肖 彪，李 彬，董術(shù)海，范建波，王曉妮，赫家寬

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，廣東珠海 519000）

1 前言

隨著生活水平的提高以及小戶型居室的普及，用戶對吸油煙機的振動和噪聲水平有了更苛刻的要求［1］。多翼離心風輪因壓力系數(shù)高，風量大等特點成為了吸油煙機首選風機部件［2］。眾多學者對標準多翼離心風機做了充分的研究，分析了葉片進出口安裝角、葉輪直徑比、葉片型線、葉片數(shù)、蝸殼型線、蝸舌間距等參數(shù)對其內(nèi)流場動力學特性及聲學特性的影響［3～5］。同時也研究了傾斜蝸舌等局部優(yōu)化設(shè)計對改善離心風輪離散噪聲的影響［6～8］。而出風不均對心理聲學舒適性的影響研究未見諸報道。

本文在標準離心風輪上對蝸殼進行參數(shù)設(shè)計，風輪參數(shù)：半徑R=125 mm，葉片數(shù)Z=60，寬度h=125 mm，葉片進口安裝角β1=41°，葉片出口安裝角β2=139°。通過理論計算、仿真分析及試驗測試，提出通過傾斜蝸殼來減弱蝸殼出風不均噪聲的優(yōu)化設(shè)計方法。

2 離心蝸殼設(shè)計

理想狀態(tài)下，離心風輪外圓周流體質(zhì)點的運動軌跡，即為蝸殼的型線。一般蝸殼型線有2種設(shè)計方法：對數(shù)螺旋線法和阿基米德螺旋線法［9］。對數(shù)螺旋線法流體質(zhì)點運動軌跡方程為：

式中 Rφ——蝸殼內(nèi)壁半徑，mm

R——風輪半徑，mm

Q——空氣額定流量，m3/h

B——蝸殼厚度，mm

c2μ——氣流離開葉輪后的周向速度，m/s

φ——蝸殼任一截面與蝸殼起始面的夾角，°

阿基米德螺旋線法流體質(zhì)點運動軌跡方程為：

在工程中常采用基元圓弧蝸殼型線法近似替換阿基米德蝸殼型線方法來繪制蝸殼?；獔A弧蝸殼型線法包含等邊基元法和不等邊基元法。在低比轉(zhuǎn)速下2種方法氣流軌跡相近，本文采用等邊基元法繪制蝸殼型線。在額定流量下，蝸殼的出口截面張開度A的計算式為：

一般蝸殼厚度B=162.5 mm，取蝸殼厚度B=160 mm。綜合設(shè)計參數(shù)取蝸殼截面張開度A=80 mm。以風輪為中心做邊長a=A/4正方形基元，以正方形 4 個定點為圓心 R1，R2，R3，R4為半徑做圓，4段圓弧平滑連接成的螺旋線即蝸殼型線。其中R1=190 mm，R2=170 mm，R3=150 mm，R4=130 mm。

對于前向葉輪，蝸舌間隙t與風輪外徑關(guān)系為：t=2（0.07～0.15）R，考慮到氣動噪聲與蝸舌間距成反比，取t=15 mm。

蝸殼頂端的圓弧角r與風輪外徑關(guān)系為r=2（0.03～0.06）R，取r=9mm。繪制蝸殼內(nèi)壁型線如圖1所示。

圖1 等邊基元離心蝸殼型線

將理論計算得到的蝸殼模型制成樣機，并匹配電機進行噪聲測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)出風口存在出風不均的“呼啦”聲，在噪聲頻譜上表現(xiàn)為中低頻的寬頻噪聲，音質(zhì)差。

3 數(shù)值分析

3.1 數(shù)值分析參數(shù)設(shè)置

將離心風機模型加上進風和出風延長段，對流場進行仿真計算。風輪及所包絡(luò)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用多重參考系，設(shè)定轉(zhuǎn)速750 r/min。風輪旋轉(zhuǎn)域與蝸殼、進出風流道靜止域之間采用interface交界面，進口邊界條件采用壓力入口，出口邊界采用壓力出口。

選用K-ε realizable計算模型；壓力速度采用SIMPLE耦合；壓力方程采用PRESTO離散，其他方程采用2 階迎風格式離散；對模型進行瞬態(tài)計算，每計算一步旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)動1態(tài)，迭代時長為0.0002s，總共計算旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)動10圈，迭代步數(shù)為3750步。

3.2 仿真結(jié)果分析

圖2為采用原蝸殼離心風機靠近電機底測速度流線，由圖可知氣流在葉片作用下改變了出流方向，在靠近蝸舌處，氣流以接近45°的入射角沖擊到蝸殼出口擴壓段，再反射到流道中，與風輪頂部出流的氣流交匯。蝸舌處氣流未經(jīng)過蝸殼流道內(nèi)的加速過程，且在壁面反射過程中損失了部分動能，出流速度遠小于蝸殼頂部經(jīng)過完成加速的氣流，兩股氣流組織交匯，高速氣流阻斷了低速氣流的正常出流，使得低速氣流組織在蝸舌處形成回流，產(chǎn)生漩渦。這是造成出風口出風不均的主要原因。

圖2 蝸舌局部流線

3.3 優(yōu)化方案仿真驗證

為達到預(yù)設(shè)風量，保證消煙除塵的效果，已選取了GB/T 17713-2011推薦的吸油煙機排風管最大外徑180 mm，對應(yīng)取離心蝸殼出風口尺寸為160 mm×160 mm［10～12］。同時為保證出風口的靜壓要求和考慮整機安裝尺寸合理，出風口擴壓角和出口長度不宜太大。基于以上限制，擬考慮通過微調(diào)蝸殼形狀來消弱出風不均噪聲。文獻［7］研究了斜蝸舌對風輪旋轉(zhuǎn)基頻及高次諧波的離散噪聲降噪效果，但對中低頻的寬頻噪聲消音效果不明顯。

風輪距離蝸殼底部為10 mm，離進風口距離為25 mm。隨著風輪高速旋轉(zhuǎn)，在慣性力的作用下，蝸殼底部靠近旋轉(zhuǎn)中心形成低壓漩渦區(qū)；在風輪的作用下，風輪的外圓周壓力脈動劇烈，在風輪外緣形成高壓區(qū)，導(dǎo)致靠近底殼的整個截面沿葉輪徑向形成大的壓力梯度，湍流強度較大。

通過以上分析，擬采用傾斜蝸殼來減弱蝸殼底部的壓力梯度和湍流強度。不同傾斜角下蝸殼最小蝸舌間隙如表1所示。蝸舌間隙減小能提高風機效率但會導(dǎo)致氣動噪聲增大，綜合考慮采用傾斜2°的方案。將蝸殼設(shè)計成了向上傾斜2°和向下傾斜2°兩種方案，如圖3所示。

表1 傾斜蝸殼尺寸參數(shù)

圖3 離心蝸殼優(yōu)化方案

圖4，5為原蝸殼與2種優(yōu)化方案蝸殼底部的 速度云圖和壓力云圖。

圖4 蝸殼底部速度云圖對比

圖5 蝸殼底部壓力云圖對比

從圖4可見，離心風機內(nèi)流場靠近蝸舌處有明顯的回流，原蝸殼出風口高速、低速氣流混合，引起出風口出風不均?？梢酝ㄟ^調(diào)整蝸殼出風口型線尺寸來優(yōu)化，但考慮到風量和風壓的損耗，故舍棄此方法。采用上斜2°的蝸殼回流區(qū)增大，高低速氣流分層明顯，且低速氣流占主導(dǎo)作用，各方面性能差。采用下斜2°的蝸殼回流區(qū)明顯減小，且流速分布較均勻，效果良好。

從圖5可見，采用下斜2°的蝸殼，蝸舌處的負壓區(qū)域明顯減小。下斜2°的蝸殼底部型線往外擴展了約3mm，增大了蝸殼底部橫截面積，靠近底部氣流流速放緩，流域增大，出風口橫截面上速度分布更加均勻。底部橫截面最大壓力與最小壓力壓差減小，壓力分布更加均勻，出風不均現(xiàn)象明顯減弱。

圖6為原蝸殼與2種優(yōu)化方案蝸殼底部的寬頻聲場云圖，由圖可知離心風機的主要噪聲源集中在蝸舌附近。采用下斜2°的蝸殼寬頻聲場分布最優(yōu)，其次是原蝸殼，采用上斜2°的蝸殼效果最差。

圖6 蝸殼底部寬頻聲場云圖對比

通過仿真分析可知，采用下斜2°的蝸殼靠近蝸殼底部出風口壓力梯度減小，出風口流速更加均勻，對減弱離心風機出風不均現(xiàn)象有良好效果。

4 試驗驗證

采用下斜2°的新蝸殼制作樣機，并匹配與原蝸殼相同的風輪和電機，根據(jù)GB/T17713-2011《吸油煙機》規(guī)定的空氣性能試驗方法選擇10個測試工況點，對2種不同蝸殼的風機系統(tǒng)性能進行對比測試［9］。表2為自由狀態(tài)下仿真結(jié)果與測試結(jié)果的對比。結(jié)果顯示出口流量和進口速度仿真結(jié)果和實測結(jié)果很接近；出口速度和出口總壓實測值和仿真值偏離較大。仿真考慮的是理想狀態(tài)，而實際測試中會存在壓損。

圖7 新舊蝸殼性能測試數(shù)據(jù)對比

表2 不同蝸殼參數(shù)對比（轉(zhuǎn)速750 r/min）

圖7為新舊蝸殼在不同工況點下的流量和全壓測試曲線。實測結(jié)果表明新蝸殼出口流量和出口全壓與原蝸殼基本持平，新蝸殼出口流量略高于舊蝸殼，出口全壓略低于原蝸殼。

在半消音室，對原蝸殼和新蝸殼進行單體噪聲對比測試，在距離進風口和出風口中心1m處分別布置傳聲器，測試記錄1檔（吸油煙機關(guān)機后以1檔繼續(xù)工作一段時間抽完剩下油煙）、6檔（吸油煙機正常工作狀態(tài)）、8檔（吸油煙機強勁運行檔位）3個模式下的噪聲值。采集各檔位下吸油煙機穩(wěn)定運行1min的時域平均噪聲值。結(jié)果顯示進風口和出風口噪聲水平相當；新蝸殼噪聲水平優(yōu)于舊蝸殼，平均聲壓級降低了1.2dB（A），如圖8所示。新蝸殼正常工作狀態(tài)下，人耳聽上去出風不均“呼啦”聲得到明顯減弱，聲品質(zhì)改善了很多。

圖8 新舊蝸殼噪聲測試數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

（1）吸油煙機用離心風機采用下斜2°蝸殼相對直蝸殼進出風口聲壓級平均降低了1.2dB（A），并且能夠有效減弱出風口出風不均聲音，提高聲品質(zhì)。新蝸殼出口流量和出口全壓與原蝸殼基本持平，新蝸殼出口流量略高于舊蝸殼，出口全壓略低于原蝸殼。

（2）吸油煙機離心風機出風不均噪聲的原因是：經(jīng)蝸殼加速后從風輪頂端出流的高速氣流與未經(jīng)過蝸殼加速從蝸舌處出流的低速氣流在蝸舌處交匯，高低速氣流混合，導(dǎo)致出風口截面流速紊亂。

（3）采用向下傾斜蝸殼增大了蝸殼底部橫截面積，從而降低了蝸殼底部氣流流速，使得出風口截面上速度梯度減小，流速均勻，出風不均得到改善。

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