孟永哲 許子倩 劉小民

（1.青島海爾智慧廚房有限公司；2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

0 引言

多翼離心風(fēng)機因具有風(fēng)量大、噪聲低等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于空調(diào)、抽油煙機及換氣裝置等家電產(chǎn)品中。隨著使用環(huán)境的變化，對多翼離心風(fēng)機提出了增大風(fēng)量的要求，衍生出了不同的針對多翼離心風(fēng)機提升風(fēng)量的設(shè)計方法。其中，以一臺性能良好的多翼離心風(fēng)機為原型，基于相似模化設(shè)計理論，對原型風(fēng)機進行幾何放大是工程上較為常用的增大風(fēng)量的設(shè)計方法[1-2]。

關(guān)于風(fēng)機?；O(shè)計已開展了較多的研究和實際應(yīng)用。劉晨等研究了離心式壓氣機原始機型和?；瘷C型的流場結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)?；O(shè)計機型與原始機型流場分布相似[3]。Li等以某離心通風(fēng)機為研究對象，在保持蝸殼型線不變的情況下對葉輪進行放大，發(fā)現(xiàn)新設(shè)計的風(fēng)機總壓增大，效率略有下降[4]。劉艷等通過對離心壓縮機模型級尺寸進行縮放，發(fā)現(xiàn)按一定比例進行幾何相似放大后，模型級的氣動性能有所提升，最大效率對應(yīng)的流量系數(shù)增大[5]。李艷開等對高速原型壓氣機進行低速模化設(shè)計，包括流道形狀調(diào)整、葉型優(yōu)化等，在部分葉片的造型設(shè)計上突破了幾何相似的限制，有效增加了壓氣機的氣動性能[6]。

以上研究主要是針對原型機進行整機?；O(shè)計，?；O(shè)計方法對于風(fēng)機氣動性能的改進是有效的。但在家用電器中，受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和幾何尺寸的限制，常會出現(xiàn)無法進行整機同比例縮放的情況?；诖?，本文將對多翼離心風(fēng)機的關(guān)鍵部件葉輪和蝸殼分別進行?；O(shè)計。考慮到多翼離心風(fēng)機結(jié)構(gòu)緊湊、流道短，葉輪通道內(nèi)及葉輪出口處流動狀態(tài)十分復(fù)雜[7]，當(dāng)分別對葉輪和蝸殼進行?；O(shè)計時，葉輪與蝸殼匹配的有效性尚不明確。若葉輪與蝸殼匹配不當(dāng)，將引起多翼離心風(fēng)機內(nèi)流動分離，較大的分離渦會影響葉輪通道內(nèi)流動穩(wěn)定性，使得風(fēng)機氣動性能下降[8-9]。已有研究表明，優(yōu)化葉輪-蝸殼的匹配能夠抑制風(fēng)機內(nèi)旋渦脫落、壓力脈動及流動不穩(wěn)定等現(xiàn)象，從而有效提升風(fēng)機氣動性能。Pan等在不改變蝸殼進出口面積比的前提下，通過擴大蝸舌附近區(qū)域的流道面積，改善了非設(shè)計流量條件下蝸殼內(nèi)速度場分布，提高了葉輪-蝸殼的適配性[10]。楊偉剛通過多翼離心風(fēng)機流場結(jié)構(gòu)研究，發(fā)現(xiàn)蝸殼進出口面積變化關(guān)系到葉輪與蝸殼的最佳匹配關(guān)系。當(dāng)蝸殼進出口面積保持不變時，最佳的葉輪與蝸殼匹配可以使多翼離心風(fēng)機風(fēng)量最大提升3.4%[11]。Wang等開發(fā)了基于貓頭鷹翅膀構(gòu)型的仿生蝸舌來改善葉輪與蝸殼的相互作用，以再循環(huán)流量系數(shù)和回流系數(shù)作為評價指標(biāo)對葉輪-蝸殼相互作用效果進行定量評估[12]。張翔、方挺等分別對葉輪中心位置與蝸殼的匹配關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)葉輪與蝸殼同心安裝并非最佳匹配安裝位置，采用匹配改進方案均實現(xiàn)了風(fēng)機風(fēng)量的增加和效率的提升[13-14]。蒲曉敏研究發(fā)現(xiàn)，改變蝸殼與葉輪的軸向匹配關(guān)系可以降低蝸殼結(jié)構(gòu)不對稱性的影響，使得葉輪出口流動分布更均勻[15]。Han等將二維計算流體力學(xué)方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、響應(yīng)面中心復(fù)合設(shè)計方法綜合使用，尋找多翼離心風(fēng)機最佳蝸舌半徑來改善葉輪-蝸殼的匹配關(guān)系，減小蝸舌附近的流動分離區(qū)，從而達到增大多翼離心風(fēng)機風(fēng)量的目的[16-17]。此外，有研究表明不同的葉輪-蝸殼匹配條件對多翼離心風(fēng)機氣動性能及蝸殼內(nèi)部壓力波動規(guī)律的影響，以及蝸殼幾何形狀及蝸舌間隙對葉輪內(nèi)部的流動狀態(tài)和性能都有較大的影響。合理的蝸舌形狀設(shè)計及安裝位置有利于減弱蝸舌處壓力脈動，提供比原型機更寬的運行工況范圍，氣動效率增加[18-21]。

從以上研究可以看出，合理的葉輪-蝸殼匹配設(shè)計能夠通過改善風(fēng)機內(nèi)流動狀態(tài)實現(xiàn)風(fēng)機性能的提升。因此，針對已有的原型多翼離心風(fēng)機，在不能實現(xiàn)葉輪和蝸殼的同比例縮放時，研究不同設(shè)計方案的葉輪與蝸殼的匹配對指導(dǎo)受限空間下多翼離心風(fēng)機的設(shè)計具有重要的理論參考和應(yīng)用價值。本文以某性能優(yōu)良的多翼離心風(fēng)機為原型，按設(shè)定的縮放比分別對多翼離心風(fēng)機葉輪和蝸殼進行多方案?；O(shè)計，基于數(shù)值計算方法揭示了不同葉輪-蝸殼匹配設(shè)計方案對多翼離心風(fēng)機性能的影響，獲得了最佳的多翼離心風(fēng)機設(shè)計方案。

1 模型建立及方法

1.1 幾何模型與計算域

本文研究的雙吸式多翼離心風(fēng)機由進口集流器、蝸殼及葉輪等組成，見圖1。葉輪由單圓弧前向葉片、中心輪盤組成，輪盤兩側(cè)葉輪錯齒安裝，蝸殼型線由三段圓弧組成，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 雙進氣多翼離心風(fēng)機Fig.1 Double-inlet multi-blade centrifugal fan

表1 原型多翼離心風(fēng)機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 The main parameters of prototype multi-blade centifugal fan

多翼離心風(fēng)機計算域由蝸殼、葉輪及進出口區(qū)域組成，通過ICEM CFD 軟件對計算模型進行網(wǎng)格劃分。為加速計算收斂，將計算流體域模型的進口向上游延伸2 倍葉輪外徑，出口向下游延伸2 倍葉輪外徑，計算域見圖2。

圖2 多翼離心風(fēng)機計算模型Fig.2 Computational model of multi-blade centrifugal fan

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 計算方法

根據(jù)空調(diào)用多翼離心風(fēng)機實際運行工況，多翼離心風(fēng)機內(nèi)部流動馬赫數(shù)小于0.3，為黏性不可壓縮湍流流動[22]。采用CFD 商用軟件ANSYS Fluent 20.0 對風(fēng)機進行模擬計算。其中，湍流計算模型采用Realizable k-ε 模型[23]，壓力-速度耦合求解算法取SIMPLE 算法，壓力離散格式取PRESTO!格式。湍流耗散方程、湍流動能方程和動量方程均設(shè)定為二階迎風(fēng)格式，計算收斂殘差設(shè)定為10-4。進口給定總壓邊界條件，總壓值為101325Pa，出口給定靜壓邊界條件，靜壓值為101325Pa。進出口區(qū)域和蝸殼設(shè)為靜止，葉輪設(shè)為旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1300r/min。

1.2.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為保證數(shù)值模擬的有效性和準(zhǔn)確性，進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)分別約為88.3，141，195，293，455，558 和607 萬時，計算所得到的多翼離心風(fēng)機風(fēng)量結(jié)果見圖3。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)約為455萬后，網(wǎng)格數(shù)再增加，風(fēng)機風(fēng)量基本保持不變?？紤]計算精度、計算時間及計算資源使用情況，最終計算網(wǎng)格數(shù)確定為455 萬。其中，葉輪區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為213 萬，蝸殼及出口區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為175萬，進口延長段區(qū)域網(wǎng)格數(shù)67萬。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.3 Grid independence verification

1.2.3 數(shù)值方法有效性驗證

采用上述數(shù)值計算模型和數(shù)值計算方法對原型多翼離心風(fēng)機的氣動性能進行模擬，同時對原型風(fēng)機氣動性能進行實驗測量，結(jié)果表明：在相同轉(zhuǎn)速條件下，實驗測試和數(shù)值模擬得到的風(fēng)量分別為501.00m3/h 和492.84m3/h，相對誤差為1.63%，兩者的誤差在工程設(shè)計允許的范圍內(nèi)，這也表明了本文數(shù)值計算方法的有效性。

2 ?；O(shè)計方案

根據(jù)多翼離心風(fēng)機風(fēng)量等氣動性能的要求及受限空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計要求，本文研究中?；萴取值為1.127。對蝸殼、葉輪分別進行不同方案的?；O(shè)計，并將不同?；桨富ハ嗥ヅ洌纬尚碌钠ヅ滹L(fēng)機方案以進一步探究葉輪與蝸殼的最優(yōu)匹配關(guān)系，并將最優(yōu)匹配方案與風(fēng)機整體模化設(shè)計方案（記為Fz）進行對比，以探究不同方案對風(fēng)機氣動性能的影響。

2.1 蝸殼?；O(shè)計方案

蝸殼的作用是對離開葉輪的氣體進行收集和引導(dǎo)，并按一定的方向流出，同時流經(jīng)蝸殼的氣體的部分動能也會轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，其中蝸舌起到了防止氣體在蝸殼內(nèi)循環(huán)流動的作用[24]。由于葉輪出口氣流在蝸舌處會與蝸舌產(chǎn)生較為強烈的周期性的相互作用，因此蝸舌形狀、間隙、尺寸及安裝位置等對多翼離心風(fēng)機的氣動性能均有著顯著的影響。選擇蝸舌間隙t與蝸舌半徑r作為主要控制因素來確定不同的蝸殼設(shè)計方案。t與r改變與否可形成4種不同的蝸殼方案(分別記為V1，V2，V3 及V4)，不同蝸殼設(shè)計方案的參數(shù)組合見表2。圖4給出了4種蝸殼方案及風(fēng)機整體?；糯笤O(shè)計方案（Fz）的蝸殼型線對比。

圖4 不同蝸殼型線及其局部放大圖Fig.4 Volute shape and its local structure

表2 蝸殼方案參數(shù)組合Tab.2 The volute moulding scheme

2.2 葉輪?；O(shè)計方案

根據(jù)?；却_定葉輪?；O(shè)計的內(nèi)外徑。對于葉片型線，共給出3種?；糯笤O(shè)計方案：其一，以圓弧葉片型線中心為?；糯笾行模凑漳；确糯?，記為I1；其二，原葉片型線結(jié)構(gòu)參數(shù)乘以相應(yīng)?；纫灾匦吕L制葉片型線，記為I2；其三，按照葉片厚度尺寸?；糯笕~片型線，記為I3。這3種設(shè)計方案的葉片型線的比較見圖5，其中I3 呈現(xiàn)的效果相當(dāng)于加厚了葉片，考慮其應(yīng)用效果的變化可能比較小，故本文沒有考慮I3 設(shè)計方案，只是在同一?；葪l件下，給出了葉輪的兩種?；糯笤O(shè)計方案，即I1方案和I2方案。

圖5 3種?；O(shè)計的葉輪葉片型線Fig.5 Blade profiles of three impellers based on the modeling design

3 計算結(jié)果及分析

3.1 計算結(jié)果分析

將V1-V4 分別與I1 和I2 匹配形成8 種葉輪-蝸殼的匹配設(shè)計方案，結(jié)合對Fz的數(shù)值模擬，計算結(jié)果見表3。本文進行計算結(jié)果分析時，以風(fēng)量作為響應(yīng)目標(biāo)，比較采用I1 和I2 設(shè)計方案時多翼離心風(fēng)機的氣動性能?？梢钥闯鲈谙嗤仛l件下，I2方案的風(fēng)機風(fēng)量與效率均優(yōu)于I1方案。I2相比于I1，風(fēng)機風(fēng)量最大增加了24.12m3/h，效率提升約為2.3%。圖6 為匹配兩種葉輪的多翼離心風(fēng)機的風(fēng)量與效率的比較。

圖6 I1 和I2葉輪匹配不同蝸殼時的多翼離心風(fēng)機性能Fig.6 Aerodynamic performance of multi-blade centrifugal fan when I1 and I2 impeller matching different volute

表3 葉輪-蝸殼匹配方案計算結(jié)果Tab.3 The calculation result of impeller-volute matching scheme

確定I2 為較優(yōu)葉輪方案，進一步尋找與其匹配較好的蝸殼。為研究不同方案在全工況范圍內(nèi)對風(fēng)機性能的影響，模擬計算每個方案不同工況下的性能并進行結(jié)果分析。定義風(fēng)量的相對變化率δQi以對比不同方案下風(fēng)機的性能變化情況[11]：

式中，i為工況編號。圖7為不同工況下，各方案相比于Fz方案的風(fēng)量變化曲線。據(jù)圖可知，不同工況下，各方案對于風(fēng)量的響應(yīng)不同。方案V2I2，V3I2 在全工況范圍內(nèi)基本呈現(xiàn)風(fēng)量負響應(yīng)，表現(xiàn)為相對于Fz 方案風(fēng)量降低；而方案V1I2，V4I2的相對風(fēng)量變化率在全工況范圍內(nèi)均為正值，起到正響應(yīng)作用，即風(fēng)量有所提高。V1I2，V4I2 方案全工況范圍內(nèi)加權(quán)風(fēng)量增加率分別為2.77%和3.23%，方案V4I2 的加權(quán)相對風(fēng)量變化更加明顯且變化趨勢平穩(wěn)，波動較小。通過模擬計算及分析，I2和V4所形成的葉輪-蝸殼匹配方案V4I2為所研究方案中的最佳方案。

圖7 不同工況下采用不同設(shè)計方案時多翼離心風(fēng)機風(fēng)量的相對變化Fig.7 Relative variation of flow rate of multi-blade centrifugal fan for different design schemes under different working conditions

3.2 流場分析

為了揭示相同蝸殼、不同葉輪區(qū)域的流動狀態(tài)，選取沿葉高1/4 高度處的葉輪截面S 進行分析，如圖8 所示。圖9 所示為葉輪截面S 上的速度流線分布，從圖9可以看出：當(dāng)蝸殼相同時，無論是I1 還是I2，在蝸舌區(qū)域附近，葉道內(nèi)流動分離嚴(yán)重，其旋渦強度大于遠離蝸舌的區(qū)域，這也反映了由于葉輪出口氣流與蝸舌的相互作用而導(dǎo)致的蝸殼出口附近的復(fù)雜流動及噪聲問題。通過模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)分析得知，相比于I1，葉輪I2效果更佳。從速度流線圖中可以看出，葉輪I2 流道內(nèi)部的流動情況有所改善，旋渦強度整體減弱，流場也更加均勻。在圖中所示區(qū)域①和②中，葉輪I2 流道內(nèi)的旋渦明顯變小或消失，分析原因為葉輪I2 與蝸殼的匹配性較好，蝸殼內(nèi)流動更加均勻充分，使得葉輪出口氣流流動也更加流暢；區(qū)域③的葉道內(nèi)旋渦強度也明顯減小，但未表現(xiàn)出旋渦消失，說明盡管流動分離現(xiàn)象依然存在，但葉道內(nèi)流動狀態(tài)有所改善。由此可知，本文研究的多翼離心風(fēng)機葉輪模化放大設(shè)計方案中，方案I2效果更佳。

圖8 葉輪1/4葉高位置處的截面SFig.8 Section S at 1/4 impeller blade height along the axial direction

圖9 相同蝸殼條件下多翼離心風(fēng)機葉輪內(nèi)流線分布Fig.9 Streamline distributions in multi-blade centrifugal fan when the same volute is adopted

圖10 為方案V4I2 及風(fēng)機整體?；糯蠓桨窮z 的葉輪速度流線對比圖。由圖10 可以看到，兩個方案的葉道流動具有相似之處。本文研究著重于原模型不同?；糯蠓桨钢g的比較與匹配，?；认嗤?，獲得的設(shè)計方案滿足相似準(zhǔn)則，即方案V4I2、Fz等均與原模型保持了流動相似，這與文獻[3]所述現(xiàn)象一致。對比兩方案，圖10(a)（即Fz 方案葉輪）流動存在較為復(fù)雜的強度較大的旋渦，這說明原模型及整機模化放大設(shè)計方案仍存在著優(yōu)化空間。從圖10（b）紅色虛線區(qū)域可知，方案V4I2 葉道內(nèi)的旋渦強度發(fā)生改變，葉片吸力面?zhèn)鹊牧鲃臃蛛x現(xiàn)象減弱。旋渦強度減弱使得葉道內(nèi)流動堵塞面積減小，有效流動面積擴張從而使得葉道內(nèi)氣流流動更加順暢，葉輪與蝸殼匹配良好。

圖10 兩種設(shè)計方案的多翼離心風(fēng)機內(nèi)流線分布Fig.10 Streamline distributions in multi-blade centrifugal fan with two design schemes

4 結(jié)論

本文研究了受限條件下2 種葉輪縮放設(shè)計方案、4種蝸殼縮放設(shè)計方案及兩者設(shè)計方案構(gòu)成的8種葉輪-蝸殼匹配設(shè)計方案對多翼離心風(fēng)機氣動性能的影響。得到的主要結(jié)論如下：

1）在葉輪放大設(shè)計研究中，以多翼離心風(fēng)機風(fēng)量為響應(yīng)目標(biāo)，采用方案二“葉片型線結(jié)構(gòu)參數(shù)乘以?；纫灾匦吕L制型線”所獲得的葉輪性能最優(yōu)，相比于另一種方案風(fēng)量最大增加24.12m3/h。

2）在葉輪與蝸殼的匹配設(shè)計研究中，與最優(yōu)葉輪匹配的是“蝸舌半徑不變，蝸舌間隙改變”的局部改型設(shè)計蝸殼。采用蝸殼與葉輪的匹配設(shè)計方案，有效增加了多翼離心風(fēng)機的風(fēng)量，相比于原型風(fēng)機的整體?；糯笤O(shè)計方案，最優(yōu)葉輪與局部改型設(shè)計蝸殼的匹配方案在全工況范圍內(nèi)多翼離心風(fēng)機的加權(quán)風(fēng)量增加3.23%。

3）通過分析葉輪、蝸殼分開?；O(shè)計的最優(yōu)匹配方案與原型風(fēng)機整體?；糯笤O(shè)計方案之間的差異，可以發(fā)現(xiàn)：葉輪與蝸殼的良好匹配能有效減少沿葉片吸力面的流動分離，減弱葉道內(nèi)的旋渦尺度及強度，減小葉道內(nèi)的流動堵塞，這對于提升多翼離心風(fēng)機的風(fēng)量是有利的，也從另一方面反映出蝸殼和葉輪分開進行?；O(shè)計具有一定的局限性。