謝麗婷 馬驍骙 付天琳 何振斌 陳飛帆

廣東美的生活電器制造有限公司 廣東佛山 528300

0 引言

軸流風(fēng)扇是一種常見的家用電器，其工作原理是利用電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，加速空氣流動(dòng)，達(dá)到給人體降溫，增加舒適性的效果。風(fēng)葉主要材料為ABS、PP等塑料，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受離心力和氣動(dòng)力的影響，會(huì)產(chǎn)生垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向的擺動(dòng)變形，使風(fēng)葉做功區(qū)域發(fā)生變化，導(dǎo)致風(fēng)量、風(fēng)速、噪聲值等氣動(dòng)性能偏離設(shè)計(jì)值，造成異常振動(dòng)、噪聲等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)[1]。因此，如何在保持出風(fēng)效果的前提下，提高風(fēng)葉的剛度，減少風(fēng)葉變形量，對(duì)提升設(shè)計(jì)水平、確保實(shí)際產(chǎn)品性能、改善聲品質(zhì)有著重要影響。

目前國內(nèi)仍有部分風(fēng)扇廠商采用較為傳統(tǒng)的研發(fā)方式，主要依賴于產(chǎn)品開發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)和多次試驗(yàn)驗(yàn)證，并沒有采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)手段，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于產(chǎn)品的快速迭代，嚴(yán)重制約企業(yè)的發(fā)展。計(jì)算流體力學(xué)在風(fēng)扇分析領(lǐng)域的應(yīng)用，可大幅縮減產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期[2,3]。湯黎明[4]應(yīng)用FLUENT等軟件對(duì)冷卻風(fēng)扇展開數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)去除導(dǎo)風(fēng)罩環(huán)形部分降噪效果顯著。趙廣銀[5]論證了邊界層網(wǎng)格與多面體網(wǎng)格對(duì)流場數(shù)值模擬的精確性發(fā)揮的重要作用。陳慧敏[6]等借助湍流模型對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行了流場計(jì)算，得出了安裝旋轉(zhuǎn)環(huán)有益于風(fēng)扇效率與靜壓提升的理論。張莉[7]等結(jié)合數(shù)值仿真與參數(shù)優(yōu)化，為小型軸流式吹風(fēng)機(jī)減少設(shè)計(jì)成本。潘京大[8]等利用CFD仿真軟件對(duì)空調(diào)換熱器風(fēng)速分布進(jìn)行了仿真和分析，并對(duì)該換熱器流路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

大量研究表明，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真可以預(yù)測流動(dòng)性能，對(duì)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)流場進(jìn)行微觀研究，已逐漸成為研究軸流機(jī)構(gòu)性能的重要手段。但是其對(duì)家用軸流風(fēng)葉剛度研究的幫助則非常有限，一是由于成本與制作外觀等條件的限制，難以通過添加增強(qiáng)纖維、增加金屬嵌件[9]等方法增加風(fēng)葉的剛度；二則難以同時(shí)兼顧剛度、強(qiáng)度及流體性能，因此有許多問題亟待解決。

本研究以某型號(hào)風(fēng)扇為研究對(duì)象，建立家用軸流風(fēng)葉運(yùn)行過程的流固耦合模型，引入基于雙目立體視覺的高速攝像機(jī)測量風(fēng)葉變形量，結(jié)合試驗(yàn)和仿真共同分析風(fēng)葉的變形情況，在保持風(fēng)葉重要曲面構(gòu)造、保證風(fēng)葉氣動(dòng)性能的前提下，通過改進(jìn)風(fēng)葉局部結(jié)構(gòu)提高整體剛度，降低變形量，從而改善聲品質(zhì)。

1 風(fēng)葉變形量測試

1.1 測試原理與平臺(tái)

本文采用基于雙目立體視覺的高速三維成像法，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)葉在900 r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)過程中擺動(dòng)幅度的測量。高速成像系統(tǒng)由光學(xué)成像、光電成像、信號(hào)傳輸、控制、圖像存儲(chǔ)與處理等幾部分組成，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時(shí)，所記錄目標(biāo)的變化過程就可清晰呈現(xiàn)[10]。隨后，用高速運(yùn)動(dòng)圖像分析軟件分析高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)所拍攝的圖像序列，對(duì)其中的特征點(diǎn)和標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，計(jì)算其位移、速度、加速度。該技術(shù)能捕捉到肉眼無法看清楚的圖像和運(yùn)動(dòng)過程，因此在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[10-13]。

本文測試拍攝所用設(shè)備為Phantom 710L高速攝像機(jī)（VIsion Research公司，新澤西州韋恩市，美國），如圖1所示，規(guī)格為1280×800@7530 fps?？臻g位置的標(biāo)定、采集、跟蹤及測量采用TEMA運(yùn)動(dòng)分析軟件。

圖1 高速攝像機(jī)Phantom 710L

1.2 測試條件

本文采用某型號(hào)的風(fēng)葉為研究對(duì)象。在測試樣本和標(biāo)定塊上標(biāo)記測量點(diǎn)，使測量設(shè)備能對(duì)標(biāo)定點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行跟蹤測量。如圖2中#1、#2、#3為輪轂的標(biāo)簽，#4為靠近葉尖的位置。

圖2 風(fēng)葉標(biāo)簽點(diǎn)粘貼示意圖

調(diào)整攝像頭及系統(tǒng)參數(shù)（拍攝頻率不少于3000 Hz），在風(fēng)扇及周圍環(huán)境靜止時(shí)進(jìn)行拍攝以便獲取靜止時(shí)各點(diǎn)的坐標(biāo)值，后期用于把葉尖標(biāo)記點(diǎn)到輪轂平面的距離轉(zhuǎn)換成擺動(dòng)幅度。啟動(dòng)風(fēng)扇，待其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的拍攝[14]。

1.3 測試結(jié)果

完成靜止及旋轉(zhuǎn)的圖像拍攝后，使用TEMA高速運(yùn)動(dòng)圖像分析軟件，建立系統(tǒng)空間坐標(biāo)系下各時(shí)刻各標(biāo)定點(diǎn)的系統(tǒng)平面坐標(biāo)值和xyz坐標(biāo)值。在Hypermesh軟件中把圖2標(biāo)記點(diǎn)#1、#2、#3、#4所有時(shí)刻的位置進(jìn)行復(fù)原，形成由一系列點(diǎn)組成的軌跡圖，如圖3 a)所示。中間一圈點(diǎn)為輪轂上三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)#1、#2、#3所有時(shí)間所處位置的集合，外圈是葉尖上的標(biāo)記點(diǎn)#4所有時(shí)間所處位置的集合。在Hypermesh軟件中，每個(gè)時(shí)刻分別以#1、#2、#3三點(diǎn)建立一個(gè)平面，#4到該平面的距離則為每個(gè)時(shí)刻葉尖上標(biāo)記點(diǎn)距離輪轂平面的距離，如圖3 b)所示。各點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)時(shí)刻與靜止時(shí)刻距離輪轂平面的距離之差為擺動(dòng)幅度。圖4為標(biāo)記點(diǎn)#4旋轉(zhuǎn)過程中的擺動(dòng)幅度圖，可見#4的擺動(dòng)幅度隨時(shí)間呈周期性變化，最大擺動(dòng)幅度為1.39 mm，最小擺動(dòng)幅度為0.20 mm，平均擺動(dòng)幅度為0.88 mm。

圖3 Hypermesh軌跡圖

圖4 標(biāo)記點(diǎn)#4處的擺動(dòng)幅度

2 風(fēng)葉變形量仿真

2.1 風(fēng)葉變形仿真建模

本文在Ansys Workbench平臺(tái)上，通過流固耦合的仿真方法，分析風(fēng)葉在氣動(dòng)載荷和離心力共同作用下的變形情況，先用Fluent計(jì)算風(fēng)葉在900 r/min轉(zhuǎn)速下所受的氣動(dòng)載荷，再把氣動(dòng)載荷作為靜態(tài)壓力傳遞至靜力分析模塊中，施加至風(fēng)葉對(duì)應(yīng)區(qū)域。流體計(jì)算采用流體域、旋轉(zhuǎn)域的三維模型。旋轉(zhuǎn)域?yàn)橹睆?06 mm，高70 mm的圓柱體，中間抽空風(fēng)葉實(shí)體。流體域?yàn)殚L9 m，直徑800 mm的圓柱體，中間抽空旋轉(zhuǎn)域?qū)嶓w。旋轉(zhuǎn)域前方距離流體域壓力出口7 m，距離壓力入口2 m。旋轉(zhuǎn)域風(fēng)葉對(duì)應(yīng)的內(nèi)表面設(shè)置成移動(dòng)壁面，以旋轉(zhuǎn)模式運(yùn)動(dòng)。計(jì)算采用Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，求解采用壓力基求解器，壓力速度耦合選用SIMPLE算法，動(dòng)量方程選擇二階迎風(fēng)離散插值。靜力分析約束風(fēng)葉與電機(jī)軸銷連接處的自由度，施加轉(zhuǎn)速900 r/min。所用風(fēng)葉材料為專用樹脂，為彈塑性材料，密度為1.17 g/cm3，楊氏模量為3000 MPa。

2.2 仿真結(jié)果分析

從Fluent分析結(jié)果可知，風(fēng)葉在該轉(zhuǎn)速下正面與背面的壓力分布分別如圖5、圖6所示。壓力面中心位于風(fēng)葉上半部分靠近葉尖處。從流固耦合仿真結(jié)果可知，風(fēng)葉發(fā)生最大變形處為葉尖，變形后的風(fēng)葉如圖7所示，垂直于輪轂平面方向最大變形為1.04 mm，標(biāo)記點(diǎn)#4的變形量為0.97 mm。

圖5 風(fēng)葉正面壓力分布圖

圖6 風(fēng)葉反面壓力分布圖

圖7 風(fēng)葉擺動(dòng)幅度分布云圖

與圖4的擺動(dòng)幅度測試值相比，該仿真值位于平均擺動(dòng)幅度與最大幅度之間，更接近平均擺幅，原因是流體部分計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，沒有考慮流體流動(dòng)的瞬態(tài)效應(yīng)，固體部分采用靜力學(xué)計(jì)算，沒有考慮動(dòng)態(tài)效應(yīng)，兩場耦合的方式也沒有考慮固體變形后對(duì)流體產(chǎn)生進(jìn)一步的影響，因此仿真結(jié)果更接近于靜態(tài)加載。但由于該行業(yè)開發(fā)周期及仿真計(jì)算成本問題，且風(fēng)葉在該工況下的變形不屬于明顯大變形，仿真結(jié)果仍有一定的參考意義。

3 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)改進(jìn)

風(fēng)葉的氣動(dòng)性能取決于復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和幾何構(gòu)型，因此，本身的氣動(dòng)設(shè)計(jì)極為重要。單獨(dú)顯示一個(gè)風(fēng)葉的壓力云圖，如圖8所示，可見分界線以外的區(qū)域承受約98%的氣動(dòng)載荷，為風(fēng)葉的主要做功區(qū)域，對(duì)氣動(dòng)性能影響極其重要。因此，若以不得改變風(fēng)葉氣動(dòng)性能為前提，分界線以外區(qū)域的曲面構(gòu)型及相對(duì)于輪轂的空間位置不作改動(dòng)。

圖8 原結(jié)構(gòu)壓力云圖及分界線定位

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了解決大變形問題，通常采用提高結(jié)構(gòu)剛度的手段達(dá)到減小變形目的?？梢詮臏p小彎矩，縮短跨距長度，改集中力為分布力，改變支座條件，提高截面慣性矩，提高材料彈性模量，合理布置各構(gòu)件等手段提高結(jié)構(gòu)整體剛度。本案例中，采用提高非主要做功區(qū)域的彎度以提高截面慣性矩，從而提高風(fēng)葉的剛度。

如圖9所示，虛線為改進(jìn)前風(fēng)葉曲面部分與輪轂連接處的截面形狀，位于分界線以內(nèi)的區(qū)域，可見該處彎度較小，幾乎呈直線走向。增加非主要做功區(qū)域，即分界線以內(nèi)區(qū)域的彎度，改進(jìn)前后的風(fēng)葉對(duì)比及風(fēng)葉與輪轂連接處的截面形狀如圖9中實(shí)線所示。改進(jìn)后，從風(fēng)葉對(duì)比可見，在分界線以外的區(qū)域，兩者的曲面重合，在與輪轂連接處，新結(jié)構(gòu)與舊結(jié)構(gòu)的彎度不同，沿葉尖的方向逐漸趨于一致，平緩過渡至分界線。

圖9 改進(jìn)前后風(fēng)葉曲面部分與輪轂連接處的截面

3.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后的風(fēng)葉模型進(jìn)行流固耦合分析，從流體仿真結(jié)果得知，在相同轉(zhuǎn)速下，正面與背面的壓力分布分別如圖10、圖11所示，與圖5、圖6對(duì)比，壓力面和吸力面區(qū)域等壓線分布幾乎一致，靠近葉根處略有不同，說明該局部區(qū)域的改變對(duì)空氣作用于葉面的影響不大。靜力分析結(jié)果顯示，風(fēng)葉發(fā)生最大變形處仍為葉尖，垂直于輪轂平面方向最大變形為0.81 mm，如圖12所示。

圖10 改進(jìn)后風(fēng)葉正面壓力分布圖

圖11 改進(jìn)后風(fēng)葉反面壓力分布圖

圖12 改進(jìn)后風(fēng)葉擺動(dòng)幅度分布云圖

為進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估改進(jìn)方案，對(duì)新結(jié)構(gòu)用同樣的材料進(jìn)行制作，并對(duì)兩者氣動(dòng)性能及變形進(jìn)行對(duì)比。新舊結(jié)構(gòu)同樣位置標(biāo)記點(diǎn)#4旋轉(zhuǎn)過程中的擺動(dòng)幅度對(duì)比圖如圖13所示，兩種結(jié)構(gòu)的風(fēng)葉氣動(dòng)性能及變形測試結(jié)果如表1所示，改進(jìn)后風(fēng)葉標(biāo)記點(diǎn)#4的最大變形量由1.388 mm下降至1.074 mm，下降幅度為22.62%，說明新風(fēng)葉的剛度有所提高。風(fēng)量為36.17 m3/min，風(fēng)速為225.6 cm/s，噪聲值為52.17 dB，與舊風(fēng)葉相比，風(fēng)量風(fēng)速雖然有所下降，但下降幅度小于4%，在可以接受范圍內(nèi)；聲品質(zhì)有所改善，噪聲值下降0.95 dB，說明改進(jìn)方案對(duì)風(fēng)葉氣動(dòng)性能影響較小，變形控制取得了較為理想的效果。

圖13 改進(jìn)前后#4標(biāo)記點(diǎn)擺動(dòng)幅度對(duì)比圖

表1 改進(jìn)前后風(fēng)葉氣動(dòng)性能及變形對(duì)比

4 結(jié)論

家用軸流風(fēng)葉在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易出現(xiàn)擺動(dòng)幅度大的問題。本文結(jié)合流固耦合仿真方法、高速三維成像法以及風(fēng)葉氣動(dòng)性能測試，分析了風(fēng)葉的變形問題，在不影響氣動(dòng)性能的前提下，提高結(jié)構(gòu)剛度，實(shí)現(xiàn)對(duì)變形量的控制。本文所涉及的風(fēng)葉變形分析及控制方法，對(duì)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與剛度驗(yàn)證具有參考意義。通過用某型號(hào)風(fēng)葉開展試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）軸流風(fēng)葉在高轉(zhuǎn)速下容易產(chǎn)生較大變形；

（2）改變風(fēng)葉主要做功區(qū)域以外的造型對(duì)風(fēng)葉氣動(dòng)性能影響較??；

（3）提高風(fēng)葉葉根處截面的彎度，有利于提高風(fēng)葉整體剛度，減小變形量，從而降低噪聲值，改善聲品質(zhì)。