Abstract
摘要：為獲得流動性能和噪聲性能的優(yōu)化，對多翼離心風機葉片、進口集流器和蝸舌進行了改進，并采用CFD數(shù)值模擬軟件FLUENT對這些機型進行了模擬計算，通過對其流場進行對比分析得到了兩臺流動和噪聲性能均比原風機顯著提高的機型。
關鍵詞：多翼離心風機；降噪；葉片型式；集流器型式；斜蝸舌；CFD數(shù)值模擬
中圖分類號：TH432 文獻標識碼：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
　　多翼離心風機由于具有較大的壓力系數(shù)和流量系數(shù)以及較緊湊的結(jié)構(gòu)被應用于汽車空調(diào)系統(tǒng)中。汽車空調(diào)在運行時特別是全功率運行時，如果噪聲較大，會影響車內(nèi)的舒適性，從而降低汽車品牌的競爭力。因此本文的主要任務是對汽車空調(diào)用多翼離心風機進行改進，以求流動性能和噪聲性能都得到優(yōu)化。
1 多翼離心風機改進設計
　　本文擬通過兩種途徑來優(yōu)化風機流動性能，降低其噪聲：一是通過改變多翼離心風機的形狀，如改進風機蝸舌；二是通過改變多翼離心風機的結(jié)構(gòu)來提高它的壓升，從而降低風機的轉(zhuǎn)速，如改進風機的葉片和進口集流器。
1.1 葉片改進
1.1.1 單圓弧葉片及響應面優(yōu)化
　　單圓弧葉片因設計容易，制造簡單，常被多翼離心風機采用^[1] ，如果葉片進出口角選取合適的話，單圓弧葉片風機可以取得較好的性能。
　　在葉片的進口安裝角β_1A和出口角安裝角β_2A以及葉輪內(nèi)徑D₁、葉輪外徑D₂確定之后，圓弧葉片的曲率半徑R可按下式計算：

　　　　

　　上式中k為設計變量的個數(shù)，當設計變量為兩個時，式（4）簡化為式（5）：

　　　y=β₀＋β_１x₁+β₂x₂+β₃x₁²+β₄x₂²+β₅x₁x₂ 　�。ǎ担�

　　對上式做以下變換：x₃=x₁²,x₄=x₂²,x₅=x₁x₂,則式（５）可變?yōu)椋?/p>

　　y=β₀＋β_１x₁+β₂x₂+β₃x₃+β₄x₄+β₅x₅        (6)

　　若試驗的總次數(shù)為n,則式（６）可以表示為如下矩陣型式：

　　多翼離心風機采用斜蝸舌降噪的主要機理是：葉輪出口尾跡和蝸舌相互作用產(chǎn)生的非定常壓力脈動，由于斜蝸舌的傾斜結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的相位差，具有相位差非定常力相互疊加，其產(chǎn)生的噪聲結(jié)果必定小于采用直蝸舌沒有相位差的噪聲疊加結(jié)果。
2 數(shù)值模擬及流場分析
　　在GAMBIT中對多翼離心風機建立模型并進行網(wǎng)格劃分，為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量，將整個風機的計算域分為了進口集流器、輪轂、葉輪流道區(qū)域以及蝸殼四個部分，每一個部分的網(wǎng)格都單獨劃分。對于像蝸舌處流動比較復雜的區(qū)域，可以進行網(wǎng)格加密。本文中多翼離心風機整體網(wǎng)格數(shù)約為300萬，且風機模擬結(jié)果的網(wǎng)格無關性已經(jīng)得到證明。
　　通過多次模擬對比，最終找出了最合適的計算模型:湍流模型選擇標準k-ε模型，壓力-速度耦合算法選擇SIMPLE算法，動量方程、湍流動能和湍流耗散均采用二階迎風格式離散，進口條件為速度進口條件，出口條件為壓力出口條件，葉輪區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標系，計算殘差定為10^-6。
2.1 葉片和集流器改進數(shù)值模擬
　　首先模擬了20組單圓弧葉片風機，它們的進口安裝角β_1A依次為55°、60°、65°、70°和75°，對應每個進口安裝角β_1A，出口安裝角β_2A分別為155°、160°、165°和170°。
　　在單圓弧葉片風機數(shù)值模擬結(jié)果的基礎上，選取靜壓升為設計目標，葉片進口安裝角β_1A和葉片進口安裝角β_2A為設計因素，采用響應面優(yōu)化方法對單圓弧葉片風機進行了優(yōu)化，得到了最優(yōu)機型的進口安裝角β_1A為63.1°，出口安裝角為170°，命名為風機xym，其靜壓升比原風機的靜壓升提高了73.1Pa。
　　然后模擬計算了40組雙圓弧葉片風機，它們的進出口安裝角范圍和單圓弧葉片風機相同，對比分析模擬結(jié)果后，選定了最優(yōu)的雙圓弧葉片風機進口安裝角β_1A為55°，出口安裝角β_2A為170°，葉片的兩個圓弧半徑比δ(δ=R_k2/R_k1)為2，圓心角α₁為80°，將該風機命名為shuang49，其靜壓升比原風機的靜壓升提高了74Pa。
　　由于改進風機的葉片型線是期望提高風機的靜壓升來減小其轉(zhuǎn)速，以降低噪聲，因此風機的靜壓升提高值是在所有葉片型式中篩選最優(yōu)葉片的標準；因此可見風機shuang49采用的雙圓弧葉片型式是最優(yōu)葉片型式。
　　在風機shuang49的雙圓弧葉片基礎上，本文又對風機的進口集流器進行了改進， 模擬計算12臺采用偏心安裝集流器的風機和12臺采用橢圓型集流器的風機。在對模擬結(jié)果進行了對比分析后，這24組風機中的最優(yōu)機型為采用偏心比ε₁和ε₂均為0.067，偏心角θ為0°的橢圓型集流器風機，命名為inlet6，其靜壓升提高值比原風機靜壓升提高了115.4Pa。
　　分別在風機inlet6和原風機中截取了x=0的截面，圖3為這兩個截面處的流線圖�？梢钥闯�，風機inlet6在葉輪進口的渦旋面積比原風機有所減小，風機inlet6的有效流通面積約為葉輪進口面積的2/3，而原風機的有效通流面積僅為葉輪進口面積的1/4左右，所以風機inlet6的流動性能比原風機更好，其噪聲情況也有所優(yōu)化。

　　當風機inlet6的轉(zhuǎn)速減小到2 825r/min時，靜壓升和原機型相差不大，因此轉(zhuǎn)速可以由原來的3 000r/min減少約175r/min，其噪聲可大大降低。
2.2 蝸舌改進數(shù)值模擬
　　共設計了21臺斜蝸舌風機，其葉片采用了風機shuang49的雙圓弧葉片型線，但其集流器型式和原風機相同。經(jīng)過對模擬結(jié)果的對比分析，選出了最優(yōu)機型，命名為風機in-xie10，該風機輪蓋處蝸舌半徑r₁為9.8mm，輪盤處蝸舌半徑r₂為15.7mm，輪蓋處蝸舌最小間隙為10.25mm，蝸舌傾角為6°，其靜壓升提高值比原風機靜壓升提高了51.2Pa。
　　分別在風機in-xie10和原風機內(nèi)選取了垂直于旋轉(zhuǎn)軸的2個回轉(zhuǎn)面y=0.02m，y=0.04m，并給出了蝸舌附近的靜壓梯度圖，見圖5和圖6。風機in-xie10在相應截面蝸舌附近壓力梯度比原風機要�。灰虼丝梢缘贸鲲L機in-xie10氣流對蝸舌表面的非定常力比較弱，其產(chǎn)生的噪聲也較小。
 

　　可以看出，風機in-xie10不但采用斜蝸舌可以降低噪聲，其葉片性能提高后,PVC水簾廠家，其轉(zhuǎn)速也可以由3 000r/min降低125r/min左右；因此其噪聲可以進一步降低。
3 結(jié)論
　　本文提出了多翼風機葉片型線、進口集流器和蝸舌的改進方法， 對改進后機型進行了CFD數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進行了對比分析，最后得到了兩個優(yōu)化的風機機型。
　　1） 以20組單圓弧葉片風機的模擬結(jié)果為樣本，通過響應面方法進行優(yōu)化，得到了最優(yōu)機型的進口安裝角β_1A為63.1°，出口安裝角β_2A為170°，該機型性能比樣本模型和原機型均有提高，證明響應面優(yōu)化的方法可以用來進行風機葉片型線的優(yōu)化。
　　2） 模擬計算了葉片圓弧半徑R₁為6.7mm， R₂為13.4mm的雙圓弧葉片風機，結(jié)果表明其性能比原風機得到了大幅的提升，因此可以說明具有較大圓弧半徑的雙圓弧葉型多翼離心風機可以產(chǎn)生良好的空氣動力特性與低噪聲特性。
　　3） 橢圓型進口集流器作為偏心安裝的一種特殊形式，在合適的參數(shù)下，能夠顯著地優(yōu)化風機靠近輪蓋處葉輪進口的流動性能和噪聲性能。本文中，最優(yōu)的橢圓型集流器的偏心比ε₁和ε₂均為0.067，偏心角為0°，該風機葉輪進口處的渦旋面積比原風機明顯減小。
　　4） 多翼離心風機采用傾斜蝸舌代替?zhèn)鹘y(tǒng)直蝸舌，可以使作用在蝸舌上的非定常壓力脈動產(chǎn)生一定的相位差，其相互疊加后壓力脈動情況減弱，使噪聲降低。

　　　　　　　　　　　　　　　　　參 考 文 獻

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