2.80-2.58-2.41-2.10壓力系數峰值0.8260.7140.9810.7260.594流量(kg/s)0.

9、05810.06600.06800.06750.06315.葉輪延伸段,殼體幾何的影響(1) 葉輪延伸弧段5.葉輪延伸段,殼體幾何的影響(2)殼體幾何渦殼幾何參數(0)110120130150出口流量(kg/s)0.06380.06630.07070.0679出口平均速度(m/s)0.7540.7350.6910.591本章小結1.影響風機性能的主要參數為渦舌端部間隙 、渦舌安置角 、葉片傾角 、殼體幾何 等.2.蒸發(fā)器會影響貫流風機內部偏心渦流區(qū)域大小和分布;蒸發(fā)器可以有效地降低噪聲,但是使流量降低.四折式蒸發(fā)器較明顯的改善聲質量.3.葉輪過渡弧段的尺寸和風機出口渦殼高度相比于1而言影響次要

10、.4.蝸殼和蝸舌的形狀對風機性能原則上沒有影響,其對性能的影響是通過改變進氣角與出氣角的大小而造成的.5.渦舌端部間隙較大時風機壓頭降低,流量減少;舌部間隙適當減小時,壓力升高,流量變大,但噪聲也相應增加;當繼續(xù)減小時,又會使流量降低,同時使聲質量繼續(xù)惡化. 第二部分貫流風機聲場的數值模擬貫流風機的噪聲機理1.旋轉噪聲:（1）當葉輪在自由空間旋轉時,葉片作為一種翼形體掃過鄰近位置上的空氣,葉片承受空氣的升力和阻力,由于力的相互性,氣體介質受到葉片作用,產生周期性壓力場而發(fā)生；（2）葉片尾流的作用產生另一種旋轉噪聲：當氣流流過葉片時,在葉片尾源處,吸力邊與壓力變的附面層匯合形成尾跡區(qū).在尾跡區(qū)內

11、,氣流的壓力與速度都大大低于主氣流區(qū).當工作輪旋轉時,葉片出口區(qū)內氣流具有很大的不均勻性.這種不均勻性的勢流場周期性的作用于周圍障礙物,就像撫動琴弦一樣是物體產生噪聲. 貫流風機的噪聲機理 2.渦流噪聲:(1) 沿不同流線的氣流,預旋系數各不相同,因而對葉片而言,攻角的變化范圍很大,在葉輪內被強制折轉時也是如此,由此引起葉片前緣處的干擾噪聲.(2) 葉輪來流入口不均勻.例如葉輪入口處有障礙物、急轉彎等.(3) 物體湍流邊界層內的隨機脈動壓力.它在整個貫流風機噪聲中所占比例較小.(4) 物體表面上的氣流形成紊流附面層后,附面層中氣流紊亂的壓力脈動作用物體（渦殼內表面及局部表面）,產生了噪聲.紊流

12、附面層發(fā)展愈發(fā)嚴重,則所產生的噪聲也愈強烈.因此可以認為紊流附面層是產生渦流生的主要來源之一.(5) 動葉湍流邊界層的旋渦自葉片后緣脫落時引起的壓力脈動.不論邊界層是否分離,這種脈動都存在,其典型例子為卡門渦街,此種噪聲呈明顯的寬頻帶特性,葉間處頻率高,葉根處頻率低.(6) 來流的紊流度引起葉片作用力的脈動造成噪聲.(7) 二次渦流產生的噪聲.(8) 間隙噪聲.(9) 空調器工況發(fā)生變化（如由強冷變到弱冷），或由于環(huán)境條件變化，使蒸發(fā)器結霜程度發(fā)生改變，氣流通過蒸發(fā)器的阻力也改變，由此產生因貫流風機來流變化造成的干擾噪聲。診斷性分析(648.765,3.725e6)改變轉數的的影響1.風機結構

13、參數對噪聲的影響渦舌端部間隙和形狀(120rpm)渦舌移動+(mm)計算基頻(Hz)能級峰值聲壓級出口峰值流量(kg/s)尖角圓角尖角(10-5)圓角(10-5)尖角圓角尖角(10-2)圓角(10-2)070.770.3662466.764.66.786.94270.369.7228.164.963.57.267.40469.569.39.86.063.563.37.227.29葉輪尺寸:流量滿足情況下,增大尺寸來降低轉速.1.風機結構參數對噪聲的影響蒸發(fā)器結構轉速(rpm)基頻(Hz)聲壓級(dB)流量(kg/s)無蒸發(fā)器1300(758Hz)758.4099.650.9761傳統(tǒng)式蒸發(fā)器7

14、43.3995.380.6723四折式蒸發(fā)器787.9891.770.6570其它因素(120rpm)葉片傾角的影響渦舌安裝角殼體幾何形狀傾角(0)能級峰值安裝角(0)能級峰值幾何形狀角(0)能級峰值191.32e-4249e-5204.17e-41102.66e-4266.4e-5302.66e-41202.66e-4296.5e-5403.33e-41301.15e-4343.7e-5606.11e-41501.24e-42.不等距葉片降噪分不等距葉片降噪機理等距葉片: f1=(n/60)z另一表達式: f1=(n/60)(2/)z=36,n=1500r/m在等距情況下,=100,f1=9

15、00Hz；不等距設計,變化范圍為80120,這時雖然葉片數仍為36,但相鄰葉片之間的角卻各不相同.變成一種分布頻率,的變化范圍為750125Hz.等距葉輪在f1處的峰值被不等距葉輪削弱為數值較小的分布值,并使不等距葉輪的總噪聲即明顯下降. 2.不等距葉片降噪分析 等距葉片能譜圖不等距葉片能譜圖本章小結1.通過數值計算發(fā)現,旋轉噪聲在貫流風機中的確占主要部分,探討降低它是合理的;2.影響貫流風機噪聲的主要因素有:葉輪尺寸,風機轉數,渦舌端部間隙,渦舌本身形狀,蒸發(fā)器;3.影響貫流風機的次要因素是:葉片傾角,渦舌安裝角等;4.通過計算發(fā)現,不等距葉片因為將基頻處的能量打散，能夠大大的降低風機噪聲.

16、第三部分貫流風機的三維模擬初步和展望模型的建立網格劃分流場的模擬(斜齒不等距)離心風機的數值計算方法 采用商業(yè)Fluent軟件，對空調室內機的離心式風機進行數值計算緒論問題背景 應用廣泛； 資源環(huán)境影響大； 行業(yè)研究方法陳舊； CFD發(fā)展提供條件；目前的研究狀況 試驗為主：西交&華中科技&風機制造企業(yè); 數值模擬：李新宏等STAR-CD全三維定常； 張莉CFX旋轉機械葉輪非定常； 李維斌等Fluent蝸殼定常； 本文的主要工作 Fluent全三維非定常數值模擬，分析內部流場，通過壓力脈動獲取噪聲，探討結構參數對風機旋轉噪聲的影響； 離心通風機結構工作原理軸向進氣，經旋轉葉片徑向甩出，沿蝸殼流出

17、；靜壓適中，流量較大；離心通風機的數值模擬基于FLUENT平臺： 建立模型； 網格生成； 求解運算； 結果處理和分析；建立模型：物理模型 蝸殼寬度160mm； 葉輪內,外徑150mm&120mm； 葉片數為34，等距分布； 轉速500rpm； 簡化后模型：網格生成：數學模型：控制方程： 質量方程,動量方程： 重整化K-E湍流模型(RNG K-E);計算方法： 求解: segregated,implicit,3D; 時間項: unsteady; 單位長:1e-3(5e-4)s 湍流模型:RNG k-e; 模型: Moving Mseh 壓力項: PRESTO! ; p-v 耦合: SIMPLEC

18、; 其他項: First Order Upwind; CPU: P3 866 X2; 內存：512M SDRAM; 硬盤：40G; 系統(tǒng)：Windows XP; 機時：一般48小時以上收斂；獲取壓力脈動需更 長機時；計算環(huán)境風機工作模擬葉輪從啟動到穩(wěn)定工作過程；流量發(fā)展穩(wěn)定后流量為165Kg，約485m3/h流場圖（截面）非對稱結構影響流場分布；下游部件對上游流動產生顯著影響；蝸殼部分葉輪部分進氣道和過渡段進氣道和過渡段（截面）噪聲分類機械振動；空氣動力；兩者相互作用；空氣動力噪聲旋轉噪聲： （Hz）渦流噪聲： （Hz）壓力脈動：3D蝸舌附近點（-49.76602，157.8105,10）2D蝸舌附近點 （-38.41066, 155.7317）脈動曲線和頻譜圖兩者比較：轉速（rpm）200500800基頻（Hz）113.0283.7 454.0 壓力幅值（P）1